Evrenin tüm temel parçacıkları arasında nötrinolar belki de en gizemlileridir. “Hayalet parçacıklar” olarak da bilinen bu küçük enerji paketlerinin elektrik yükü yoktur, kütleleri neredeyse sıfıra yakındır ve en az üç farklı türü bulunur.
Nötrinolar akıl almaz derecede küçüktür. Her biri 0,8 elektronvolttan daha az bir kütleye sahiptir, yani elektrondan yüz binlerce kat daha hafiftir. Bu parçacıklar evrende her yerdedir. Her saniye vücudundan on trilyonlarca nötrino geçer; çoğu Güneş’ten gelir. Ancak yükleri olmadığı ve boyutları çok küçük olduğu için dokularla ya da herhangi bir maddeyle neredeyse hiç etkileşime girmezler.
Nötrinoların Varlığını Nasıl Keşfettik?
Kuramsal fizikçiler neredeyse bir yüzyıldır varlığını bilse de, hâlâ onlar hakkında şaşırtıcı derecede az bilgiye sahiptir. 1930’larda yapılan deneylerde bazı radyoaktif atomların bozunma sürecinde, yani beta bozunmasında, enerji dengesinde bir eksiklik fark edildi.
Atomların yaydığı elektronların enerjisi toplamda eksik çıkıyor, bir miktar enerji sanki ortadan kayboluyordu. Bu gizem, nötrinonun doğuşuna yol açan ilk ipucuydu.
Bu gözlem, enerjinin yoktan var edilemeyeceğini ya da yok edilemeyeceğini söyleyen termodinamiğin birinci yasasını ihlal ediyordu. Bu çelişkiyi açıklamak için, Wolfgang Pauli, “çaresiz bir çözüm” olarak adlandırdığı bir öneri sundu: Elektronlarla birlikte yayılan, çok küçük, yüksüz yeni bir temel parçacık. Böylece nötrino fikri doğdu.
Pauli’nin öne sürdüğü yüksüz parçacığın varlığı 1956’da yapılan bir deneyle sonunda doğrulandı. Böylece nötrinonun gerçekten var olduğu kanıtlandı, ancak kütlesi belirlenemedi. O dönemdeki kuramlara göre tamamen kütlesiz olması gerekiyordu.
2015’te Tokyo Üniversitesi’nden Takaaki Kajita ve Ontario’daki Queen’s Üniversitesi’nden Arthur McDonald, nötrinoların aslında kütleye sahip olduğunu gösteren çalışmalarıyla Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı. Ne var ki bu araştırma, kütlenin tam değerini ortaya koyamadı.
2000’lerin ortasında Almanya’daki Mainz Nötrino Kütlesi Deneyi, bir nötrinonun kütlesi için üst sınırı 2,3 elektronvolt olarak belirledi. 2022’nin başlarında ise Almanya’daki Karlsruhe Trityum Nötrino Deneyi (KATRIN), bu sınırı daha da daraltan veriler elde etti.
Nötrinoları Nasıl Ölçüyoruz?
Bu kadar hassas bir ölçüm yapmak için son derece duyarlı ve büyük bir donanım gerekir. KATRIN deneyinde kullanılan 200 tonluk spektrometre ve 70 metre uzunluğundaki ultra yüksek vakum tüpleri, eksi 270,15 ile artı 250 santigrat derece arasında çalışabiliyor. Bu sayede araştırmacılar milyarlarca parçacığı tespit edebiliyor.
Aşırı düşük sıcaklıklar, ısıya karşı çok hassas olan süper mıknatısların yeterince soğuk kalmasını sağlıyor. Böylece güçlü manyetik alanlar oluşturulabiliyor ve dedektörler tek tek nötrinoları yakalayabiliyor.
Yine de bu gelişmiş düzenek bile hayalet nötrinoları doğrudan gözlemleyemiyor. Bunun yerine, spektrometre nötrinolarla birlikte yayılan elektronların enerjisini ölçüyor. Bu elektronlar, radyoaktif hidrojenin bozunması sırasında açığa çıkıyor.
Bilim insanları deneyde toplam enerjiyi ölçtükten sonra, elektronların enerjisini bu değerden çıkarıyor. Geriye kalan fark ise nötrinoların enerjisini, dolayısıyla kütlesini temsil ediyor.
En Hızlı Nötrino Hangisidir?
Akdeniz’in üç buçuk kilometre derinliğinde, Sicilya kıyılarından yaklaşık 80 kilometre uzakta, KM3NeT adlı olağanüstü bir teleskobun yarısı var. Bu dev aygıt hâlâ inşa aşamasında, ancak teleskobun bilim ekibi çarpıcı bir keşif açıkladı: uzaydan gelen son derece yüksek enerjili bir parçacığı tespit ettiler. Üstelik bu, şimdiye kadar gözlemlenen en enerjik nötrino oldu.
KM3NeT, Güneş gibi sıradan ışık kaynaklarından tamamen korunmuş durumdadır. Ayrıca elektron ve proton gibi diğer parçacıklar da dedektörlere ulaşmadan çok önce su tarafından soğurulur. Fizikçilerin keşfettiği tüm parçacıklar arasında, KM3NeT’ye kadar ulaşabilen tek şey nötrinodur.
Nötrino, maddeyle o kadar zayıf etkileşir ki, kilometrelerce okyanustan geçerek dedektöre ulaşır. İşte bu nedenle KM3NeT denizin dibine yerleştirilmiştir. Çünkü amacı yalnızca nötrinoları görmektir.
Dedektörden de geçip gitmez mi?
Evet, neredeyse hepsi geçer. Ancak çok nadiren bir nötrino bir su molekülüne doğrudan çarpar. Bu gerçekleştiğinde, muazzam bir enerji ortaya çıkar ve enerjisi, sudan geçerken birçok yeni parçacığın oluşmasına neden olur.
Bu parçacıklar su içinde ilerlerken, maviye çalan bir ışıma üretir. İşte KM3NeT dedektörlerinin algıladığı şey bu ışıktır. Bilim insanları bu mavimsi parlamayı ve her bir ışık patlamasının zamanlamasını analiz ederek, nötrinonun enerjisini ve geldiği yönü yeniden hesaplar.
13 Şubat 2023’te KM3NeT, şimdiye kadar gözlemlenen tüm nötrinoların enerjisinden 30 kat daha yüksek enerjiye sahip bir nötrino tespit etti. Bu, Güneş’in merkezindeki tipik bir parçacıktan yüz trilyon kat, tıpta kullanılan X ışınlarından bir trilyon kat, en tehlikeli radyoaktif parçacıklardan ise on milyar kat daha enerjikti.
Peki tek bir parçacık bu kadar büyük bir enerjiye nasıl sahip olur? Böylesine güçlü bir parçacığı hangi kozmik olay yarattı? İşte işin en heyecan verici yanı burada: Henüz bilmiyoruz.
Peki bu nötrinonun kaynağını nasıl bulabiliriz?
Evrenin birçok yerinde dev yıldızlar yakıtını tüketip çökerken süpernovalar oluşur ve muazzam enerji açığa çıkar. Daha da güçlü olan gama ışını patlamaları, dev yıldızların çökmesi ya da nötron yıldızlarının çarpışmasıyla gerçekleşir. Bu olaylar son derece enerjik nötrinolar üretir.
Galaksilerin merkezindeki süper kütleli kara delikler de başka bir kaynak oluşturur. Bu dev cisimler çevrelerindeki maddeyi yutar, kalan parçacıkları güçlü manyetik alanlarla fırlatarak uzaya saçar. Bu “aktif galaktik çekirdekler” evrenin en enerjik nötrinolarını oluşturabilir.
Nötrinoların daha yakın bölgelerde de ortaya çıkma olasılığı vardır. Patlamalar ve aktif galaktik çekirdekler, kozmik ışınlar denen yüksek enerjili protonlar ve elektronlar üretir. Bu kozmik ışınlar uzayda ilerlerken bir ışık parçacığıyla çarpıştığında yeni bir enerjik nötrino doğar.
Avustralya, güney yarımkürenin en büyük radyo teleskoplarına sahip. Bunlardan biri olan ASKAP gökyüzünün geniş bir kısmını haritalandırdı. Araştırmacılar ASKAP’ı kullanarak KM3NeT’nin tespit ettiği bu tür nötrinoların izini sürüyor. Ancak bu özel nötrino için henüz bir aday bulunmadı. KM3NeT’nin konum belirleme doğruluğu sınırlı olduğu için bu konuda kesin konuşmak da mümkün değil.
Sonuç Olarak
Yine de araştırmalar sürüyor. KM3NeT hâlâ inşa halinde ve ASKAP gökyüzünü taramaya devam ediyor. Evrenin en uç bölgelerine açılan penceremiz yeni yeni aralanıyor.
Kaynaklar ve ileri okumalar
- Neutrinos Could Explain Just About Everything in the Universe. Yayınlanma tarihi: 27 Ocak 2023. Kaynak site: Popular Mechanics. Bağlantı: Neutrinos Could Explain Just About Everything in the Universe/
- Ishikawa, Kenzo & Tobita, Yutaka. (2021). Topological interaction of neutrino with photon in the magnetic field — Electroweak Hall effect.
- McDonald A (2023) Neutrinos: The Ghost Particles That Make Up Our Universe. Front. Young Minds. 11:1034181. doi: 10.3389/frym.2022.1034181
- The KM3NeT Collaboration. Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT. Nature 638, 376–382 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08543-1
Matematiksel
