Hayalet parçacık evrenin sırlarını saklıyor

Nötrino, hayalet parçacığın adı. Yakalaması zor, yakalaması zor olduğu için ölçmesi de zor. Daha fenası, nötrinonun yolda kılık değiştirmesi, üç farklı versiyon arasında gidip gelmesi. Siz bu cümleyi okuyana kadar vücudunuzdan milyarlarca nötrino geçti gitti bile. Dünyada büyük bir nötrino bombardımanı altında yaşıyoruz; güneşimiz devasa bir nötrino fabrikası gibi çalışıyor.

HİKMET CAN PERTAN

Amerikalı yazar Paul Auster’in filmi de çekilen meşhur romanı ‘SmokeDuman’da şöyle bir kısa sahne vardır.

New York Brooklyn’deki mahallenin bir nevi sosyal merkezi işlevini gören tütüncü dükkanında, dükkan sahibi ile müşterilerden biri, puronun dumanının ağırlığını nasıl hesaplayacakları konusunda iddialaşırlar.

Müşteri, “Önce” der, “”hassas bir terazide puroyu tartacağız. Sonra puroyu içeceğim, küllerini biriktireceğim. Tamamını içtikten sonra geri kalan külleri yeniden tartacağız. Aradaki fark dumanın ağırlığı olacak.”

Evet, ölçüm aletleriniz yeterince hassassa gerçekten de sigaranın dumanının ağırlığını bu yolla ölçebilirsiniz.

Tabii, “Dumanın ağırlığını öğrenip de ne yapacaksınız?” diye soranlar olacaktır. Haklılar mı haksızlar mı, bilemeyeceğim.

Ama bazen sigaranın dumanı gibi ağırlığını ölçmesi zor olan şeylerin, ağırlığını doğru biçimde ölçmek son derece büyük öneme sahip olabilir. Mesela nötrinoların ağırlığını ölçmek…

Hepimiz okulda atomun çekirdeğinin proton ve nötrondan oluştuğunu, elektronun ise bu çekirdeğin etrafında döndüğünü öğrendik.

Nötrinonun keşfi

Bu söylenen hem doğru hem değil. Çünkü proton ve nötronlar temel parçacıklar değil. Onlar başka atom altı parçacıkların, kuark ve leptonların birleşimiyle ortaya çıkan şeyler.

İşte nötrinolar o lepton ailesinin bir parçası.

Atomu oluşturan temel parçacıklar arasında nötrino diye bir şeyin de olması gerektiği 1930’larda teorik olarak tahmin edilmişti. Deneysel olarak kanıtlanması için 1956 yılına kadar beklemek gerekti.

Ama nötrinonun macerası orada da bitmedi. 2015’te Japonya’dan Takaaki Kajita ve Kanada’dan Arthur B. McDonald, on yıl kadar önce nötrinoların kütlesinin de olduğunu buldukları ve üstelik nötrinonun bir tane değil üç ayrı kılıkta olduğunu keşfettikleri için Nobel Fizik Ödülü’nü kazandılar.

İki fizikçi nötrinonun kütlesini ölçtüklerini düşünüyordu ama aslında ölçümleri kesin olmaktan çok uzaktı, temelde onların bulduğu şey nötrinonun bir kütlesinin olduğuydu sadece.

Tabii bu da çok önemli; çünkü daha önce nötrinoların kütlesiz olduğu düşünülüyordu.

McDonald ve Kajita’nın keşfinden beri biliyoruz ki nötrinolar üç ayrı biçime ayrılıyor: Elektron nötrino, muon nötrino ve tau nötrino.

Hikaye burada bitse yine iyi, artık biliyoruz ki nötrino mesela elektron olarak yola çıkıp zaman içinde tau veya muon nötrinoya dönüşebiliyor.

Yani, sigaranın dumanından daha da hayalet bir şey var karşımızda, hem sürekli kılık değiştiriyor hem de her kılık için farklı bir kütleye sahip oluyor.

Yüz milyarlarcası geldi geçti bile

Eğer bu yazıyı buraya kadar okuduysanız, ilk cümleye başlamanızdan bu cümleye ulaşmanıza kadar geçen zamanda vücudunuzun içinden yüz milyarlarca nötrino geldi geçti bile. Nerede olduğunuzun ve o an ne yaptığınızın hiçbir önemi yok; nötrinolar o kadar küçük ki, hiç bir engele takılmadan içinizden gelip geçtiler, sizden sonra dünyanın kabuğundan içeri girdiler, dünyayı da boydan boya kat edip öteki taraftan yeniden uzaya çıktılar bile.

Evrende zaten çok miktarda nötrino bulunuyor; güneşimiz de ayrıca bir nötrino jeneratörü gibi çalışıyor. O yüzden biz de dünyada ciddi bir nötrino sağanağı altında yaşıyoruz. Bu yetmiyormuş gibi bir de nükleer reaktörlerimizde sürekli deli gibi miktarlarda nötrino üretiyoruz.

Peki nötrinonun ağırlığını bilmek neden önemli?

Hepimiz evren üzerindeki varlığımızı kütle sahibi olmaya borçluyuz. Bizim açımızdan bakıldığında, kütle olduğu için evren var.

Atomun nasıl olup da bir araya geldiğini izaha çalışan ve aslında bugüne kadar son derece başarılı olmuş bir modelimiz var, adına “Standart Model” deniyor. Bu modele göre parçacıklar, meşhur “Higgs Bozonu” veya “Higgs Alanı” ile temasa geçtiklerinde kütle kazanıyorlar.

Nötrinonun kütlesini tam olarak ölçmek, işte bu Standart Model’in önemli eksiklerinden birini giderecek, böylece o modelin ötesinde bir fiziğin kapılarını bize açacak. Çünkü nötrinonun kütlesi de Higgs’den kaynaklansa bile bu kütlenin üç değişik nötrino versiyonunda değiştiği gerçeği Standart Model’i en azından bu konuda güvenilmez kılıyor. Bir de şu var elbette: Bu kütle o kadar küçük ki, nasıl olup da nötrinonun bu kadar küçük kütle edindiği sorusu cevapsız.

Sadece atomun nasıl oluştuğuyla da ilgili değil nötrinonun kütlesi. Genel manada evrenimizin nasıl oluştuğuna ilişkin büyük soruların cevabı da bu hayalet parçacığın ağırlığında gizli.

Evrenin sırlarını içinde taşıyor

Minik nötrinonun sırlarının çözülmesi, bizi evrenle ilgili ve doğrudan da nötrinonun kütlesine bağlı olduğu anlaşılan diğer sırları çözmeye yaklaştırabilir.

Bu sırların en büyüğü, evrenin başlangıç aşamasında geçerli olması gereken madde-anti madde simetrisi. Bu simetri bilmediğimiz bir sebeple madde lehine bozulduğu için bugün evrende varız; yoksa ikisi eşit olsa birbirlerini yok edeceklerdi ve evrende kütle diye bir şey olmayacaktı.

Bir başka sır, çoğu nötrinonun daha Büyük Patlama ile birlikte yaratıldığı ve bu nötrinoların ilk atomların oluşmasından tutun da galaksilerin, yıldızların ve diğer her şeyin ortaya çıkmasında rol oynadığı gerçeğiyle bağlantılı. Büyük Patlama’dan sonraki ilk saniyede nötrinolar bugünkünden bile daha hafif olmalı ve ışık hızına yakın hızlarda (ama ışık hızında değil!) hareket ediyor olmalıydı. Oysa daha sonra yavaşladı nötrinolar, yani hareket ederken kütle kazandı. Bu mekanizma evrenin başlangıç şartları kadar bugününü anlamamız bakımından da çok önemli.

Aynı anda hem çok minicik şeylerin fiziği olan parçacık fiziği veya yüksek enerji fiziği hem de çok büyük şeylerin, evrenin, galaksilerin, yıldızların fiziği olan kozmoloji son on yıldır nötrinoların peşinde.

Nötrinoları yakalamak için Antarktika’da laboratuvarımız var, dünyanın pek çok yerinde yerin yedi kat altında nötrino avcısı fizikçiler çalışıyor. Öte yandan uzayda kocaman kocaman teleskoplarımız var, bu teleskopların derlediği verileri inceleyen binlerce fizikçi var.

Bütün bu çabalar o minicik hayalet için. Sigaranın dumanı için.

Enerjisine bak, kütlesini anla

Bugüne kadar çoğunlukla nötrinonun kütlesini dolaylı yollardan ölçmeye çalışıyorduk. Örneğin daha önce ayrıntılarıyla anlattığım kozmik arka plan ışımasını tam olarak ölçmek için uzaya gönderilen ve Max Planck’ın adını taşıyan teleskopun yıllar süren veri toplama çalışmaları sonrası elde ettiklerine bakan fizikçiler, üç çeşit nötrinonun toplam kütlesinin 0.12 elektron volttan daha büyük olamayacağına karar verdi. Yine bu hesaba göre en küçük, en hafif nötrinonun ağırlığı da 0.086 eV’den daha az olmalıydı.

Kafanız karışmış olmalı. Kütleden, ağırlıktan söz ederken bir enerji birimi olan elektron volt (eV) nereden çıktı diye düşünüyor olabilirsiniz.

İzah etmeye çalışayım: Albert Einstein’ın meşhur E eşittir M çarpı C kare denklemini biliyorsunuz. Bu denklem bize enerji ile kütlenin aslında aynı şey olduğunu, birbirine çevrilebilir olduğunu söyler.

Denklem de doğrudur üstelik. O sayede nükleer silahlarımız var, nükleer santrallarımız var.

Her neyse, bu minicik atom altı parçacıkların (mesela elektronun) kütlesi o kadar küçük ki, bunları ağırlık birimi olarak (gram veya kilogram) yazmak çok da anlamlı değil. Kaldı ki parçacık fizikçilerine boşu boşuna “yüksek enerji fizikçisi” adı verilmiyor; onlar kilo yerine elektron voltla konuşmayı tercih ediyor.

Tabii birim eV olunca onun bin katına kilo elektron volt (KeV), milyon katına Mega elektron Volt (MeV), milyar katına da Giga elektron Volt (GeV) adı verilebiliyor.

Baktığınızda örneğin atom çekirdeğindeki protonun kütlesi, nötrino ile kıyaslandığında çok büyük: 0.938 GeV. Peki bunun kilogram olarak karşılığı ne? 1.783 çarpı 10 üzeri eksi 27. Yani 1 rakamından önceye 26 tane daha sıfır yazacaksınız, o kadar işte.

Kafanızı rakamlarla karıştırmayayım, sadece şunu anlatmaya çalışıyorum: Bizim ağırlık ölçülerimiz bakımından zaten son derece küçük olan olan bir proton, bu yazının başından beri anlatmaya çalıştığım nötrinoya göre milyar kez daha ağır aslında.

Fizikçilerin ne kadar minik bir şeyin ağırlığını ölçmeye çalıştığıyla ilgili bir fikir verebildim umarım.

Almanya’daki müthiş deney

Bu konu o kadar önemli ki, mesela Almanya bu uğurda milyarlarca Euro harcamayı göze aldı ve dünyanın dört bir yanından gıptayla izlenen bir ölçüm deneyini başlattı.

Kısa adı KATRIN, uzun hali “Karlsruhe Tritium Neutrino” olan bu ölçüm için yıllardır devasa bir laboratuvar inşa ediliyordu. Bu araştırma merkezi nihayet tamamlandı ve ilk ölçüm sonuçları alınmaya başlandı.

İlginçtir, KATRIN’in kullandığı ölçme yöntemi, Smoke filminde anlatılan dumanın ağırlığını ölçme yöntemine de çok benziyor.

Her neyse, KATRIN’in söylediğine göre nötrinonun sahip olabileceği en büyük ağırlık hiçbir biçimde 1.1 eV’den fazla olamaz. Yani en ağır haliyle nötrino, elektronun beşyüzbinde biri ağırlığında.

Daha önce bu üst limit 2eV idi ama KATRIN ilk bir aylık sonuçlarıyla 1.1’e indi bile. Gelecekte gelecek yeni verilerle bu ağırlık üst sınırı daha da aşağı gelebilir.

Şimdilik kozmologların kullandığı dolaylı yönteme dayalı ölçümlerle bu ölçüm birbiriyle çelişmiyor ama nötrinonun aslında daha hafif olduğunun ortaya çıkması durumunda kozmologlar sadece nötrino ile ilgili varsayımlarını değil, evrenin bütünüyle ilgili varsayımlarını da değiştirmek zorunda kalabilirler.

Evet, sigaranın dumanını ölçmek anlamsız olabilir ama bazen çok hafif şeyler sanılandan daha büyük bir ağırlık oluşturabiliyor.

10 bin yıl sonra da bakanın anlayacağı bir “girilmez” tabelası yapmak, sandığınızdan daha zor olabilir

Eski Mısırlılar piramitleri yaparken, birkaç bin yıl sonra bizim onların içine girmemizi beklemiyorlardı; hatta bunu istemiyorlardı. Ama biz kendimize engel olamadık, onların son arzusunu dinlemeyip girdik içeri. Şimdi nükleer atıklarımızı çölün altına gömüyoruz ama önümüzdeki 300 bin yıl boyunca kimsenin oraya girmemesini sağlamamız lazım. Gelecekteki insanlara veya başka akıllı canlılara, “Girmeyin, gireseniz ölürsünüz” mesajını nasıl vereceğiz?

Amerika’nın New Mexico eyaletinde, çölün altında, tam 610 metre derinlikte dünyanın en büyük nükleer çöplüğü var. Amerikan ordusu tarafından inşa edilen bu nükleer çöplük pek yakında tamamen dolacak ve dolduğunda da kapatılacak.

Tamam, elbette kalın beton duvarlar ve başka olağanüstü önlemlerle kapatılacak bu çöplük ama şunu unutmayın: Çöplüğün amacı, oraya en azından 300 bin yıl boyunca insan girmesine engel olmak.

Ölümünüze susamadıysanız zaten girmezsiniz o çöplüğün içine. Ama şunu unutmayın, o nükleer atıkların ne feci şeyler olduğunu ve onları oraya koyduğumuzu bugün biliyoruz. Ya 100 yıl sonra, 500 yıl sonra, 1000 yıl sonra ne olacak? Hala bilecek miyiz, yoksa unutacak mıyız?

Diyelim bugün o çöplüğü sıkı sıkıya kapattık; kapısına da “Sakın girmeyin” manasında tabelalar koyduk vs vs. Peki gelecekte bu tabelaların anlaşılacağından emin miyiz? Gelecekte yaşayacak insanlar veya başka akıllı canlılar ya bizim piramitleri, höyükleri vs merak ettiğimiz gibi bu çöplüğü de merak ederlerse?

Herhalde piramitleri yapanların amacı, “Birkaç bin yıl sonra insanlar gelsin bizim kendimizi nasıl gömdüğümüzü öğrensin” değildi. Onlar rahatsız edilmemek için bu denli karmaşık ve büyük yapılar yapmışlardı ama biz altından girdik üstünden çıktık, hala gizli odalar veya geçitler bulmaya çalışıyoruz ve netice itibarıyla o piramitleri yağmaladık.

Aynı şey höyükler için de geçerli. Anadolunun bazı bölgelerinde adım başı höyüğe rastlarsınız. Defineciler bunlara çoktan tünel kazmış, içine bakmıştır. Arkeologlar maalesef içlerinden pek azını tam olarak keşfedebildi.

Evet biz höyükleri kazarak geçmiş uygarlıklar hakkında ciddi bilgi ediniyoruz ama o höyüğü yapanların yegane amacı öldükten sonra rahat etmek, ölümden sonraki hayata eksiksiz başlamaktı. Biz onların “Girilmez” tabelalarını hiçe saydık, girdik. Aynı şeyi bundan 6 bin yıl sonraki uygarlığın New Mexico’daki nükleer çöplük için yapmayacağının hiçbir garantisi yok. Daha doğrusu orayı merak edip içine bakmak isteyeceklerine kuşku yok. Mesele, onlara, “İçine bakarsanız ölürsünüz” mesajını vermek.

Dünyanın dört bir yanında bir sürü aklı başında insan bu aralar binlerce yıl geçerli olacak bir “Girilmez” tabelası yapmak için uğraşıyor.

‘Kripto Haydut’ sanal paraları çalmanın en kolay yolunu bulmuş

Hiç kripto paranız oldu mu? Benim oldu. Yıllar önce bir alışveriş için Amerika’da birisine 1 Bitcoin’den az bir para göndermem gerekiyordu, mecburen bir ‘kripto cüzdanı’m oldu. Şimdi yıllar sonra aynı cüzdanı bu yazıyı yazmak için tecrübe olsun diye yeniden kullandım; bu sefer 1.36 Ethereum ...

Dünya sigarayı bıraktı ama akciğer kanseri yine de azalmadı

Korelasyon, birbirinden bağımsız iki farklı şeyin birlikte oluş sıklığına istatistik analizde verilen isim. Mesela otomobil kazalarının sayısındaki artışla -bir haftayı bulan, hatta geçen- dini veya milli bayram tatilleri arasında bir ilişki var. Tatil oluyor, insanlar arabalarına binip ...

Gözümüzle gördüğümüz, elimizle tuttuğumuz şeyin gerçek olduğundan emin olabilir miyiz?

Sağolsun, Alev Alatlı sayesinde ülkemizde “Schrödinger’in Kedisi” lafını duymayan kalmadı. Alev Alatlı’nın bu iki kitaplık serisi sayesinde çok sayıda insan “Schrödinger’in Kedisi” lafını biliyor ama sadece Türkiye’de değil dünyada da çok az sayıda insan bu önemli düşünce deneyinin tam olarak ...