İzlemek İçin Bir Ölçüm (Nötrino Deneyleri )

Nötrinoların özelliklerinin ölçümünde küçük farklılıklar bulmak, nötrinoların büyük resimdeki yerlerini bize gösterebilir.

Muhakkak ki Fizik diğer bütün bilim dallarından daha fazla olarak ,aynı şeyleri farklı yollarla ölçmeye dayanır. Farklı deneyler bilim insanlarının, herkesi tatmin edecek doğru cevaplara daha fazla yaklaşmasına izin verir. Bu bilimsel bir denge ve kontrol metodudur.

Bir dakikalık olsa bile, farklı bir sonuç ortaya çıktığında, heyecan verici olmasının sebebi budur. Bu farklılık fizikçilere; kendi var olan modelleri veya bunun ötesine uzanan bir fizik hakkında yeni şeyler öğretebilir. Hızlandırıcı deneyleri veya reaktör tabanlı deneylerden oluşan nötrinoların kesin ölçümleri arasında bir farklılık oluşma ihtimaliyeti vardır.

Nötrinolar çoğu şeyle etkileşemeyen küçücük nötr parçacıklardır. Bir ışıkyılı uzunluğundaki kurşunun içinden mutlu ve kendini fark ettirmeyecek bir şekilde geçip gidebilirler. Trilyonlarcası her saniye içinizden geçip gidiyor. Aslında nötrinolar evrende en çok bulunan ve doğal olarak biliminsanlarının anlamak için hevesli(istekli) oldukları parçacıklardır.

Bu hayaletimsi parçacıklar 3 çeşni halinde ortaya çıkarlar ; elektron, tau, müon. Seyahat ettikçe bu 3 çeşni arasında geçiş yaparlar. Bu şu anlama geliyor, Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki hızlandırıcıdan ayrılan bir müon nötrino South Dakota’daki bir yer altı dedektöründe bir elektron nötrinosu olarak ortaya çıkabilir.

Sizin için yeterince karmaşık değil mi ? Bahsetmiş olduğumuz bu nötrino çeşnileri; nötrinonun 3 farklı “kütle durumu”nun karışımından oluşmaktadır. Bunlar kütle 1,2 ve 3 olarak adlandırılırlar.

Her şey gözönünde bulundurulduğunda, nötrinolar tuhaftırlar. Onlar olasılıkların, karışım matrislerinin ve diğer türlü hilekarlıkların ülkesi olan kuantum dünyasında takılırlar. İşte size bilmeniz gereken bir şey. Nötrinolar hakkında ölçebildiğimiz birçok şey var. Onlardan birisi ise theta13 (Teta bir üç olarak söyleniyor) adındaki parametre. Theta13 nötrinoların birbirine nasıl dönüştükleri ile derinden ilgilidir ve bu parametre bilim insanlarının farklı deneylerin uyuşmazlığının en silik ipuçlarını gördüğü yerdir.

Hızlandırıcılar Reaktörlere Karşı

Nötrinolar ve Theta13 gibi şeyler hakkında bilgi edinmek için birçok yöntem vardır. En popüler iki tanesi ise parçacık hızlandırıcıları ve nükleer reaktörlerdir.
Theta13 ile ilgili en iyi ölçümler Double Chooz, RENO ve Çin’de bulunan Daya Bay Reaktörü Nötrino Deneyi (Burada birkaç hafta önce günümüze kadar yapılmış en iyi ölçüm yayımlandı) gibi nükleer reaktörlerden geliyor.

Nükleer reaktörlerin yakınına kurulan dedektörler mükemmel bir şekilde Theta13 değerleri okumamızı sağlıyorlar, çünkü reaktörler son derece saf bir elektron antinötrino kaynağı üretiyor ve Theta13 elektron nötrinolarının nasıl dönüştüğü ile yakından ilgilidir. Araştırmacılar yakın dedektörden uzaktaki bir dedektöre yolculuk ederken diğer çeşitlere dönüşerek ortadan kaybolan elektron anti-nötrinolarının sayısına dayanarak Theta13 ‘ü hesaplayabiliyorlar.

Bunun aksine, hızlandırıcılar tipik olarak bir müon nötrino demetiyle başlarlar. Bu demet oldukça saf olmakla beraber küçük ölçekte elektron nötrinolarından oluşan bir safsızlık içerebilmektedir. Uzak dedektörler hem ortadan kaybolan müon nötrinolarını hem de ortaya çıkan elektron nötrinolarını araştırabilir . Ancak bunu yapabilmesinin bir bedeli var.
Lawrance Berkeleye Ulusal Araştırma Laboratuvarında bir bilim insanı ve Daya Bay’de çalışan bir araştırmacı olan Dan Dwyer, “Sadece Theta13 değil bütün nötrino salınımlarına hassas olması, uzun mesafeli (long-baseline) nötrino salınımının, hem gücü ve hem de olumsuz tarafıdır. “ dedi.

Bunu göz önüne alarak , uyuşmazlığın kaynağına geldik. Amerika bazlı NOVA ve Japonya bazlı T2K gibi hızlandırıcı bazlı deneylerden gelen sonuçlarda , araştırmacıların reaktör tabanlı deneylerin sonucunda öngördüğünden biraz daha fazla elektron nötrinosu olduğu görüldü.

Duke Üniversitesi’nde fizik profesörü ve T2K’da araştırmacı Kate Scholberg, “Size tam anlamıyla ne kadar elektron nötrino elde ettiğinizi söyleyen, Demet deneyleriyle uyuşan Theta13 değeri , her nasılsa Daya Bay, RENO ve Double Chooz ‘da ölçülenden fazla,” diyor. “Bu yüzden ortada küçük bir gerginlik var.”

Birçok Şüphe

Hızlandırıcı deneylerinden gelen verileri reaktör tabanlı deneylerden elde ettiğimiz güçlü sonuçlarla karşılaştırmak için henüz çok erken ve ışın demetlerinin doğasından ötürü karmaşık bir iştir. Henüz kimse bu uyuşmazlığın üstüne atlamıyor ,çünkü bu durum çok farklı şekillerde açıklanabilir. En önemlisi, hızlandırıcı deneyleri bu konuda yeterince bilgiye sahip değil.

“T2K ve NOVA’nın yeterli kalitede istatistikler elde etmesini beklemeliyiz, bu biraz zaman alacak.” diyor Stephen Parke, Fermilab Teorik Fizik Departmanı başkanı. Parke, Scholberg ve Dwyer araştırmacıların somut şeyler söylemeye başlayabilmesi için 5 yıl daha bilgi toplanmasına devam edilmesi gerektiğini söylüyorlar.

“Bir ölçümün kesinliğini (hassassiyetini) elimizden geldiğince arttırmamız için Daya Bay üzerinde epey bir baskı vardı,” diyor Dwyer. “Kesinlikte (hassasiyetteki) sağladığımız her bir artış NOVA ve T2K ve nihayetinde DUNE(önerilen nötrino deneyi) deneylerinin diğer parametrelerin ölçülmesindeki kabiliyetlerinin ileriye taşınmasını sağlayacaktır.”

Nötrinolarda Anlam Bulmak

Eğer hızlandırıcı deneyleri daha fazla veri toplarsa ve ortaya büyük bir uyuşmazlık çıkarsa; bu ne anlama gelir ?

Sonunda anlaşıldı ki Theta13’ü sevmemiz için birçok sebep var. Theta13 evrenimizi tanımlayabilen temel parametrelerden birisidir. Uygulanabilirlik açısından baktığımızda nötrinoları daha iyi anlayabilmemiz için gelecekte yapılabilecek deneyleri tasarlamamızda bize yardım eder. Ve fizikçilere yeni şeyler öğrenmeleri konusunda yardım edebilir.

“Sonuçların uyuşmamasını beklemiyoruz ,fakat sanki uyuşmamasını umut ediyoruz,” diyor André de Gouvêa, Northwestern Üniversitesi’nde fizik profesörü. “Bu bir şeylerin eksik olduğu anlamına gelir.”

Bu şey, Nötrino ve antinötrinoların farklı davranmasının kanıtı olan CP(yük-parite) ihlali olabilirdi. CP ihlali bugüne dek henüz nötrinolarda gözlenmedi ancak eğer araştırmacılar bunu hızlandırıcı deneylerinde gözlemleselerdi, evrenimizin madde-antimadde miktarının eşitliği yerine neden maddenin çoğunluğuyla oluştuğunu açıklamada yardımcı olabilirdi.

Eğer CP İhlali oluştuğunun bulunması bütün farklı nötrino karışım parametrelerinin kesin olarak bulunması ve bunu takiben Japonya’da Hyper-K, Çin’de JUNO, Amerika’da Derin Yeraltı Nötrino Deneyi (DUNE) gibi daha güçlü ve yeni nesil deneyler yapılması anlamına gelir. DUNE tıpkı NOvA gibi salınım deneyleri yapacak, ancak arka plan gürültüsü ile nötrino olayılarını daha iyi ayırabilecek, daha geniş bir nötrino enerji spektrumunu görebilecek ve diğer nötrino karakteristiklerini bulabilecek.

South Dakota’da eski bir bir altın madeninde kurulacak olan ve Illinois’teki Fermilab’tan yola çıkıp dünyanın içinden 1280 km (800 mil) geçerek gelen nötrinoları tespit edebilecek olan DUNE, CP ihlalini görebilmek için en iyi yollardan birisi olacak ve daha küçük nötrino deneylerinden elde edilen deneyimlere dayanacak.

de Gouvêa, “Bu çeşit deneyler geliştirmek çok karmaşıktır,” diyor. Ölçtüğünüzü düşündüğünüz şeyi ölçtüğünüze emin olmak, fizik deneylerindeki en büyük zorluklardan biridir . “Bu ,neden bu kadar çok nötrino salınım deneyine sahip olduğumuzun sebebinin bir parçasıdır.”

En nihayetinde, nötrino bulmacasının birçok parçası hala kayıp. Çeşitli deneyler, bir nötrino fizikçisi olmayı heyecanlı hale getirerek, gitgide bu boşlukları dolduruyor.

Parke “Nötrinonun gizemlerini çözmek zorundayız ve bu kolay değil,” diyor. “Nötrino sırlarından kolayca vazgeçmiyor.”

Kaynak : http://www.symmetrymagazine.org/article/a-measurement-to-watch