Fizikçilerden Rekor Kıran Deney: “Hayalet Parçacıklar” Maddenin Üzerinde Sıçrıyor!

Nötrinolar her yerdeler. Her saniye vücudumuzdan yaklaşık 100 trilyon nötrino geçiyor, ama o kadar zayıf bir etkileşim içindeler ki onları hiç fark etmiyoruz. Nötrinoların bu ürkütücü özelliği onlara “hayalet parçacıklar” lakabının takılmasına yol açtı. Antimadde karşılığı olan antinötrinolar da her yerdeler. Her ikisini tespit etmek zor, ancak fizikçiler bu hayalet benzeri davranışlarını aşma konusunda giderek daha iyi hale geliyorlar, yakın zamanda gerçekleştirilen bir ölçümle gösterildiği gibi.

Düşük enerjili bir nötrino, bir atomun tüm çekirdeğine çarptığında, ortaya çıkan saçılma, fizikçilerin bir nükleer reaktörde yakalamaları için yeterli sinyaller üretir. Bu prensibi kullanarak, fizikçiler nötrinolarla ilgili şimdiye dek kaydedilmiş en düşük enerji seviyelerini başarılı bir şekilde ölçtüler ve sonuçlarını Nature dergisinde bugün yayımlanan bir makalede bildirdiler. Deney için, İsviçre’nin Leibstadt kentindeki Coherent Neutrino Nucleus Scattering (CONUS+) işbirliği, nükleer bir reaktörün içinden antinötrinoları etkin olarak “çıkardılar”.

“Bu büyük bir deneysel zorluktu,” Christian Buck, Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü’nde bir fizikçi ve çalışmanın ortak yazarı olan Buck, Gizmodo’ya söyledi.

Bu dedektör, antinötrinolar bir atom çekirdeğine çarptığında oluşan geri tepme enerjisinden kaynaklanan sinyalleri yakalar. Maddenin ve antimaddenin çoğu temel özelliği paylaştığından, aynı ölçümler nötrinoların enerji seviyelerini karakterize etmek için kullanılabilir. Ana dedektör sadece 3 kilogram ağırlığındadır, bu ise minicik, tipik ton ölçekli nötrino dedektörleriyle kıyaslandığında. Bu kadar kompakt bir nötrino dedektöre sahip olmak, nötrinolar üzerine ve genel olarak atomik yapılar üzerine daha hareketli araştırmalar için cazip fırsatlar sunuyor, araştırmacılara göre.

Formel olarak, nötrinoların bir tüm çekirdeğe çarpması koherent elastik nötrino-çekirdek saçılması (CEvNS) olarak adlandırılır ve ilk kez 1974’te öngörülmüştü. Fizikçiler, CEvNS’nin etkileşim oranlarının, büyük dedektörlerin içindeki milyonlarca parçacığın yanından bir nötrinonun geçmesini beklemek yerine, 100 ila 1.000 kat daha yüksek olması gerektiğini varsaydılar. Buna karşın, CEvNS, “küçük bir nötrinonun çekirdeğe nazik bir dokunuş yapması, bir masa tenisi topunun bir arabayı vurması gibi” olup, şimdi arabayı hareket ettiren şeyi tespit etmeliyiz,” diye açıkladı Buck.

2017 yılına kadar, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki COHERENT deneyi bu durumun mümkün olduğunu doğruladı. CONUS+ ve selefi, CONUS, sonuç üzerine önemli değişiklikler yaptı: nötrino çalışmalarını araştırmak için yeni bir etkileşim kanalını göstermek için bir nükleer reaktör kaynağı kullanarak CEvNS ölçmek.

“Reaktör işletmecileri için, bu sadece onların ilgilenmeleri gerekmeyen gereksiz bir yan üründür,” Buck dedi. “Bizim için ise reaktör, antinötrinoların ücretsiz, nokta benzeri bir kaynağı—Leibstadt’taki bir reaktör her saniye 10 üzeri 21 antinötrino yayıyor! Neredeyse hepsi maddeyi etkilemeden geçer (bir hayalet gibi), ama biz her gün birkaç tanesini yakalamaya çalışıyoruz.”

“İki on yıllık deneysel çabaların ardından, CEvNS arayışı hassas ölçümler çağına geçti,” Henry T. Wong, Tayvan’daki Fizik Enstitüsü, Academia Sinica’da bir fizikçi, Nature dergisi için bir Haber & Görüşler makalesinde yazdı. CONUS+’tan elde edilen son sonuçlar, nötrino-fizik araştırmacıları arasında büyük umutlar yaratacak,” diye ekledi Wong, çalışmaya dahil olmayan bir bilim insanı.

CONUS+’ın bir sonraki önemli adımı, cihazının hassasiyetini daha da artırmak ve bulgularını pratik uygulamalara uygulamak olacaktır. Nükleer bir reaktörün içinde benzersiz konumu, Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı gibi büyük kuruluşların ilgisini şimdiden çekmiş durumda, Buck’a göre.

“Prensipte, bu tür bir dedektör reaktörün termal gücünü veya reaktör yakıtının zaman içinde evrimini izlemek için kullanılabilir,” diye açıkladı. “İlk adımı şimdi attık… ama kesinlikle teknolojinin ticari uygulamalar için hazır hale gelmesi için daha birkaç yıl ve adım var.”

Daha da önemlisi, yeni teknik, Standard Model hakkında bildiklerimizle çelişen bazı fenomenleri de ortaya çıkarabilir, dedi Buck. Eğer öyleyse, “Bu, anlayışımızın tam olmadığının ve yeni parçacıklar veya şu ana kadar bilinmeyen etkileşimlerin devrede olduğunun bir işareti olabilir,” dedi.

Bu sonucu ilk gördüğümde, editörümle antinötrinoların doğası hakkında kısa bir tartışma yaptık. Nötrinolar “hayalet parçacıklar” olarak popüler şekilde anılırsa, bu durumda antinötrinolar… anti-hayalet parçacıklar mı olur? Bu ne anlama geliyor?

Buck’a görüşünü sormak zorunda kaldım. Cevabı: “Antinötrinolar nötrinolara çok benzediği için, bir antinötrino aynadaki bir nötrino gibi. Onları bir kategoride görüyorum. Fiziğin bazı etkileşimlere sadece birini veya diğerini izin veren koruma yasaları var, ama her ikisi de benzer öneme sahip.”

Ancak, konuya dair bir sıcak tartışma var, nötrinolar ile antinötrinolar arasında temel bir fark olup olmadığı üzerine. Eğer fizikçiler bu soruyu yanıtlayabilirse, antinötrinoların aynadaki hayaletler mi yoksa (pek olası değil) tamamen farklı bir şey mi olduklarını belki kesin olarak öğrenebiliriz.