Neutrino Keşfi ve Bilinmeyen Evrende Açılan Pencere
Temel parçacıklar arasında en gizemli olanlarından biri olan nötrinolar, neredeyse hiçbir ağırlığa sahip olmalarına rağmen tam olarak ağırlık taşırlar. Elektrik yükü taşımazlar ve diğer parçacıklarla neredeyse hiç etkileşime girmezler. Sabit bir kimlikleri olmadığı gibi sürekli olarak üç farklı “lezzet” arasında salınım yaparlar. Bu satırları okurken bedeninizin içinden akıp geçiyorlar – güneş sürekli olarak muazzam miktarda nötrino üretiyor olsa da, onları algılamak hala zordur ve hala bilmediğimiz birçok şey var.
“Neutrino’lar çok gizemli parçacıklardır,” diyor Damien Dornic, 12 Şubat tarihinde Nature dergisinde yayımlanan yeni bir makalenin ortak yazarlarından biri. Bu makalede, Akdeniz Denizi’nin derinliklerinde konumlanmış bir nötrino dedektörü olan Kilometreküp Nötrino Teleskobu (KM3NeT) tarafından son derece yüksek enerjili bir nötrinonun bozulma ürünlerinin tespit edilmesi anlatılmaktadır. Bilim insanları, nötrinonun yaklaşık 220 peta-elektronvolt (PeV) enerji taşıdığını hesaplamıştır, bu da şimdiye kadar gözlemlenen en yüksek enerjili nötrinodur. (220 PeV, son derece yüksek bir enerjidir: karşılaştırma yapmak gerekirse, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, parçacıkları 13,6 tera-elektronvolt maksimum enerjide çarpıştırır, bu da nötrinonun tahmini enerjisinin sadece %0,006’sıdır; tersine, bu da demektir ki nötrino, 16.000’den fazla LHC çarpışmasının enerjisini taşımıştır.)
Nötrino doğrudan gözlemlenmemiştir; aksine, varlığı, 13 Şubat 2023 tarihinde iki parçacık dedektöründen birinde ışık saçan bir muonun tespit edilmesinden dolayı ima edilmektedir. Bilim insanları, son iki yılı verileri inceleyerek ve muonun trajedisini yeniden oluşturarak harcadılar ve onun madde parçacığı ile ultra yüksek enerjili nötrino arasında gerçekleşen etkileşimden oluşturulduğuna varmışlardır.
Nötrinolar son derece kaçınılmaz olsa da, muonlar hem daha kolay algılanır hem de çok daha iyi anlaşılırlar. Genellikle elektronun daha ağır bir kuzeni olarak tanımlanırlar, çünkü – aktif araştırmanın konusu olan çok ince farklardan başka – tanıdık elektronla neredeyse aynıdırlar. Ancak bir ana fark vardır: bir muonun kütlesi elektrondan yaklaşık 200 kat daha büyüktür.
Bu yüksek kütle, muonların kararsız olmalarını sağlar ve genellikle iki mikrosaniyenin altında var olmalarından sonra daha hafif parçacıklara bozunurlar (bir mikrosaniye bir milyonda bir saniyedir.) Bu kısa ömür muonların algılanmasını zor yapacak gibi görünebilir ancak yüksek enerjili muonlar, görecelik etkileri nedeniyle bizim bakış açımıza göre çok daha uzun süre varmış gibi görünürler. Zaman genişlemesi ve uzunluk kısalması olarak bilinen görelilik etkileri temelde şunu ifade eder: muonun ne kadar hızlı seyahat ettiği, bozunması için geçen sürenin o kadar uzun olması demektir.
Dünyada algılanan muonların çoğu, genellikle protonlar olan yüksek enerjili parçacıkların Dünya’nın üst atmosferindeki parçacıklarla çarpışarak, bu çarpışmaları gerçekleştirdiklerinde egzotik, kısa ömürlü parçacıkların püskürtüldüğü kozmik ışınlar tarafından üretilir. Bu şekilde üretilen muonların bazılarının yüzeye ulaşacak kadar enerjileri vardır.
Ancak 2023 yılında KM3NeT dedektörüne çarpan muon, bu muonlardan biri olamazdı: kozmik ışın muonlarından farklı olarak, neredeyse yatay bir trajedide gelmiştir. Makale, KM3NeT’e bu şekilde ulaşabilmesi için, neredeyse 100 mil suyun altından ve katı kayadan üzerinden seyahat etmiş olması gerektiğini hesaplar – bu, bir kozmik ışın etkileşimi tarafından üretilen muon için mümkün olan bir mesafeden çok daha uzundur. Bu muonu bu kadar uzak bir mesafeyi boyunca bu şekilde iten muazzam enerji, bilim insanlarını onun sıra dışı olduğu konusunda uyarır ve bu da onun kökenlerinin benzer şekilde egzotik olduğunu düşündürür.
Peki bu muon nereden geldi? Bir bu kadar küçük, hayaletimsi bir parçacığa böyle muazzam bir enerji verebilecek şey ne olabilir? “Bu tür nötrinoları üretebilecek olan sadece Evren’in en güçlü kaynaklarıdır,” diyor Dornic. “Aktif galaksi çekirdekleri ve özellikle blazarlar, özellikle ilginç [potansiyel] kaynaklardır. Yıldız patlamalarından gelen gama ışını patlamaları [genellikle] aday olabilir.”
