Nötrinoların sırları

Brian Korberlein * 

Nötrinolar gibi bir problemi nasıl çözersiniz? Nötrinolar, belki de bilinen evrendeki en gizemli parçacıklardan biri olarak biliniyor. İlk olarak 1950’lerde radyoaktif bozulmanın bir yan ürünü olarak keşfedildi; ancak, bu parçacıklar aslında nükleer füzyon tepkimeleri esnasında üretilmişti. Neticede, bol miktarda nötrino, yıldızımızın çekirdeğinde gerçekleşen “pp-zinciri” (proton-proton zinciri / hidrojen çekirdeğini [protonları] helyum çekirdeğine [alfa parçacıklarına] dönüştüren bir dizi nükleer tepkime ) ve CNO (karbon-nitrojen-oksijen) nükleer füzyon süreçleri yoluyla Güneş’te üretiliyor. Bu durum, Güneş’i nötrino çalışmaları yürütmek için kusursuz bir aday yapıyor. Ancak 1960’lı yıllarda Güneş kaynaklı nötrinoları ilk defa gözlemlediğimizde, “güneş nötrino problemi” adıyla bilinen bir gizemli durumla karşılaşıldı. Bu problem 1990’ların sonuna kadar çözülemedi ve nötrinoların düşündüğümüzden çok daha garip parçacıklar olduğunu bizlere gösterdi.

“Güneş nötrino problemi,” Güneş’ten gözlemlediğimiz nötrinoların beklenen miktarın yaklaşık üçte biri olması gerçeğinden kaynaklanıyordu. Bu da Güneş’te gerçekleşen nükleer füzyona ilişkin anlayışımızın yanlış olduğu veya nötrinolara garip bir şeyler olduğu anlamına geliyordu. Güneş nötrinolarını ölçmeye başladığımız dönem, elektronun “müon” ve “tau” olarak bilinen iki kardeş parçacığının (birlikte “leptonlar” olarak bilinir) her birinin bir nötrinoya sahip olduğu keşfedildi. Bu ise, nötrinoların üç türü olduğu manasına geliyordu. Beklenen nötrino miktarının üç katı ve ölçülen nötrinoların üç katı oranında birbirlerine bağlandıkları izlenimi veriyorlardı.

Bu parçacığa dair pek çok şey hâlâ karanlıkta. Eski güneş nötrino dedektörleri, sadece elektron nötrinolarını algılayabilirdi; bu nedenle, Güneş tahmin edilen nötrino miktarını üretiyorsa (fakat üç farklı içeriğe sahip parçacıktan da eşit miktarda üretiyorsa) bu gizem çözülecekti. Fakat Güneş, üç nötrino tipini de üretmiyordu; çünkü Güneş’in çekirdeğindeki nükleer reaksiyonlar sadece “elektron nötrinolar” üretir. Görünen o ki, bazı nötrinoların elektron türünün diğer türe dönüşümüne dair bir açıklama bulmak gerekiyor; ancak parçacık fiziğinin iyi kurulmuş Standart Model’ine göre, nötrinoların kütlesiz olması gerekir. Kısacası, ışık hızında hareket ederken kendilerini farklı bir içeriğe dönüştürmelerinin bir yolu yok.

Elbette nötrinoların bir kütlesi varsa içeriklerini değiştirebilirler. Ancak nötrino kütlesi, uğraştığımız basit kütle türünden farklı. Standart Model’de, nötrinolar, yüklerin elektromanyetik kuvveti ve manyetik gücün birleşiminden doğan “zayıf elektro-güç” ve radyoaktif bozunumu idare eden “zayıf nükleer güç” tarafından yönetilir. Zayıf elektro-güç modeli bir kuantum teorisi ve bu nedenle “bulanıklık ilkesi” gibi meseleler de söz konusu. Sonuç olarak, bir nötrinonun kütlesini veya çeşidini ayrı ayrı ölçebilir, ancak aynı anda ikisini birden ölçemezsiniz. Bu durumda, nötrinoların bir kütlesi olduğunu söyleyebiliriz ama elektron içeriğinin belirli bir kütleye sahip olduğunu söylememiz mümkün değil.

KUANTUM BULANIKLIK İLKESİ

Kütle ve içerik arasındaki bu kuantum bulanıklığından dolayı, her seferinde birini veya diğerini tanımlamak durumundayız. Standart Model’e göre, nötrinoların üç kütle türü (kütle öz-durumları) ve üç çeşidi (çeşit öz-durumları) bulunur. Bir nötrinonun (elektron, müon veya tau) çeşidini biliyorsak, o tür, üç kütle türünün bir süperpozisyonudur (aynı anda tüm özellikleri barındırma durumu). Eğer bir nötrino kütlesini tanımlayabiliyorsak, söz konusu olan verinin, bu üç içeriğin üst üste binmesinden oluştuğunu söyleyebiliriz. Bir ‘elektron nötrinosu’nu, ‘müon nötrinosu’ndan ayıran şey, farklı kütle tiplerinin karışım oranıdır. Nötrino’nun her çeşidi, farklı kütle öz-durumlarının kendine özgü bir süperpozisyonudur.

Peki "bulanık" kuantum kütleli nötrinolar, Güneş nötrino problemini çözmemize nasıl yardım eder? Öncelikle, her kütlenin öz-durumunun biraz farklı bir hıza sahip olduğunu ortaya çıkarıyor. Bir nükleer tepkime esnasında bir elektron nötrino üretilirse, farklı hızlardan ötürü kütlesel öz-durumların süperpozisyonu giderek kayar. Kuantum teorisinde, her kütle durumunun farklı bir dalga boyu bulunur, bu sebeple enerji dalgaları kaymaya başlarken, kendi aralarında etkileşime girerler. Bu etki “nötrino salınımı” adıyla bilinir. Böylelikle, bir elektron nötrino evrende yolculuk yaparken, diğer çeşitler arasında salınım yapar ve bir müon veya tau nötrino olarak yükselme veya düşme olasılığı belirir.

MSW ETKİSİ

Kozmik ölçekte Güneş ve Dünya arasındaki uzaklık aslında çok kısa olduğundan, elektron nötrinolarının diğer türlerle etkileşmesi için fazla zamanı olmaz. Ancak nötrinolar madde boyunca ilerlerken, “MSW (Mikheyev–Smirnov–Wolfenstein) etkisi” adıyla bilinen bir başka salınım etkisi meydana gelir. Nötrinolar madde boyunca ilerlediğinde hızları, ışığın kırılma indeksinden dolayı cam prizmalarda gerçekleşen kaymaya benzer biçimde değişir. Kayma her çeşit için farklıdır ve bu (ışığın prizma üzerinde renklere ayrılmasına benzer şekilde) nötrinoların karışımını hızlandırır. Nötrinoların Güneş’in yüzeyine ulaşmasına dek, üç çeşit de eşit miktarda karıştırılır.

Netice itibariyle, Dünya’ya ulaşan nötrinoların sadece üçte biri elektron nötrinodur ve bu durum, nötrino dedektörlerinin neden beklenen miktarın üçte birini ölçebildiğini açıklıyor. Elbette bunun, sadece güneş nötrinolarını açıklamak için fazlasıyla dolambaçlı bir model olduğunu düşünebilirsiniz. Cesur iddialar, cesur kanıtlar gerektirir. Peki biz cevabın içeriklerini değiştiren bulanık kütleye sahip nötrinolar olduğunu nereden biliyoruz? Bu  sorunun cevabı da gelecek sefere kalsın.

* Yazının aslı Futurism sitesinde yayınlanmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)