Hayalet Parçacık: Nötrino Nedir ve Modern Fiziğin Anahtarı Olabilir mi?

BT derin uzaydan geldi, ışık hızında hareket etti ve Antarktika’ya çarptı. Buzun derinliklerinde, sonunu buldu. Bu bir asteroit veya uzaylı uzay aracı değil, nötrino olarak bilinen, maddeyle nadiren etkileşime giren bir parçacıktı.

1930’larda teorize edilmiş olsa da ve 1950’lerde ilk kez tespit edildi, nötrinolar gizemli bir auraya sahiptir ve genellikle “hayalet parçacıklar” olarak adlandırılırlar – musallat veya tehlikeli değillerdir, ancak biz onları fark etmeden Dünya’da hızla dolaşırlar. Batı Avustralya’daki Curtin Üniversitesi’nden astrofizikçi Clancy James’e göre “ve bu harika bir isim”.

Son yıllarda hayalet parçacıklar, sadece havalı bir isme sahip oldukları için değil, çeşitli nedenlerle manşetlerde yer alıyor. Bu Antarktika çarpışması, örneğin bir yıldızı parçalayan bir kara deliğe kadar izlendi ve diğer nötrinolar güneşten geliyor gibi görünüyor. 2022’nin başlarında, fizikçiler bir nötrino’nun yaklaşık kütlesini doğrudan tespit edebildiler – yeni fiziği ortaya çıkarmaya veya Standart Modelin kurallarını çiğnemeye yardımcı olabilecek bir keşif.

Gerçekten bir hayalet yakaladığımızı ve hayaletin ölmüş birine ait olduğunu söyleyebildiğimizi hayal edin. Evren hakkında bildiğimiz her şeyi değiştirirdi. Hayalet parçacık aynı sebepten dolayı oldukça büyük bir olay ve bu yüzden astrofizikçiler onları tuzağa düşürmeye çalışıyorlar. Onlar heyecanlılar ve işte bu yüzden siz de olmalısınız.

nötrino nedir?

Özetle, bir nötrino temel, atom altı bir parçacıktır. Parçacık fiziğinin Standart Modeli altında “lepton” olarak sınıflandırılır. Diğer leptonlar, protonlar ve nötronlarla atomları oluşturan negatif yüklü parçacıklar olan elektronları içerir. Ama bakın, eğer bütün bunlara girersek, parçacık fiziğine çok derinlere ineceğiz ve bu beynimizi patlatacak.

Nötrino benzersizdir çünkü yok denecek kadar küçük bir kütleye sahiptir ve elektrik yükü yoktur ve tüm evrende bulunur. Avustralya’daki Monash Üniversitesi’nden astrofizikçi Eric Thrane, “Güneşte, nükleer reaktörlerde ve yüksek enerjili kozmik ışınlar Dünya atmosferine çarptığında yapılırlar” diyor. Ayrıca süper kütleli kara delikler ve patlayan yıldızlar gibi bildiğimiz en aşırı ve güçlü nesnelerden bazıları tarafından yapılmışlardır ve ayrıca evrenin başlangıcında, Büyük Patlama’da üretilmişlerdir.

Işık gibi, uzayda yaratıldıkları yerden temelde düz bir çizgide hareket ederler. Diğer yüklü parçacıklar, manyetik alanların insafına kalmıştır, ancak nötrinolar, kozmosun içinde hiçbir engel olmaksızın dolaşır; canavarca bir kozmik silahtan ateşlenen hayalet bir kurşun.

Ve siz bunu okurken, trilyonlarcası Dünya’nın içinden ve dosdoğru sizin içinden geçiyor.

Şu anda bana mı çarpıyorlar?

Evet kesinlikle. Doğduğunuz günden beri her günün her saniyesinde nötrinolar vücudunuzda hareket ediyor. Bunu bilmiyorsunuz çünkü neredeyse hiçbir şeyle etkileşime girmiyorlar. Sizi oluşturan atomları parçalamıyorlar ve bu yüzden orada olduklarını bile bilmiyorsunuz. Tıpkı bir duvardan geçen gölgeli bir ruh gibi, nötrino da içinden geçer. Neyse ki, şeytan çıkarma gerekli değil.

Ama neden nötrinoları önemseyeyim?

Onlarca yıldır onları incelemek, bilim adamları için biraz sürpriz oldu. Standart modele göre, nötrinoların kütlesi olmamalıdır. Ama yapıyorlar. James, “Yaptıkları gerçeği, evreni anlamamızı geliştirmek için bizi yeni fiziğe işaret ediyor” diyor.

Nötrino kütlesi bulmacası ilk olarak 1960’larda gün ışığına çıktı. Bilim adamları, güneşin, atom altı parçacığın belirli bir türü olan elektron nötrinoları olarak bilinen şeyi üretmesi gerektiğini öne sürmüştü. Ama değildi. Bu “güneş nötrino sorunu” çığır açan bir keşfe yol açtı: nötrinoların değişebileceği lezzet.

Neredeyse boş bir Mentos torbası gibi, hayalet parçacık sadece üç farklı aromada gelir – elektron, müon ve tau – ve uzayda hareket ederken tadı değiştirebilirler (tat, gerçek terminolojidir, bunu ben yapmıyorum. bu benzetme için). Örneğin, güneş tarafından bir elektron nötrinosu üretilebilir ve daha sonra bir müon nötrinosu olarak algılanabilir.

Ve böyle bir değişiklik, nötrino’nun kütlesi olduğu anlamına gelir. Fizik bize, kütlesiz olsalardı tadı değiştiremeyeceklerini söylüyor. Şimdi araştırma çabaları kütlenin ne olduğunu açıklamaya odaklanıyor.

Araştırmacılar, Şubat 2022’de prestijli Nature dergisinde yayınlanan bir çalışmada, bir nötrino kütlesinin inanılmaz derecede küçük olması (ama kesinlikle orada). Fizikçiler, Almanya’daki bir nötrino dedektörü kullanarak, bir nötrino için maksimum kütlenin elektron voltunun (eV) yaklaşık onda sekizi olduğunu doğrudan gösterebildiler. Bu akıl almaz derecede küçük bir kütle, bir elektrondan bir milyon kat daha “hafif”.

Beklemek! Bir nötrino dedektörü mü? Ama onlar… hayalet parçacıklar değil mi? Nötrinoları nasıl tespit edersiniz?

James’in belirttiği gibi, “lanet şeyler çoğunlukla, inşa ettiğiniz her dedektörden doğrudan geçer!”

Ancak bir hayaleti tuzağa düşürmenin birkaç yolu vardır.

İhtiyacınız olan temel bileşenlerden biri boşluktur. Fiziksel alan, derin yeraltı. Harika sonuçlar için bilim adamları nötrino dedektörlerini oluşturdular Antarktika’da metrelerce buzun altında ve benzeri, okyanusun dibinde. Bu, verilerin yüzeydeki hassas dedektörleri bombalayacak kozmik ışınlar gibi şeylerden kaynaklanan parazitlerden temiz tutulmasına yardımcı olur. Antarktika’daki IceCube olarak bilinen dedektör, yaklaşık 8000 fit aşağı gömülü.

Bir hayalet parçacığı “yakalamak” aslında bu dedektörlerin yaptıkları için en iyi terminoloji olmayabilir. Örneğin IceCube, herhangi bir nötrino tutsağı tutmaz. Parçacıklar çoğunlukla doğrudan dedektörden geçer. Ancak yolda, bazıları çok (çok!) Antarktika buzu ile nadiren etkileşime girer ve Cherenkov radyasyonu olarak bilinen bir tür mavi ışık yayan ikincil parçacıklar yağmuru üretir. Bir dizi boncuk gibi dikey olarak düzenlenmiş bir dizi ışık algılayıcı küresel modül, bu parçacıkların yaydığı ışığı alır. Benzer bir dedektör Japonya’da mevcuttur: Super-Kamiokande. Bu, buz yerine 55.000 tonluk bir su deposu kullanır ve Ikeno Dağı’nın altına gömülür.

Her ikisi de nötrino’nun hangi yönden geldiğini ve lezzetini saptayabilir. Böylece fizikçiler hayalet parçacığın orada olduğuna dair işaretler görebilirler, ancak hayalet parçacığın kendisini göremezler. Bir nevi poltergeist gibi — sandalyelerle (onları üzerinize fırlatarak) ve ışıklarla (tehditkar bir şekilde açıp kapatarak) nasıl etkileşime girdiğini görebilirsiniz, ancak hayaletin kendisini göremezsiniz. Ürpertici!

Harika. Peki nötrinolardan ne öğrenebiliriz?

Nötrinolar, evrenimizde temel bir parçacıktır, yani bir şekilde var olan her şeyin temelini oluştururlar. Nötrinolar hakkında daha fazla bilgi edinmek, fiziğin bazı gizemlerini çözmeye yardımcı olacaktır.

Thrane, “Parçacık fizikçileri, Standart Model’in ötesinde fizik için ipuçları aramak için nötrinoları inceliyorlar” diyor. Fizikçilerin, nötrinoların Standart Model’in bazı temel yasalarını ihlal edip etmediğini anlamak istediklerini belirtiyor. Thrane, sorunun fizikteki en büyük gizemlerden biri olarak anıldığını belirterek, “Bu, Evrende neden antimaddeden daha fazla madde olduğuna ışık tutabilir” diyor.

Aşırı kozmik nesnelerin ve olayların onları üretebileceğini de biliyoruz. Örneğin, patlayan yıldızların veya süpernovaların nötrinolar yarattığı ve onları evren boyunca fırlattığı bilinmektedir. Gaz, toz ve yıldızları kemiren süper kütleli kara delikler de öyle.

James, “Nötrinoları tespit etmek bize bu nesnelerde neler olup bittiğini anlatıyor” diyor.

Çevredeki maddeyle neredeyse hiç etkileşime girmedikleri için, bu tür nesneleri görmek ve evrenin diğer elektromanyetik dalga boylarıyla (optik ışık, UV ve radyo gibi) inceleyemediğimiz bölgelerinde onları anlamak için nötrinoları kullanabiliriz. Örneğin, bilim adamları, görüşümüz gaz ve toz tarafından engellendiği için diğer elektromanyetik dalga boylarında gözlemlenmesi zor olan Samanyolu’nun kalbine bakabilirler.

Güvenilir algılama ve izleme, şu anda yerçekimi dalgaları ile gördüğümüze benzer bir astronomi devrimini teşvik edebilir. Esasen, nötrinolar, boşlukta neler olduğunu ortaya çıkarmak için mevcut teleskop ve dedektör setimizi tamamlayarak bize kozmosa yepyeni bir göz verebilir.

Bir de “steril” nötrinolar var ki…

Aman Tanrım. Steril nötrinolar nelerdir?

Muhtemelen bunları gizli tutmalıydım ama burada olduğuna göre, steril nötrinolar tamamen başka bir nötrino sınıfı. Tamamen teorikler, ancak bilim adamları, fizikte kiralite olarak bilinen bir özellik nedeniyle muhtemelen var olduklarını düşünüyorlar. Esasen, tartıştığımız normal nötrinolar, bazılarının “solak” olarak adlandırdığı şeydir. Bu nedenle, bazı fizikçiler “sağ-elli” nötrinolar – steril nötrinolar olabileceğini düşünüyorlar.

Normal nötrinolar gibi diğer parçacıklarla zayıf kuvvet yoluyla etkileşmedikleri için onlara bu ismi veriyorlar. Sadece yerçekimi ile etkileşirler. Bu tür nötrinolar, evrenin dörtte birinden fazlasını oluşturan ancak daha önce hiç görmediğimiz karanlık madde için aday olarak kabul edilir.

Bu, nötrinoların fizikteki bir başka can sıkıcı bulmacayı yanıtlamaya da yardımcı olabileceği anlamına geliyor: Karanlık madde tam olarak nedir? Fizikçiler tarafından teorize edilen pek çok karanlık madde adayı var ve hala öğrenilecek çok şey var – nötrinolarla hiç ilgili olmayabilir!

Serin. Nötrinolar hakkında bilmem gereken başka bir şey var mı?

Deborah Conway’in bir keresinde söylediği gibi, “Bu sadece başlangıç, ama çoktan gittim ve aklımı kaybettim.”

Nötrinosuz çift beta bozunması ve bir Majorana parçacığı olarak nötrino fikri gibi, nötrinolarla ilgili akıllara durgunluk veren bazı teorilere henüz girmedik.

Nötrino Tespiti için Dev Radyo Dizisi veya 200.000’e kadar alıcının yerleştirildiğini görebilecek GRAND dahil olmak üzere birkaç yeni nötrino deneyi önerildi. Dizinin toplam alanı, Büyük Britanya ile yaklaşık olarak aynı boyutta olacak şekilde tasarlanmıştır. İlk 10.000 antenin Dunhuang şehri yakınlarındaki Tibet platosuna yerleştirilmesi bekleniyor. gelecek birkaç yıl içinde.

Şimdiye kadar sadece birkaç nötrino tespit edip izleyebilmiş olsak da, önümüzdeki on yılda nötrino astronomisinin gerçekten başarılı olduğunu görecek. Sonuç olarak, nötrinoları, tatlarını ve kütlelerini anlamak, evrenimizin temel doğasına bir pencere sağlayacaktır.

Ve hayaletleri kovalamak her zaman güzeldir.

İlk olarak 17 Nisan’da yayınlandı.