Ana sayfa Astronomi Evrenle söyleşiler 11: Bir nötrinoyla söyleşi

Evrenle söyleşiler 11: Bir nötrinoyla söyleşi

458
PAYLAŞ

Richard T. Hammond

Çeviren: Nalân Mahsereci

Nötrino öncelikle keşfedilmesiyle ilgili heyecan verici deneyimlerini paylaşıyor. Enerji ve madde hakkında bir tartışma başlattıktan sonra, onu bulabilmenin neden 100.000 galon temizleme sıvısına mal olduğunu açıklıyor. Nötrino aynı zamanda, Güneş etkisiyle oluşan nötrino yapbozunun açıklamasını da yapıyor; bunun fizik ve astronomide çözülmemiş gizemlerin başında geldiğini de belirtmeyi ihmal etmiyor.

 – Tanıştığımıza memnun oldum. Kendinizi kısaca tanıtarak başlayabilir misiniz?..

 – Öncelikle, beni bu söyleşiye davet ettiğiniz için teşekkür etmeme izin verin. Yaptığınız söyleşilerle ilgili söylentileri duyduğum zaman, benimle de temas kurmaya çalışacağınıza dair umutlanmaya başlamıştım.

Burada olduğunuz için neden bu kadar mutlu olduğunuzu sorabilir miyim?

 – Tabii ki… Doğa beni uzun süredir çok iyi saklıyordu; bir süredir unutulmaya, var olan, ama asla görülemeyecek bir şey olarak kalmaya mahkûm olduğumu düşünüyordum. Bu inanın ki Cassandra’nınkinden bile kötü bir kader. Neyse ki, büyük bir fizikçiniz, yaptığı deneylerden benim varlığımı çıkarsayabildi. Sonra çok zaman harcadınız; yaklaşık 20 yıl sonra beni sinekten yağ çıkarır gibi buldunuz.

Bu fizikçi Wolfgang Pauli miydi?

 – Evet, başka şeylerin yanında, 1930’ların başında nötron bozunması üzerinde de çalıştı.

Nötron bozunması?

 – Evet, radyoaktivitenin bir biçimidir. Nötron bozunması üzerinde çalışırken, nötronun proton ve elektrona bozunduğunu gözlemledi. Uranyum atomu size yarılanma ömrünü anlatmıştı, serbest nötronun yarılanma ömrü yaklaşık 15 dakikadır.

Resimde kendinize en uygun yeri nasıl buldunuz?

 – Bu deneylerde bir sorun vardı, sizin en önemli ilkelerinizden biri olan enerjinin korunumu ilkesini ihlal ediyorlardı.

Enerjinin korunumu derken ne demek istediniz?

 – Bu durumda bir nötrondan yola çıkarsınız. Nötronun bozunumdan önceki toplam enerjisi, bütün parçacıkların bozunumdan sonraki toplam enerjisine eşitti.

Evet, anlıyorum.

 – E=mc2’yi unutmayın, dolayısıyla, enerji ile kütlenin her ikisini birden hesaba katmalıydınız.

Burada bir parantez açmanızın sizin için sakıncası olur mu? Belki, söz ettiğiniz ünlü eşitlik E=mc2 hakkında konuşmak istersiniz?

 – Elbette. Enerji joule ile ölçülür. Örneğin, kullandığınız 100 wattlık ışığı olan ampul, her saniyede 100 joule harcar. Bir kilogramı bir metre yukarı kaldırırken yaklaşık 98 joule’lük enerji harcarsınız.

Dinliyorum.

 – Karşılaştırma yoluyla, Güneş’in yaydığı enerji her saniyede yaklaşık 4 x 1026 joule’dür, sizin ampulünüzün yaydığı ışığın 4 milyon kere milyon kere milyon kere milyon katı.

Evet.

 – Işığın hızı da saniyede 3 x 108 m’dir.

Çok hızlı.

 – Sizin standartlarınıza göre, evet. Şimdi denklemi kullanabiliriz. Atom bombasından ve nükleer tepkimelerden maddenin enerjiye dönüştüğünü biliyorsunuz.

Evet, bunlar tamam.

 – Pekâlâ, dönüşüm E=mc2’dir. Örneğin, bir kilogram maddeyi ışık enerjisine dönüştürmek isterseniz, 9×1016 joule’lük bir enerji elde edersiniz.

E=mc2’yi kullanarak bu çarpım sonucuna mı ulaştınız?

 – Elbette, siz de deneyebilirsiniz.

Evet, aynı sonuca ulaştım.

 – Böylesi bir enerjiyi ancak ampulünüzü hiç kapatmadan 30 milyon yıl boyunca yakarak tüketebilirsiniz.

Bu kısa fizik dersi için teşekkür ederim. Enerjinin korunumundan söz ediyordunuz…

 – Proton + elektronun toplam enerjisinin, nötronun orijinal enerjisinden daha az olması bir sorundu. Tabii ki, E=mc2’yi biliyorlardı, denklem hesaba katıldığında gizem ortaya çıkıyordu.

Enerji nereye gitmişti?

 – Bazı fizikçiler, enerjinin korunumunu araştırmaya giriştiler. Doğru olmayabileceğine yönelik  spekülasyonlar üretmeye başladılar. Enerjinin toplam miktarı çok küçüktü.

Ne kadar küçük?

 – Bir joule’ün 10 trilyonda biri kadar.

Bayağı küçükmüş…

 – Tek bir yağmur tanesi, fırtınada hiçbir şey değildir; ama sonuçta ortaya çıkan sel yıkıcı olur.

Eğer enerji korunuyorsa, bu kayıp enerjiyi nasıl açıklamalı?

 – Pauli kayıp enerjiyi taşıyan başka bir parçacığın olması gerektiği sonucuna ulaştı. Ancak bu kuşkuyla karşılandı, çünkü bakılmasına rağmen başka bir parçacık gözlenmemişti.

Pauli bunu nasıl hesapladı?

 – Saptanmamış olduğum için ancak çok güçlü dedektörlerle gözlemlenebileceğim sonucuna ulaştı. Daha teknik bir dille söylersek, maddeyle etkileşimim çok zayıftır.

Zayıf kelimesi, siz ve diğer parçacıklar arasındaki kuvvetin zayıf olduğu olgusuna mı gönderme yapıyor, ya da bu olgu… Notlarımı gözden geçirmeme izin verin; evet, tamam, yoksa zayıf çekirdek kuvvetiyle etkileştiğiniz anlamına mı geliyor?

 – Her ikisi de doğru. Söyleşi yaptığınız nötralino gibi, ben de zayıf etkileşimli bir parçacığım. Bu vesileyle, nötralino ile konuşmanız çok hoşuma gitti, özellikle de simetri üzerine tartışmanız. İyi iş çıkarmışsınız.

Teşekkürler. Kendinizi zayıf etkileşimli parçacık olarak tanımladığınızı fark ettim, ama nötralino zayıf etkileşimli büyük kütleli parçacıktı. Bunun nedeni, nötralinonun büyük kütleli olması, sizin de olmamanız mı?

 – Pauli benim kütlesiz olduğumu varsaymıştı.

Bu nasıl olabilir? Enerjiniz var, ama kütleniz yok!

 – Bir parçacık kütlesi olmadan da enerjiye ve tabii momentuma da sahip olabilir. Burada tek bir koşul var; eğer parçacıkların sıfır kütlesi varsa, ışık hızında hareket etmeleri gerekir. Fotonlar kütlesizdir, bunun gibi başka parçacıklar da vardır.

Bir dakika bekleyin, E=mc2’ye ne oldu; söz ettiğiniz koşula göre eğer kütle sıfırsa, enerji neden sıfır olmuyor?

 – O formül, p’nin momentumu gösterdiği, E2= m2c4 +p2c2 şeklindeki daha genel bir formülün özel bir durumudur. Böylelikle eğer kütle sıfıra eşit olursa, parçacıkların hem enerjisi hem de momentumu olabilir. Her ikisi de ölçülebilir.

Pekâlâ, size inanacağım. Yani siz, foton gibi kütlesiz bir parçacıksınız…

 – Ne yazık ki bunun tamamına katılamayacağım.

Öyleyse kütleniz var.

 – Bunun da tamamına katılamayacağım.

Fazla ketum davranıyorsunuz.

 – Özür dilerim, bu söyleşiyi yapmadan önce, bir SNOB olduğumu kabullenmeliydim. Bu daha çok konuşmamı yasaklıyor.

Bir SNOB mu?

 – Doğal Nesneler Derneği (The Society for Natural Objects, SNOB). Bizden gerçekten bilgi elde edeceğiniz söylentileri yayıldığında, anlatacaklarımızı sınırlamak konusunda hepimiz anlaşmıştık.  Nötralino bunu üstü kapalı söylemişti.

 – Eğer kütleniz olsa, bunu bana söylemeyeceksiniz yani?

 – Bunu size söyleyeceğim. Eğer kütlem varsa, herhangi bir başka parçacıktan daha küçüktür ve elektronun kütlesinin yalnızca birkaç milyonda biri kadar hatta daha azı olacaktır. Beni bir kenara bıraktığınızda, en küçük kütleli parçacık elektron olacaktır.

Teşekkürler. Çok sayıda nötrino olduğunu anladım.

 – Evet, her yıldız her gün çok sayıda nötrino yaratır. Aslında her saniye Güneş’inizin yarattığı nötrinoların bir trilyonu içinizden geçer.

Bu bilgiler rahatlatıcı değil.

– Eğer başka bir tür parçacık olsaydı, rahatsızlık hissedebileceğiniz kadar uzun süre boyunca buralarda olamazdınız.

Haklı olduğunuza eminim, ama bence yalnızca gündüzleri bombalandığımı bilmek daha rahat uyumamı sağlayacaktı.

 – Özür dilerim ama, geceleri de gündüz olduğu kadar çok bombalanırsınız.

Ama biraz önce nötrinoların Güneş’ten geldiğini söylemiştiniz.

 – Evet ve geceleri tıpkı bir asteroitin uzayı yararak ilerlemesi gibi Dünya’nın içinden geçerler.

Eğer her şeyin içinden bu kadar kolaylıkla geçebiliyorsanız, sizi nasıl ölçeceğiz?

 – Temizleme sıvısıyla.

Temizleme sıvısıyla. Şimdiden sonra duyduğum hiçbir şey benim için sürpriz olmayacak, ama altın ya da kurşun demenizi bekliyorum, hatta su.

 – Oh evet, suyu, galyum gibi şeyleri ve hatta sıvı helyumu da kullanabilirsiniz.

Sıvı helyum, bu daha da hoş. Bu temizleme sıvısı konusu bana biraz garip geldi.

 – Haydi bunun nasıl çalıştığını açıklayayım. Şunu aklınızdan çıkarmayın, nötrino, nötronun proton ve elektrona bozunumu sırasında oluşuyordu. Pekâlâ, doğada sıklıkla, erkek kaz için kullandığımız sosla, dişi kazı da terbiye ederiz.

Bu ne demek?

 – Bir nötrinonun bir nötrona çarpıp proton ve elektron oluşturması demek. Aynı fizik, aynı etkileşim. Tahtanızı kullanabilir miyim?

Tabii ki…

 – Son kez teknik açıklama yaptığımda, gözleriniz kapanır gibi oldu ve saatinize baktınız.

Hayır, gerçekten ilgimi çekiyor, devam edin.

 – Teşekkürler. Nötronu temsil eden n, protonu temsil eden p, elektronu temsil eden e ve nötrinoyu temsil eden v’yi alalım, anlaştık mı?

Şimdiye kadar, evet.

 – Nötron bozunumu şöyle yazılır: nàp + e + v.

Sizi takip ediyorum, peki ama serbest kalan enerjiye ne oldu?

 – Çok dikkatlisiniz. Ben sadece bozunum sürecinde yer alan parçacıkları kaydediyorum.  Eklemem gereken başka bir teknik nokta, beta bozunumunda nötrinolar gerçekten anti-nötrino olur, fakat bunun ayrıntısına girmemeyi tercih ederim, girersek çıkamayız.

Tamam.

 – Sırası gelmişken, biz aynı zamanda bu tepkimeye beta bozunumu deriz. Aslında doğada, az sayıda tek yönlü yol bulunur. Bu noktadaki durum, beta bozunumunun tersidir; bu, bir nötrino bir nötrona çarpar ve ondan proton ve elektron yapar demenin gösterişli bir yoludur. Tekrar tahtaya gidersem, tepkime şöyledir; v + nàp + e.

Akla uygun geliyor, ama ben hâlâ temizleme sıvısını merak ediyorum.

– Merak ettiğinizi biliyorum. Sorun, tahtaya yazdığım son tepkimenin gerçekleşmesinin olanaksızlığından kaynaklanıyor. Bir başka deyişle, tek bir tepkimenin oluşması için bile, çok büyük miktarlarda nötrinonun çok sayıdaki nötronun içinden geçmesi gerekir.

Yani çok sayıda nötrona ihtiyacınız var.

 – Evet. Tepkimenin gerçekleşme olasılığı, klor atomlarının içinde biraz daha yüksektir. Nötrino klor çekirdeğine dalabilir, nötronların birine vurabilir ve onu protona dönüştürebilir. Elektronlar kendi işlerini yapar, fakat klorun proton sayısı 17’den 18’e çıkmıştır.

O zaman artık klor olmaktan çıkar.

 – Doğru, gaz halinde argona dönüşür.

Ve temizleme sıvısında klor bulunur!

 – Evet, tetrakloretilen. Ray Davis ve grubu, Güney Dakota Eyaleti’ne bağlı Homestake’de bir madenin derinliklerine yaklaşık 400.000 litre tetrakloretilen yerleştirdi.

Neden bir madenin derinliklerine yerleştirdiler?

 – Tetrakloretilenin içine yalnızca nötrinoların girdiğinden emin olmaları gerekiyordu. Bildiğiniz gibi diğer parçacıklar, kozmik ışınlardan güneş rüzgârlarına her tür tepkimeyi tetikleyebilirler. Madenin derinliklerinde, Dünya diğer parçacıklar için bir kalkan işlevi görür. Elbette, nötrinolarsa onun içini görür.

Böylelikle, biz de argonları mı saptarız?

 – Evet.

Ne kadar?

 – Ayda birkaç atom.

Ayda birkaç atom mu! Bu ne kadar da küçük bir sayı, korkunç!

 – Pekâlâ, orada 20 yılın üzerinde kaldılar ve düzenli bir akış yolu buldular, bizim deyişimizle damla damla biriktiler.

Böylelikle deney başarılı oldu.

 – Evet ve hayır.

Her şey giderek zorlaşıyor. Yanıtınızın “evet” kısmı, argonun başarıyla saptanması, peki “hayır” kısmı ne?

 – Yüzleştiğiniz en büyük gizemlerden birine yol açtı.

Bir dakika bekleyin, galaksi büyük gizemlerden biri olarak, dönüş eğrilerinin düzlüğünü ya da karanlık maddenin doğasını açıklamıştı…

– Gizemler iyidir.

Belki de, ama gizemler giderek artıyor gibi görünüyor. Sizin kütlenizle ilgili sorunun yanında, nötrinolarla ilgili gizem nedir?

 – Problem, Davis ve grubunun ölçümündeydi; ortalama günde bir nötrinodan fazlasını yakalayamıyorlardı. Bununla birlikte, teori, 400.000 litre temizleme sıvısı için, günde yaklaşık iki tane olması gerektiğini öngörüyordu. Buna, güneş nötrino problemi dendi. Oldukça can sıkıcıydı.

Başka bir maddeden yapılma nötrino dedektörleri de kullanıldı, değil mi?

 – Evet. Davis’in aradığı nötrinolar yüksek enerjili güneş nötrinolarıydı. Güneş’in çekirdeğinde, çok miktarda tepkime meydana gelir. Hidrojen füzyon tepkimesiyle helyuma dönüşür ve bu arada gözlediğimiz enerjinin büyük bölümü ortaya çıkar. Fakat Güneş’in çekirdeğinde başka tepkimeler de olur. Bu gerçekten eğlenceli bir yerdir. Küçük bir sürpriz hediye, bor atomlarının üretilmesidir. Bununla birlikte, bunların çok az nötronu olur ve olasılıkla bozunarak berilyuma dönüşürler. Bu bozunum da temizleme sıvılarında yakalanacak olan nötrinoları üretir.

Bunlardan daha az enerjisi olan nötrinolar var mı dediniz?

 – Evet, hidrojen füzyona maruz kalarak helyuma dönüşürken, biz de oluşuruz. Bu nötrinoların daha düşük enerjisi vardır, diğer maddelerle daha iyi yakalanır. Örneğin, Roma’daki galyum deneyiniz var, kısaca GALLEX (GALLium EXperiments); bu deneyde nötrinonun galyumun germanyuma değişimini uyardığı gözlenmiştir, bu tam da klorun argona dönüşmesine benzer. Temel fark, germanyumun daha düşük enerjili nötrinolara duyarlı olmasıdır. Dünyada sürdürülen, bir elin parmakları kadar güzel deney vardır.

Nötrino miktarı doğru olarak ölçülebildi mi?

 – Öngörülen miktarın yarısı ya da biraz daha azı ölçüldü.

Yani bütün deneylerde, teoride öngörülen nötrino sayısının yalnızca yarısı mı ölçülebildi?

 – Oldukça muammalı, değil mi?

Muamma muammayı doğuruyor. Problemin doğru çözümünü bana anlatmak için istekli olduğunuzu varsayamıyorum.

 – Siz olsanız, en büyük gizemlerinizden birini yok eder misiniz? Ben sadece sizin fikirlerinizin bir kısmından söz edebilirim.

Söz ederseniz memnun olurum.

 – Birisi şudur: Güneş’in merkezinde sürüp gitmekte olanlara ilişkin kesin olduğunu düşündüğünüz teoriniz yanlıştır. Özellikle, güncel teorinin öngördüğünün yalnızca yarısı kadar nötrinonun gerçeklikte üretildiğini formüle eden bir teoriniz var.

 – Bu fikrin çok da ateşli bir taraftarı olmadığınız anlaşılıyor.

 – Ben meselenin bir tarafı değilim, ama standart Güneş modelinizin yanlış olduğuna inanacak insan azdır.

O zaman çözüm nedir?

 – Öncelikle, konuştuğumuz bütün karmaşık etkileşimlerin hepsini gerçekten dört parçacığın -nötron, proton, elektron ve nötrino- oluşturduğunun ayırdına varın. Hem nötronlar hem de protonlar, iki tür kuarktan yapılmıştır: yukarı kuark ve aşağı kuark. Böylelikle her şeyin en temelde yukarı kuarklar ve aşağı kuarklar, elektronlar ve nötrinolardan oluştuğunu söyleyebilirsiniz.

Parçacıkların fermiyon ve bozonlara değişimi tartışması üzerinde durmadık…

 – Doğru.

Yani, gördüğüm her şey, kendim, kanepe, yıldızlar, bu dört parçacıktan mı oluşur?

 – Evet.

Peki, parçacıkların değişimi bir yana, bütün Evren, kuarklar, eletronlar ve nötrinolardan mı oluşur?

 – Aslında, doğanın o kadar da basit olmadığını söylemeliyim.

Bunu söylemenizden korkuyordum.

 – Parçacık ailesini düşünmek iyidir. Özellikle bütün Evren’i oluşturan, üzerinde tartışmaların sürdüğü dördü, ilk aileyi oluşturur. Hayır, bu çok politik oldu, bir aile diyelim.

Başka aileler de var mı?

 – Evet. Tılsımlı kuarklar var, acayip kuarklar var, ağır elektron gibi olan muonlar ve diğer nötrinolar var. Nötrino konusuna bir açıklık getirmek için söyleyeyim, şimdiye kadar üzerinde konuştuklarımız elektron nötrinolarıydı; şimdi değindiğimse diğer bir nötrino olan muon nötrinosudur. Bu dört parçacık başka bir aileyi oluşturur.

Kaç tane aile var?

 – Üç tane, üçüncüsü alt ve üst kuarklardan yapılmıştır. Daha ağır bir elektron gibi olan tao parçacağı ve tao nötrinolarıdır. Hepsi bu mu?

Diğer parçacıkları neden göremiyoruz?

 – Bozunuyorlar. Örneğin, muon bir elektrona ve bir çift hayalet gibi muon nötrinosuna bozunuyor. Muan nötrinolarının elektron nötrinolarından farklı olduğunu anlamak önemlidir, gücenmeyin ama belki adlandırmalarda birazcık daha yaratıcı olabilirdiniz. Her neyse, muon ya da tao nötrinosu, elektron nötrinosu gibi etkileşime açık değildir.

Bu noktada size bir kez daha inanacağım, fakat güneş nötrino problemi nasıl açıklanabilir?

 – Belki başa geçmeye aday olan teorilerinizden birine göre, elektron nötrinoları, Güneş’in çekirdeğinden çıktığı yolculuk sırasında, kuvvetlerce kontrol dışına çıkmaya zorlanır, ya muon ya da tao nötrinosundan birine dönüşür. Böylelikle, dünyadaki dedektörlere ulaştığında, hiç fark edilmeden yolculuğuna devam edebilir. Dünyada elektron nötrinolarının, muon ya da tao nötrinolarına değişiminin ölçümlerini yapmaya gayret ediyorsunuz. Şimdiye kadar şansınız yaver gitmedi.

Evet, bunun hakkında bir şeyler duymuştum. Sizin tanımladığınız kimlikteki değişimi, nötrino salınımı olarak mı adlandırıyoruz?

 – Evet, çünkü, teorilerinize göre, nötrinolar bir aile türünden diğerine değişebilir ya da salınabilir. Bu arada, size söylemeyi unuttuğum bir şey var.

Buyrun…

 – Teorilerinize göre, nötrino salınımları yalnızca kütlemiz varsa gerçekleşebilir.

Aha, yani kütleniz var…

 – Bunu söylemedim, hatırlayın, nötrino salınımı yalnızca bir teori.

Pekâlâ, aklıma takılan başka bir şey var.

 – Buyrun dinliyorum.

Söylediğiniz gibi, nötrino salınımını bir yana bırakırsak, kütlesiz olduğunuzu varsayabiliriz.

 – Evet.

Aynı zamanda, Evren’de gördüğümüz maddeden daha çok madde olduğuna inanmak için, çürütülemez kanıtların olduğu anlatılmıştı bana.

 – Evet.

Belki her iki problemin birden yanıtını bulursunuz. Eğer kütleliyseniz ailenizi değiştirebilirsiniz, Güneş nötrino problemini çözersiniz ve görünmeyen kütleyi hesaplayabilirsiniz.

 – Belki, ama deneylerinizle kütlemin üst sınırını koydunuz; bazı teorik çalışmalara göre, izin verdiğim kütle, kifayetsiz kalacaktır, ama belki yardımı dokunabilir.

Bundan daha fazla ayrıntı vermeyeceksiniz sanıyorum.

 – Kusura bakmayın.

Peki, bu aydınlatıcı söyleşi için çok teşekkür ederim.

 – Benim için zevkti.