Fizikçiler Şimdiye Kadarki En Enerjik ‘Hayalet Parçacığı’nı Keşfetti—LHC Parçacıklarından 30.000 Kat Daha Güçlü!

Fizikçiler, bugüne kadar tespit edilen en enerjik nötrino olan, evrenden gelen bir nötrino keşfettiler. Bu nadir parçacığın, görebildiğimiz en eski ışıkla etkileşimi sonucu doğmuş olabileceği düşünülüyor.

Malta kıyılarının açıklarında, Akdeniz’de gömülü bir dedektör bu nötrinoyu tespit etti. Nötrino, neredeyse ışık hızında hareket eden ve madde ile nadiren etkileşime giren bir temel parçacıktır. Nötrinonun enerjisi, onun Samanyolu’nun ötesinden geldiğini gösteriyor ve fizikçiler bunun aşırı astrofiziksel olaylardan veya maddenin kozmik mikrodalga arka planıyla etkileşimlerinden kaynaklanabileceğine inanıyor. Nötrino hakkındaki araştırma, bugün Nature‘da yayınlandı.

Tespit, 13 Şubat 2023’te yapıldı – tam iki yıl önce – ama ekibin hadisenin analizini yapıp, parçacığın kimliğini ve olası kaynağını belirlemesi zaman aldı.

Nötrinolar, evrenimizdeki en ilgi çekici parçacıklardan biridir; o kadar ki, hükümetler bu küçük parçacıkları tespit edecek deneyler için milyarlarca dolar harcamakta. Bu deneylerden biri, Güney Dakota’daki Fermilab tarafından yönetilen yaklaşık bir kilometre derinlikteki Derin Yeraltı Nötrino Deneyi (DUNE) projesidir.

Küp Kilometre Nötrino Teleskobu veya KM3NeT yakın zamanda tanımlanan bu tespiti gerçekleştirdi. Teleskop, Akdeniz’in derinliklerinde yer alan iki parçacık dedektöründen oluşuyor – biri yüzeyin 3,450 metre, diğeri ise 2,450 metre altında. Bu dedektörler, nötrinoların etkileşime girip yüklü parçacıklar oluşturduğunda oluşturduğu aşırı zayıf ışığı tespit ediyor.

Nötrino dedektörleri büyük olmalı (teleskopun adındaki “Küp Kilometre”nin, yaklaşık 0.24 küp mil eşdeğerinde olduğunu unutmayın) ve rahatsız edilmemesi gerekiyor; bu yüzden, derin yeraltına, denizin dibine ya da buzullara yerleştiriliyorlar.

Şubat 2023’te ekip, dedektörde bir muonun geçtiğini kaydetti; bu gösterişli hadise dedektörün sensörlerinin üçte birinden fazlasında sinyalleri tetikledi. Parçacığın yörüngesi ve enerjisine dayanarak, ekip muonun kozmik – atmosferik nitelikte olmayan – bir nötrinoyla etkileşim sonucu ortaya çıktığına inanıyor.

Ekibin hesaplamalarına göre, muon yaklaşık 120 petaelektronvolt (PeV) enerjiye sahipti. Bir PeV, 1 katrilyon elektron volta eşittir. Ne kadar enerjik görünse de, muonu üreten nötrinonun enerjisinin daha da yüksek olduğu yani 220 PeV olduğu tahmin ediliyor. Bu enerji, 3.4 feet (1 m) yükseklikten düşen bir pinpon topunun enerjisine eşittir—ama sadece bir nokta maddeye sıkıştırılmış haliyle. Ve 220 PeV’de, nötrinonun enerjisi Dünya’nın en güçlü parçacık hızlandırıcısı CERN’in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki protonların nominal enerjisinin yaklaşık 30,000 katı daha güçlüdür.

“Tüm bu enerji, tek bir temel nokta benzeri parçacıkta saklanıyor,” dedi KM3NeT deneyinin sözcüsü ve tespitin yapıldığı dönemde Fransa’nın Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) — Marsilya’daki Parçacık Fiziği Merkezi’nde araştırmacı olan Paschal Coyle, bu hafta başında bir Springer Nature basın toplantısında. “Bu bize etkileyici geliyor.”

Bu parçacığı üretecek bir LHC inşa etmek isterseniz, Coyle’un açıkladığı gibi, gerekecek hızlandırıcı jeostatik uyduların yüksekliklerinde Dünya’yı saracak şekilde olmalıydı.

Nötrinoları tespit etmek gerçekten zordur. IceCube Nötrino Gözlemevi’ne göre, saniyede vücudumuzdan 100 trilyon nötrino geçiyor. Evrende fotonlardan sonra en bol bulunan parçacıklar olmalarına rağmen, “hayalet parçacıklar” olarak adlandırılırlar çünkü neredeyse hiç maddeyle etkileşime girmezler ve bu, onları tespit etmeyi son derece zorlu hale getirir. Geçen yıl, IceCube verileri neredeyse 10 yıllık gözlemevi verilerinden çıkarılan belirli bir nötrino türü için yedi aday sinyal ortaya koydu; bu da araştırmacıların onları tespit etmede ne kadar zorlandığını gösteriyor. Yakın zamanda yapılan ekip çalışması yalnızca bir nötrino tarafından tetiklenmişti, ancak gözlem dedektörün sadece %10’u tamamlandığında yapıldığı için, daha fazla tespitin yapılabileceğini ve bunun daha fazla bilgi sağlayabileceğini umuyorlar.

Nötrinonun kesinlikle galaksimiz ötesinden geldiği belirlendi, ama tam olarak nereden geldiği açık değil. En muhtemel kaynak ya kozmogenik—yani kozmik ışınlar ve kozmik mikrodalga arka planından gelen fotonlar arasındaki etkileşimler aracılığıyla oluşturulmuş, ya da astrofiziksel—yani, evrenin en enerjik objelerinden birinden çıkan parçacıklar akışı içinde üretilmiştir. Özellikle, ekip, nötrinonun geldiği yaklaşık yön ile hizalanan 12 blazarı önermektedir; aktif galaksi çekirdekleri, ışık hızına yakın hızlarda altatomik parçacık jetleri gönderen bu galaksilerin çekirdekleri.

“İnanılmaz—evrende parçacıkları bu kadar yüksek enerjilere hızlandırabilen objeler var ve nasıl yapıldığı henüz tamamen anlamadığımız bir şey,” diye ekledi Coyle.

Çalışmanın ortak yazarı Damien Dornic, ayrıca CNRS’de, basın toplantısında Gizmodo’ya ekibin arşiv verilerini incelediğini ve nötrinonun kozmogenik bir köken yerine astrofiziksel bir kaynaktan geldiğini belirten kaynakların özelliklerini belirlemek amacıyla yeni gözlemler istediğini söyledi.

“Gelecekte, hata kutusunu bu olay için bile önemli ölçüde daraltabiliriz,” dedi Aart Heijboer, Nikhef Ulusal Altatomik Fizik Enstitüsü’nden fizikçi ve araştırmanın ortak yazarı, basın toplantısında Gizmodo’ya açıklamada bulundu. “Eğer bu kaynaklardan biri, o zaman çok daha küçük hata kutusunda doğrudan var ise, bu ilginç olur.”

Tespit, dedektörün sadece %10’u ile yapıldı, diye belirtti Coyle, ve daha fazla olay kozmogenik nötrinoların enerjisi, spektrumu ve kökeni ve aktif galaktik çekirdeklerden çıkanlar hakkında daha fazla bilgi sağlayabilir.

Eğer nötrino kozmogenik bir kaynak olarak doğrulanırsa, bu tespit kendi türünden bir ilktir. KM3NeT şu anda genişletilmekte ve yeni sonuçlar umarız ya yeni olaylar bulacak ya da bu dikkat çekici 2023 gözleminin doğasını netleştirecektir.