DÜŞÜNCE Fizik UZAY

Işık Hızında Giden ‘Hayalet Parçacık’

Başlangıçta karanlık gecelerimizi ne bir yıldız süslüyordu ne de güneş yaşam dolu ılık ışıklarıyla gezegenimizi yıkıyordu. Evrenimiz zamanımızdan 13,8 milyar yıl önce Büyük Patlama ile doğduğunda ‘sıfır saniyede’ hiçbir şey yokken birdenbire, hayretten nefesleri kesen, hayranlıktan gözleri kamaştıran bir olay patlak verdi. Artık kozmos yeni doğmuş bir bebekti. Sonsuz sıcaklıktaki bebek evren kozmik başlangıç saatinden itibaren korkunç bir hızla genişledi. Başlangıçtan sonraki yüz saniye içinde şafağın sıcak fısıltılarının tatlı ezgilerini taşıyan enerji, elektron ve nötron gibi atomaltı parçacıklara dönüştü. İlk üç dakikanın ardından adeta üzerinde yoğun buhar tüten kaynar bir kazan halindeki evrenimiz, soğumaya başladı. Sıcaklığın biraz düşmesini fırsat bilen serbest haldeki elektronlar atom çekirdeğinin etrafında dönüp birleştiler. Böylece ilk görülebilir ışık uzayın karanlığında bir fener gibi ışıldadı. Bilim insanları ve astrofizikçiler kozmostaki mesafeler için ışık hızını temel alırlar. Işık hızı; ışığın bir madde içindeki yayılma hızıdır. Modern bilimin öncülüğünde artık ışığın boşluktaki hızının saniyede 300.000 kilometre olduğunu biliyoruz. Einstein’ın Özel Görelilik kuramına göre, hiçbir cismin veya kütlesiz parçacığın, c harfi ile sembolize edilen bu olgudan daha hızlı hareket edemeyeceği ve aksine bir durumun var olamayacağı bilinmekte. Ayrıca ışık hızının kozmostaki nihai hız olduğu bilim insanları tarafından geçmiş yüzyıl içinde hep söylene gelmiştir. Şüphesiz ki, son yıllarda CERN’deki parçacık hızlandırıcılarında yapılan araştırmalar neticesinde bilim dünyasında ‘Hayalet Parçacık’ olarak anılan NÖTRİNOlar belki de bu tabuları yıkabilir; çünkü gözlenmesi çok zor olan bu parçacık ışık hızında hareket edebiliyor!

Hayalet Parçacık: Nötrino

Kozmosta varolan her şey (zaman, yıldızlar, güneşler, galaksiler ve dünyamız), karanlığın hüküm sürdüğü uzay denilen bu tüyler ürpertici uçsuz bucaksız mekânda oluştu. Bilindiği üzere uzay; Dünya’nın atmosferi dışında ve diğer gökcisimleri arasında kalan sonsuz genişlikte, aşırı derecede soğuk ve derin bir sessizliğin hâkimiyetindeki galaksiler arasındaki tekinsiz gecedir. Burası gezegenimiz için birçok tehlikelere gebedir; başıboş gezmeyi seven serseri göktaşları, doğal lambamız güneşten gelen zararlı ışınlar ve uzayın fakir sofrasındaki atomaltı parçacık kırıntıları… Uzaydan gelen hemen hemen her şey türümüz için bilinmeyen tehlikeler arz etmektedir, tabii ki uzaydan gelen her şeyin zararlı olduğunu söylemek pek mantıklı sayılmaz, nitekim burada zararsız gök cisimleri olduğu gibi kimseyi incitmeyen atomaltı parçacıklarda mevcuttur. Tıpkı nötrinolar gibi…

Nötrinolar; sadece zayıf kuvvet ve kütleçekimden etkilenen, ışık hızına yakın bir hıza sahip, elektriksel yükü sıfır olan ve neredeyse yok denecek kadar çok ama çok küçük kütleye sahip kafaları karıştıran, lepton (Yunanca hafif anlamında leptos sözcüğünden gelir) ailesinin alt grubunda yer alan gizemli bir parçacıktır. Öyle ki saniyede güneşten yeryüzüne santimetre kare başına 65 milyar nötrino parçacığı ulaşır. Ayrıca gün içerisinde vücudumuzdan trilyonlarca nötrino parçacığı geçmesine rağmen bu geçişler önemsiz denilecek kadar zararsız veya güçsüz derecede olduğu için hiçbir etkileşime ya da tepkimeye girmez. İlginç olan şudur ki çok küçük kalınlıktaki bir kurşun tabaka X ışınlarını tutabilirken nötrinolar Dünya genişliğindeki küre şeklindeki bir kurşun tabakadan rahatlıkla geçebilir; nitekim nötrinolar maddi boyuta sahip her nesnenin, cismin, yıldızın veya gezegenin içerisinden rahatlıkla geçebilir. Gözlenmesi çok güç olan nötrinolar bu yüzdendir ki atomaltı parçacık krallığının sakinleri olarak bilim insanları tarafından ‘Hayalet Parçacık’ diye isimlendirilmektedirler.

İlerleyen yıllarda bilim insanlarının atom ve atomu oluşturan parçacıklara dair kuantum fiziği önderliğinde yapılan araştırmalar bizlere yeni bir evrenin kapılarını açtı. Birçok bilim insanı bu kapılardan içeriye girerek insanoğluna Atom Krallığı’nın topraklarında o coğrafyanın bölgesel haritalarını (atomun içi ve atomu oluşturan parçacıklar gibi) çıkarmaya başladılar. Milattan önceki yıllardan 19. yüzyıla kadar bölünemez kabul edilen atomos artık bölünmüş, bununla da kalmamış onu oluşturan parçacıklara kadar gidilerek yavaşça kataloglanmaya (elektron, proton, nötron ve diğer atomaltı parçacıklar) başlanmıştı. Nötrino, nam-ı diğer Hayalet Parçacık da bunlardan yalnızca birisiydi.   

Hayalet Parçacığın Ayak İzleri  

19. Yüzyıl bilimindeki yanlış bir algı neticesinde gelişen bilimsel buluşlar nötrinonun keşif serüvenini meydana getirdi; çünkü bu dönem bilim insanları madde ve enerjinin birbirinden tamamen farklı fiziksel olgular olduğunda hemfikirdiler. Klasik fizik açısından madde, uzayda yer kaplayan belli kütleye sahip şey’dir. Öte yandan enerji onların bakış açısına göre maddeden (kütleden) tamamen farklıydı zira enerjinin uzayda yer kaplaması veya herhangi bir kütleye sahip olması söz konusu değildi ancak sadece enerjinin iş yapabilmesi mümkündü. Ayrıca kütle ve enerji hakkında ortak bir görüş mevcuttu ki o da hepimizin bildiği, ‘hiçbir şey ne yoktan var edilebilir ne de vardan yok edilebilir’ hakkındaki korunum yasaları’nı temsil eden fikirdi. Kütle-enerji arasındaki bu farklı algı bilim dünyasını uzun süre meşgul etti; ta ki tarihler 1905 yılını gösterene dek… Bu ve bundan sonraki yıllarda Alman Fizikçi Albert Einstein (1879-1955), uzay ve zaman algılarımızı altüst ettiği yetmezmiş gibi madde ve enerji hakkındaki görüşleriyle de darmadağınık olan bilgilerimizi yerli yerine koyarak büyük bir başarı daha gerçekleştirdi. Einstein’a göre kütle enerjiye, enerji de kütleye dönüşebilirdi çünkü kütle bir nevi enerjinin yoğunlaşmış bir biçimiydi; kısacası kütle ve enerji ayrılmaz bir bütündü ve bu iki kavramı birbirinden ayrı düşünmek pek mümkün değildi.

Oysa enerjinin korunum yasası tam anlamıyla çözülememişti zira fizikçiler on yılı aşkın bir süredir, 1920’lerden itibaren 1930 yıllarının başına kadar, beta parçacığının bozunumu (radyoaktif atom çekirdeğinin pozitif (+) ya da negatif (-) elektron fırlatarak gerçekleştirdiği bozunum) sorunuyla uğraşıyorlardı. Beta parçacıkları, bir çekirdek parçalandığında kütle kaybından dolayı açığa çıkması beklenen enerjiyi bütünüyle çekirdekten dışarı çıkartabiliyordu. Ölçümler radyoaktif maddeden çıkan elektronların enerjilerinde bir süreklilik gösteriyordu ki, kuantum kuramına göre bu yanlıştı; çünkü elektronlar önüne gelen her enerjiyi değil de belirli enerjileri alabilirlerdi. Ayrıca çekirdeğin parçalanmadan önceki enerjisi sonraki enerjisinden büyük çıkıyordu. Nitekim beta bozunumundaki daha az enerji ve pek de tahmin edilemeyen bu problem bazı fizikçileri dehşete düşürmekle kalmamış, enerjinin korunumu yasasının bu parçacık için geçerli olmadığını bilim dünyasında ümitsizce düşündürmeye başlamıştı. Öte yandan bir diğer sıkıntıysa kinetik enerjide görülen farklılıktan kaynaklanıyordu. Şöyle ki; yayılan beta parçacıklarının farklı enerji değerleri vardı ve buda farklı enerjide elektron yayılması demekti; parçalanan çekirdeklerin başlangıç kütleleri aynı olduğundan parçalanma neticesinde elektronların kinetik enerjileri de aynı olmalıydı fakat evdeki hesap çarşıya uymuyordu. Beta bozunumu esnasında çekirdeğin parçalanması sonucu açığa çıkan kinetik enerji tamamen farklıydı! Peki, bu nasıl mümkün oluyordu?  

İşte tam bu noktada, Avusturya asıllı İsviçreli teorik fizikçi ve kuantum fiziğinin kurucularından Wolfgang Pauli (1900-1958) sahneye çıktı ve rolünü çok iyi oynayarak seyircilerden büyük alkış toplamasını bildi. Bilim dünyasında dışarlama ilkesi ile tanınan teorik fizikçi, 1930’da arkadaşlarına yazdığı mektuplarda bu konuya değindi. Şöyle ki Pauli’nin beta bozunumu hakkındaki önerisi enerjinin korunumunu ihlal etmeyen bir yaklaşımdı. Oysa öne sürdüğü varsayım, beta bozunumu önermesinin eksik kısımlarını kanıtlayarak gösterdiği, matematikçilerin reductio ad absurdum (olmayana ergi) dedikleri düşünce sistemi sonucu açığa çıkmıştı. Pauli bozunum sürecinde elektronun yanında bir parçacığın da salındığını ve ayrıca elektronun çıkan enerjiyi rastgele bir şekilde bölerek diğer parçacıkla paylaştığını dile getirmişti. Bunu açıklayabilmek için bu parçacıkların:

1-) Elektron mevcut olan bütün elektrik yüküne sahip olduğundan, diğer parçacığın elektriksel olarak yüksüz olması gerekiyordu.

2-) Elektronun kinetik enerjisinin sadece küçük bir miktarı kütleye dönüşebildiğinden, Pauli’nin öne sürdüğü parçacığın ya eser miktarda ya da hiç kütlesi olmaması lazımdı. Ayrıca tepkimeye girme olasılıklarının çok küçük olduğu varsayılmıştı.

Avusturya asıllı teorik fizikçi buna dayanarak algılanamayan bu parçacığı enerji ve momentum farkını ele alan gayet estetik matematiksel bir denklem ortaya koydu:

no = p+ + e + ≈ Ve

Öte yandan Wolfgang Pauli esrarlı parçacığa nötron adını vermişti fakat 1932 yılında İngiliz Fizikçi James Chadwick (1891-1974) atomun çekirdeğinde yeni bir parçacık bulup o da adını nötron koyunca, bu yüksüz ve hemen hemen kütlesiz olduğu varsayılan hayalet parçacık çok sık anılır olmuştu; üstüne üstlük bilimsel literatürde iki tane aynı adı taşıyan farklı parçacığın peydahlanmış olması bir sıkıntı yaratıyordu. Bu sıkıntı Chicago’daki ilk reaktörün kurucusu, zeki ve enerjik bir İtalyan tarafından iki yıl sonra çözüme kavuşacaktı. İtalyan Fizikçi Enrico Fermi (1901-1954), Pauli’nin öne sürdüğü ‘yüksüz ve kütlesiz’ parçacık hakkında kafa yoran bilim insanlarından bir tanesiydi. Fermi elektron dağılımını matematiksel olarak ele aldığında gizemini koruyan hayalet parçacığa, İtalyanca ‘küçük nötr olan’ anlamına yeni bir isim verdi: Nötrino.

Artık yeni bir isme kavuşan bu parçacığın varlığını kanıtlamaya dair pek çok deneyler yapıldı. Nötrinonun varlığının ilk kanıtlarına 1955’te Amerikalı iki fizikçi tarafından parçacık hızlandırıcılarında karşıtnötrino (beta bozunumu esnasında açığa çıkan nötrinonun karşıt parçacığı) gözlendi. 1962 yılında Leon Lederman, Melvin Schwartz ve Jack Steinberger tarafından keşfedilen müon nötrinosu, bu parçacığın sadece tek tipte olmadığını gözler önüne serdi. Günümüzde nötrinoların üç çeşit olduğunu biliyoruz; elektron nötrinosu, müon nötrinosu ve tau nötrinosu. Öte yandan yapılan deneyler gösterdi ki nötrinolar diğer parçacıkların bozunma ürünleri arasında gözlemleniyorlar.

Nötrinonun İki Esrarı: Kütle ve Hız

Nötrinolar bilim tarihindeki pek çok esrarengiz olaydan yalnızca bir tanesidir. Nitekim hakkında halen ihtilaflı görüşler söz konusudur. Biz burada bu parçacığın kütlesi ve ışık hızını aşıp aşamadığı hakkında yapılan çalışmalara değineceğiz.

İlk olarak nötrinonun kütlesi konusunu ele alacak olursak burada karşımıza birtakım engeller çıkmaktadır. Eğer nötrinoyu kütlesiz olarak ele alacak olursak boşlukta saniyede 300.000 kilometrelik bir hıza sahip olurlar ve böylece ışık hızında hareket ederler. Bu durumda nötrinoları bir madde ya da parçacık olarak ele almak da pek doğru sayılmaz zira bir uzayda belli bir kütlesi olan varlıklara cisim, nesne, madde veya parçacık diyebiliriz. Oysa nötrinoları sadece bir enerji biçimi olarak değerlendirebiliriz ancak burada da bir sorun karşımıza çıkmaktadır; bununla birlikte onları diğer enerji biçimlerinden ayırmamız gerekir çünkü evrende varolan herhangi bir madde ile hiçbir etkileşime girmeden tabiri caizse o cisim veya nesneyi delip geçerler. Nitekim parçacık fiziğinde ‘standart model’ kapsamında nötrinonun kütlesiz olduğu kabul edilmektedir.

Nötrinonun kütlesine dair geçerli yaklaşım kozmolojiye aittir diyebiliriz ancak bu yaklaşımında sıkıntıları olduğunu önceden belirtelim. Kozmologlara göre Büyük Patlama modeline göre ‘evrendeki nötrino ve foton (en küçük ışık paketi) arasında sabit bir oran mevcut olmalıdır’ der. Böylece evrendeki kara madde gizemi de çözülmüş olur; çünkü nötrinolar evrenin %90 gibi büyük bir kısmını meydana getirerek evrenin genişlemesine neden olan etken olarak kabul edilebilir. Ancak her şey bu kadar basit değil! Eğer kozmolojinin bu varsayımını kabul edersek yani nötrinolar belirli bir kütleye sahipse o zaman evren, %90’nını oluşturan bu maddenin ağırlığıyla çökecektir! Kısacası nötrino ne kara maddedir ne de evrenin %90 gibi büyük bir kısmını oluşturur. Hayalet parçacığın kütlesi konusu bilim insanlarını ikiye ayırmıştır, kimileri kütleli olduğunu savunurken kimileriyse kütlesiz olduğunu savunur. Buna kesin çözüm bulmak isteyen yüz kadar bilim insanı Japonya Alpleri’nin 1km altındaki Süper Kamiokande nötrino detektörü bu parçacıkların salınım yaptığını doğrulayarak kütlesinin olması gerektiğini göstermiştir. Araştırmacılar bulgularını 5 Haziran 1998’deki uluslar arası kongreye sundular ve ardından Physical Rewiew Letters’da yayımladılar. Buna göre evrendeki nötrino sayısı elektronlardan fazlaydı ev bir nötrinonun kütlesi bir elektronun on milyarda biri kadar olduğu tahmini sonuç ortaya çıktı. Hal böyleyken yukarıda bahsettiğimiz evrenin çökme durumu bu sonuçlar içinde geçerli olur. Ayrıca burada yapılan deneyde nötrinonun kütlesi tamı tamına ölçülememiş yaklaşık bir tahminde bulunulmuştur.

Diğer taraftan hayalet parçacığın hızı sürekli tartışılan bir konudur. Bilim insanları buna da bir açıklama getirmeye çalışmışlardır zira nötrinonun hızı kütlesi ile sıkı bir ilişki içindedir. Eğer onu kütlesiz kabul edersek, görecelik kuramına göre ışık hızından yüksek bir hızla gittiğini fakat kütlesi varsa, ışık hızından düşük bir hızla hareket ettiğini kabul etmemiz gerekir. Bilim insanları, 1980 yılında nötrinonun hızına dair ilk gözlemi pionlar üzerinde gerçekleştirdiler. Buna göre pionlar bozunarak nötrinoya dönüşecek ve uygun uzaklıktaki detektörün zaman penceresiyle etkileşime girerek hızı ölçülecekti. Deney sonucu bilim insanları arasında büyük bir heyecanla karşılandı çünkü sonuçlar ışık hızıyla tutarlı çıkmıştı! Örneğin 1987 yılındaki süpernova (yıldız ölümü) sonucu salınan nötrinolar patlama anına çok ama çok yakın bir süre sonra gezegenimize ulaştılar. Bu da bize nötrinoların ışık hızında yolculuk ettiklerini, buna dayanarak kütlesiz olduklarını gösterir.  Diğer bir örnekse güneşten bize gelen nötrinolardır. Bilindiği üzere güneş ışınları bize sekiz dakikada gelir; işin ilginç olan yanı şudur ki güneşten gelen nötrinolarda aralarındaki zaman farkı önemsenmeyecek kadar küçük bir farkla gezegenimize ulaşmaktadır. Ardından pek çok kez tekrarlanan deneylerde nötrinonun ışık hızına yakın ve bazen onu geçtiği sonuçları gözlendi. Nitekim 2011 yılında CERN’de yapılan deneyde ise nötrinoların, yapılan ölçümlerde beklenmeyen bir şekilde ışık hızını geçtikleri tespit edildi. Sonuç olarak yapılan detaylı kontrollerde CERN’deki GPS sisteminde aksaklıklar tespit edildi.

Sonuç olarak nötrinoların çeyrek yüzyıl boyunca kuramsal açıdan var olma nedenleri bilinse bile, gözlemsel bir kanıtla kesinlik söz konusu olmadığından bu parçacık bilim insanları için ‘hayalet parçacık’ olma ve kafaları karıştıran gizemini halen koruyor. Tıpkı Leon Lederman’ın Tanrı Parçacığı adlı enfes kitabında nötrino için yazdığı şiirde de olduğu gibi…

 “Dünyadaki küçük nötrino, Işık hızıyla dolanıyorsun. Yüksüz, kütlesiz, boyutsuz musun? Utan! Geleneği bozuyorsun.”

Yazar: Ö. Faruk KIRMACI 

Kaynaklar:

Feynman, Richard P. , Fizik Yasaları Üzerine, ALFA Yayınları, 6.Basım: Ekim 2012

Ford, Kennet W. , 101 Soruda Kuantum, ALFA Yayınları, 2.Basım: Kasım 2012 

Hooft, Gerard’t, Maddenin Son Yapıtaşları, TÜBİTAK Yayınları, 11.Basım: Kasım 2012

Kane, Gordon, Süpersimetri, TÜBİTAK Yayınları, 3.Basım: Kasım 2013

Lederman, Leon, Tanrı Parçacığı, Evrim Yayınları, 1.Basım: Nisan 2001

bilimdili

Yorumla

Yorum yazmak için buraya tıklayın...

Arşivler

Sosyal Medyada Bilimdili