Antarktika’nın Hayalet Avcıları: Dünyanın En Büyük Nötrino Dedektörünün Derinliklerine Yolculuk

Nötrinolar gerçekten tuhaf varlıklardır. Elektrik yüklü olmayan bu küçük ve gizemli parçacık, evrenin neredeyse her köşesinde bulunur, ancak fizikçiler son derece hassas ve sofistike aletler olmadan onların varlığından haberdar olamazdı. Aslında, her saniye trilyonlarcası sizin içinden geçiyor.

Fizikçiler, nötrinoları algılayabilmek için çeşitli yollar geliştiriyorlar. Ancak bu yıl 20. yılını kutlayan IceCube, Antarktika’daki devasa bir buzulda monte edilmiş 5,160 dijital sensörle kurulan benzersiz yapısıyla özellikle dikkat çekiyor. IceCube İşbirliği, kozmik ışınlarda sıkça bulunan ultra yüksek enerjili nötrinolar için önemli bir istatistik konusunda en katı üst sınırları belirledi. Ayrıca, bu yıl içinde yapılacak büyük teknolojik güncellemelerle, zaten dünyanın en büyük nötrino deneylerinden biri olan IceCube, daha da büyüyecek ve güçlenecek.

Gizmodo, 2011’den beri IceCube projesinde yer alan astrofizikçi ve nötrino uzmanı Harvard Üniversitesi’nden Carlos Argüelles-Delgado’ya ulaştı. Argüelles-Delgado ile IceCube’ün neden Antarktika’da olduğu, deneyin 20 yıllık başarısındaki önemli noktalar ve gelecekteki IceCube-Gen2 çalışmaları hakkında konuştuk. Konuşmamızın dil bilgisi ve netlik açısından hafifçe düzenlenmiş halini okuyabilirsiniz.

Gayoung Lee, Gizmodo: O zaman ilk sorumuza geçelim. Fizikçiler neden Antarktika’nın nötrinoları bulmak için iyi bir yer olduğuna karar verdi?

Argüelles-Delgado: Evet. İki çok zor problemle karşı karşıyasınız. Çok nadir bulunan ve nispeten küçük sinyaller üreten bir şeyi arıyorsunuz. Kontrol edilebilir bir ortam istiyorsunuz ki büyük bir sinyal ve küçük bir arka plan elde edebilesiniz.

IceCube projesi—düşünürseniz biraz çılgınca bir proje—2,5 kilometre (1,5 mil) yüksekliğinde bir buzul üzerinde, dünyadaki en şeffaf ortamlardan birini kullanarak yapıldı. Tekil foton adı verilen ışık parçacıklarını algılayabilen dijital optik modül adlı çok hassas ışık sensörlerini bu buzula yerleştireceğiz. Sonuç olarak, neredeyse karanlık bir kilometre küplük (0,24 mil küp) alanda ışık dedektörlerinden oluşan bir ağımız olacak. Bir nötrino uzaydan geldiğinde, buzda bir şeyle etkileşime girebilir ve ışık oluşturabilir. İşte biz de bunu görüyoruz.

Gizmodo: Nötrinoların ne olduğunu anlamak gerçekten zor. Parçacık fizikçileri tarafından üretildiği gibi görünüyorlar, ama diğer zamanlarda IceCube gibi uzaydan nötrino arayan deneyler bağlamında tartışılıyorlar. Nötrino tam olarak nedir? Neden fiziğin her nişinde ortaya çıkıyor gibi görünüyorlar?

Argüelles-Delgado: Bu iyi bir soru. Nötrinoların parçacık fiziğinden kozmolojiye veya astrofiziğe kadar farklı bağlamlarda ortaya çıkmasının bir nedeni, nötrinoların temel parçacıklar olmalarıdır. Parçalanamayacak parçacıklardır, tıpkı elektronlar gibi. Nasıl ki laboratuvarlarda elektron kullanıyoruz, aynı şekilde fiziksel olayları tespit etmek için de elektronları kullanıyoruz.

Nötrinolar özeldir çünkü davranışları ve özellikleri veya en yüksek enerji rejiminde, kozmik ışınları gözlemlediğimizde açık sorularımız vardır. Bu nedenle nötrinoları yeni bir ortamda ve yeni bir enerji ölçeğinde gözlemlemek her zaman çok heyecan vericidir. Bir gizemle bir şeyi anlamaya çalıştığınızda, onu her açıdan incelersiniz. Yeni bir açı olduğunda, “Bunu görmeyi mi bekliyorduk? Bunu görmeyi beklemiyor muyduk?” diye sorarsınız.

Gizmodo: Gizemleri çözmek için yeni açılar denemeye çalışırken, IceCube’u diğer nötrino dedektörlerinden ayıran nedir?

Argüelles-Delgado: Çok büyük! IceCube, laboratuvarda yaptığımız bir sonraki nötrino deneyinden bir milyon kat daha büyük. İnanılmaz derecede büyük. Etkileşim oranı incelediğiniz şeylerin sayısına bağlı olduğundan, hacim ne kadar büyükse bir şey görme olasılığınız o kadar artar. Uzaydan kaynaklanan ultra yüksek enerjili nötrinolar için her zaman doğal ortamlar —dağlar, buzullar, göller— deneylere dönüştürülmüş manzaralar düşünürsünüz.

Gizmodo: Antarktika öylece uçak biletiyle gidilecek bir yer değil. Bu uzak konumda karşılaşılan zorluklar neler?

Argüelles-Delgado: Haklısınız. Lojistik çok karışık. Tüm bu bileşenleri gönderip, buzula koyduğunuzda doğru çalışacağından emin olmalısınız. Bu, bir uyduya bir şey yerleştirdiğiniz zamanki gibidir. Bir kere oraya yerleştirildiğinde, tamir edemezsiniz. Sadece oradadır. Bu yüzden kalite gereksinimleri çok yüksek ve birçok zorluk var. Bunlardan biri, iki aşamada kullanılan gerçek delici işlemdir. Mekanik bir matkap, ilk kılavuz deliği açar. Sonra özel yapım, yüksek basınçlı bir sıcak su matkabı kullanarak [buzulu oyuyoruz]. Diğer kısım ise kablo. IceCube’deki kablolar oldukça özel, modülleri dijitalleştiren, sinyalleri işlemede daha kaliteli olmamızı sağlayan enstrümanları barındırıyor.

Gizmodo: IceCube’e gelecek olan güncellemeler nelerdir ve neden gerekli?

Argüelles-Delgado: Bu güncellemelerin iki işlevi var. Biri, IceCube’ün içinde bulunduğu buzul hakkında daha iyi bir anlayışa sahip olmamız gerekliliği. Açıkça, o buzul bizim yapımımız değil. Biz sadece buzuk üzerine şeyler yerleştirdik. Ve bu buzulun optik özelliklerini — ışığın buzulda nasıl hareket ettiğini — ne kadar iyi anlarsak, nötrino fizikleri o kadar iyi işleriz. Buzulu daha iyi haritalamak için bir dizi kamera ve ışık kaynağı yerleştireceğiz.

Ayrıca IceCube’in daha büyük bir versiyonu olan IceCube-Gen2 için bir grup yeni sensör yerleştiriyoruz. Bilim yaparken, yeni şeyler denemek ve şeyleri ölçmek istersiniz. Dedektör hacmini genişletemeyeceğiz, ancak iç kısmına sensörler yerleştirerek IceCube’te düşük enerjili nötrinoları daha iyi ölçebilmemizi sağlayacağız.

Düşük enerjili nötrinolar önemlidir çünkü düşük enerjilerde, nötrinolar gezegenin bir tarafından diğerine geçerken türlerini değiştiren flavor salınımı denen bir olayı deneyimler. Bu aslında mikroskobik ölçeklerde bir kuantum mekanik olayıdır. IceCube, bu fiziğin en iyi ölçümlerinden birini göstermektedir.

Gizmodo: IceCube’ün yolculuğunda başlangıçtan beri yer aldınız. Sizin görüşünüze göre, deneyin başardığı önemli noktalar nelerdir?

Argüelles-Delgado: İlk olarak, evrende ultra yüksek enerjili nötrinoların var olduğunu keşfettik. Bu nötrinoları tespit etmek zor olsa da evrenin enerji yoğunluğu açısından — evrendeki birim hacim başına ne kadar enerji bulunduğuna bakıldığında protonlar, nötrinolar ve ışık arasında — çok da nadir değiller ve IceCube bu ilişkiyi kurdu. Birkaç yıl önce galaksimizin nötrino ile çekilmiş ilk fotoğrafını gördük.

Kuantum mekaniğindeki flavor dönüşümü kalbime çok yakın bir konu. Nötrinoların esas olarak elektron ve müon tipi nötrinolar olarak üretildiğine inanıyoruz. Şimdi, uzay boyunca seyahat ettiklerinde, bu kuantum mekanik etkiler nedeniyle, başlangıçta üretimde orada olmayan tau nötrinosuna dönüşebilirler. IceCube’de, yüksek enerji düzeylerinde çeşitli tau nötrinolarının önemli kanıtlarını bulduk. Bunun harika yanı, bu nötrinoların yalnızca üretilip bize ulaşabilmesi, eğer kuantum mekaniği bu son derece uzun mesafelerde çalışıyorsa mümkündür.

Gizmodo: Bu önemli noktaları göz önünde bulundurarak, gelecekte dört gözle beklediğiniz bazı şeyler nelerdir?

Argüelles-Delgado: Nötrino astrofiziğinde beni çok heyecanlandıran iki şey var. Biri nötrinoların kuantum davranışı ve kütlelerini nasıl kazandıklarını anlamıyoruz. Çoğu parçacık, kütleye sahip olduğunda, kütlelerini üretmek için Higgs bozonu ile etkileşime giren iki duruma sahiptir. Nötrinolar için, nedense bu durumların sadece birini görüyoruz. Yüksek enerjili nötrinoların bazı flavor dönüşümünü ararken, nötrino kütle mekanizmaları hakkında fikrimiz olabilir.

İkinci olarak, biz nötrinolar (1,000 kat daha enerjik olan nötrinoları görüyoruz) LHC [parçacık ışını] ürünü olarak. Peki nötrinoların daha yüksek uçları var mı? Bu hikayenin sonu bu mu? İlginç olan, Akdeniz’deki KM3NeT adlı bir deneyin LHC ışınlarından [100,000] kat daha enerjik bir nötrinoyu gözlemlediğini bildirmesi. Bunun garip olduğunu düşünüyorum. Bilirsiniz, garip şeyler olduğunda genellikle bir şeyi anlamadığınızı gösterir. Bu yüzden bu bulmacayı anlamamız gerekiyor.

Gizmodo: Bir ile 10 arasında bir ölçekte, bu gizemleri çözme olasılığımız nedir?

Argüelles-Delgado: Nötrino kütlelerinin doğası, yüksek enerjilerin kuantum salınımı olgusuna bağlıysa, bu Nobel Ödülü alacak bir keşif olur. Bu yüzden bu kadar büyük bir şey, en fazla %1 şans veririm.

Gizmodo: Bu aslında oldukça iyi bir oran.

Argüelles-Delgado: Evet, oldukça iyi olduğunu söyleyebilirim. %1 diyelim. Ultra yüksek enerji rejimi bulmacasını çözebileceğimize inanıyorum; bu biraz zaman alacak. Bu kolayca 15 yıl daha sürecek, ama yine de, gerçekten yeni bir yolculuk olacak. Bizi bekleyen ne olacak, göreceğiz. IceCube ilk nötrinoları görmeye başladığında, çok şaşkındık çünkü onları bu şekilde görmeyi beklemiyorduk, değil mi? Ve tüm bu kafa karışıklıkları devam ederse, daha ilginç sonuçlar bulacağız.