Yağmur damlasının izlediği yol nedir?
Nötrinolar
Vücudumuz, çevremizde görmekte olduğumuz her şey, binalar, hatta dünyamız ve diğer gezegenler sadece elektronlar, protonlar ve nötronlardan oluşmaktadır. Bir atomun çekirdeğinde protonlar ve nötronlar yer alır, elektronlar da bu çekirdeğin etrafındaki yörüngelerde bulunur (bunlar klasik fizikten bildiğimiz yörüngeler tam değil ama yine de bu terimi kullanmaktayız). Peki bu gözlemimizden yola çıkarak tüm evrenin de bunlardan ibaret olduğu söyleyebilir miyiz? Hayır hiç değil! Bu üç parçacık sayıca çok azdırlar. Örneğin her birisine karşılık evrende ortalama bir milyar nötrino var. Büyük patlamadan kalan nötrinoların evrenimizdeki ortalama yoğunluğu santimetreküp başına yaklaşık 336 adet. Arkalan mikrodalga fon ışımasını oluşturan ve evrenin şimdiki 2,7 Kelvin sıcaklığına karşı gelen fotonların sayısı ise bundan biraz daha fazla. Nötrinolar maddeyle çok zayıf etkileşen parçacıklar. Neredeyse etkileşmiyorlar diyebilirsiniz. Bir nötrinonun suda alacağı serbest yol (hiçbir su molekülüyle etkileşmeden kat edeceği doğrusal mesafe) yaklaşık 1600 ışık yılı kadar. Güneşten kaynaklanan nötrino akısı nedeniyle hepimizin vücudundan saniyede yüz milyar civarında nötrino geçmekte; hiç etkileşmeden vücudumuzu ışık hızıyla delip geçmekteler. Nötrinolar sayıca çoklar ama adeta “hayaletimsi” parçacıklar; ama hemen vurgulayalım ki fiziksel özellikleriyle çok iyi bilinen nötrinolar elemanter parçacık fiziğinin standart modeli olarak anılan harika anlatımda da zaten vazgeçilmez yer tutmaktalar. Parçacık hızlandırıcıları ve diğer laboratuarlarda gözleneli çok yıllar oldu (tek bir nötrino değil de aslında üç tür nötrino var: elektron, müon ve tau tipi nötrinolar ve bunların anti-parçacıklarını da hesaba katmalıyız); bu zor işi başaranlar çok haklı olarak Nobel ödüllerini kazandılar.
Nötrinoların varlığının farkına varılması da tarihsel açıdan epey ilginçtir. Radyoaktif çekirdeklerin beta ışıması sırasında açığa çıkan elektronların enerjisini dikkatlice ölçen fizikçiler, elektronların kinetik enerjilerinin kesikli bir spektruma değil de beklentilerinin tam tersine olarak sürekli bir spektruma sahip olduğunu hayretle gördüler ve enerji ve momentumun korunumu konusunda ciddi sıkıntı yaşadılar. Fiziğin bu büyük korunum yasalarından çekirdek altı dünyada vazgeçmeyi düşünenler bile çıktı ancak 1930 yılında ünlü Wolfgang Pauli ‘nin çözüm önerisi gerçekten müthişti. Herhalde diyordu, detektörler de algılayamadığımız, yüksüz, neredeyse kütlesiz ve maddeyle etkileşmesi aşırı zayıf olan bir ikinci parçacık olmalıydı. Pauli’nin, makalesini hemen yazmakta tereddüt ettiği bu çarpıcı nötrino hipotezi deneysel sonuçları açıklamak için birebirdi ancak bu parçacık nasıl gözlenecekti? Tam yirmi altı yıl sonra sabırlı çalışmalar sonuç verdi ve 1956 yılında ABD’li fizikçiler F. Reines ve C. Cowan dedekte edilmeleri neredeyse olanaksız olan nötrino adlı bu parçacığı (bu adlandırma E.Fermi’ye ait, küçük yüksüz parçacık anlamında) detekte etmeyi başardılar (tam kırk yıl sonra 1996 yılında F.Reines Nobel ödülünü kazandı, çalışma arkadaşı ise maalesef o yıllarda hayatta değildi). Bu gözlenen elektron nötrinosuydu (leptonik korunum yasası nedeniyle daha doğru bir şekilde elektron antinötrinosu olarak adlandırılmakta; ancak nötrinoların kendi antiparçacıklarıyla özdeş olmaları da mümkün, hatta asıl beklenti o yönde), daha sonra 1962 yılında müon nötrinosu (L.Lederman, M.Schwarz ve J.Steinberger) ve 2000 yılında da tau nötrinosu (Fermilab DONUT deneyinde) gözlendi ve böylece standart modelin öngördüğü tablo tamamlandı (Lederman ve grubu da 1988 yılı fizik Nobel ödülünü aldılar).
Nötrinolar sadece zayıf nükleer etkileşmelerde ortaya çıkan parçacıklar; etkileşmeleri, fiziksel özellikleri, simetriler altındaki davranışları mükemmel biliniyor. Nötrinoların içsel açısal momentumları (yani spinleri) elektronunki gibi: alışılmış birimler cinsinden ½. Kuantum mekaniğine göre bu tür parçacıkların spin yönelimleri çizgisel momentuma paralel ya da anti-paralel olabiliyor. Elektron için bu tamamen böyle. Ancak nötrinoların spinleri momentuma hep zıt yönde, antinötrinoların spinleri ise momentumla aynı yönde. Doğada sadece sol-elli nötrinoları ve sağ-elli antinötrinoları gözleyebiliyoruz. Bu ise zayıf etkileşmelerin neden parite simetrisini (ayna simetrisini) maksimal kırdığını hemen açıklamakta; zira sol-elli nötrinonun ayna simetrisi olan sağ-elli nötrino doğada yok. Ayrıca doğada sağ-elli nötrino alanı bulunmadığından nötrinoların kütlesini fiziksel açıdan açıklamak çok zorca. Bu nedenle standart modelin parçacık tablosunda nötrinolar kütlesiz fermiyonlar (spinleri ½ olan parçacıklar) olarak gözükmekte. Özetle nötrinolar elektrozayıf etkileşmelerin kalbinde yer alan parçacıklar. Nötrinosuz bir evren düşünmek olanaksız. Şöyle ki nötrinolar olmasaydı güneşimiz dahil olmak üzere yıldızlar parıldayamacaklardı, zira nükleer füzyon mümkün olamayacaktı. Dolayısıyla hidrojen atomundan daha kompleks atomların hiçbirisi sentezlenemeyecekti. Ne karbon atomu, ne oksijen ne de su olmayacaktı. Doğal olarak ne dünya ne de bizler var olmayacaktık. Tüm ağır elementler süpernova patlamaları sonucu sentezlenmekte. O halde nötrinosuz bir evrende süpernova patlamaları da olmayacağından ağır elementler de (örneğin damarlarımızda dolaşan kanda mevcut olan hemoglobindeki demir elementi) söz konusu olamayacaktı.
Nötrino osilasyonları
Nötrino fiziği son otuz yıldır büyük bir gelişim kat etti. Nötrinoların elemanter parçacık fiziğinin standart modelindeki yerleri eskiden de çok önemliydi ama artık bir anlamda sahnenin arkasında değil de önündeler, oynadıkları rollerinin daha önemli olabileceği düşünülüyor. Özellikle deneysel alanda elde edilen bulgular standart modelin çizdiği evren tablosunu genişletmemiz gerektiğine dair ilk ipuçlarını içeriyor. Şöyle ki:
Güneşin bizleri nasıl aydınlattığı ve ısıttığı konusu fizikçilerin cevabını gayet iyi verebildikleri bir soru. Güneşte gerçekleşen her bir füzyon tepkimesi sonucunda dört adet hidrojen atomu bir helyuma dönüşmekte ve bu arada iki tane elektron nötrinosu ve 26 MeV’lik de enerji açığa çıkmakta. Dünyaya düşen enerji akısı hassas bir şekilde ölçülebildiğinden bundan yola çıkarak dünyada yerleştirilen nötrino dedektörlerine güneşten gelen nötrino akısı (ve enerji spektrumu) bulunabilmekte. Güneşten dünyaya ulaşan nötrino akısı bir saniyede bir metrekare başına 650 x milyon x milyon kadar! Bu muazzam nötrino akısını dedekte etmeye kendisini adayan Amerikalı fizikçi, R.Davis (2002 yılında Nobel ödülünü aldı, oysa pek çok kişi başlarda onun çabalarını zaman kaybı olarak görüyordu), beklenin üçte biri kadar bir nötrino akısını gözlemledi. Uzun yıllara dayanan bu deneysel gözlem başka laboratuarlar tarafından da doğrulandı. Güneşten gelen nötrinoların akısındaki bu anomalinin (tuhaflığın) daha sonra atmosferik kaynaklı nötrinolar için de geçerli olduğu görüldü. Dünya atmosferine giren kozmik parçacıkların yol açtığı zincirleme tepkimeler sonucunda ortalama olarak her elektron nötrinosuna karşılık iki adet müonik nötrinonun yaratıldığı bilinmekte. Yeryüzündeki dedektörler ise elektronik ve müonik nötrinoların sayıları arasındaki bu ikiye bir oranından yüzde kırk civarında düşük bir oran saptamaktalar; yerküre çapının öteki uzak ucundan girip çap boyunca uzunca bir mesafe katederek çapın diğer ucundaki dedektöre ulaşan nötrinolar içinde müonik tiplilerin sayısı azalıyor! Ancak bu azalmanın, diğer yönde giriş yapan nötrinolar için (atmosfere hemen tepe yönünde girenler) geçerli olmadığı gözlenmekte; bu gözlem ise biraz sonra değineceğimiz üzere nötrino salınımı yorumunun yapılabilmesi için çok önemli bir ipucu Uzun yıllar süren hassas ölçümler sonunda bu anomali de iyice açıklık kazandı. İşte bu iki anomali artık nötrino osilasyonları cinsinden tamamen anlaşılmış bulunmakta.
