Gizemli Bir Parçacık: “Nötrino”
İlk Öngörüler
Maddeyi meydana getiren çok küçük, bölünmez yapıtaşları olduğu düşüncesi binlerce yıl öncesine dayanmaktadır. Yunan felsefesinin ilk dönemi, madde üzerine düşünmeye dayalıydı: Thales, dünyayı oluşturduğunu ileri sürdüğü tekdüze bir temel maddeden söz eden ilk kişi olarak kabul edilir. Yaklaşık yüz yıl kadar sonra Anaksagoras çok sayıda temel madde olduğunu ve dünyanın çeşitliliğini de bunların karışımının meydana getirdiğini öne sürmüştür.
Ardından Empedokles konuyu biraz daha somutlaştırmış ve sadece dört temel element olduğunu ileri sürmüştür: toprak, su, hava ve ateş. Son olarak da Leukippos ve Demokritos atom kavramını, yani maddeyi oluşturan en küçük, bölünmez parçaları tedavüle sokmuştur.
Maddenin özünün ne olduğunu anlamak için ortaya atılmış bu varsayımlar yanlış olsa da, parçacık fiziğinin temelleri bu fikirlerde gizlidir.
Başlangıç
15. yüzyılda şair ve felsefeci olan Lucretius, Leukippos ve Demokritos’un fikirlerini ele aldığı “Evrenin Yapısı” başlıklı elyazması sayesinde antik ve modern çağ bilimi arasında ilk köprülerden biri kuruldu. İlk olarak 17. yüzyılda bilim insanları, oksijen, hidrojen ya da bakır gibi kimyasal elementlerin benzer atomlardan meydana geldiğini fark ettiler. 18. yüzyılda Antoine Lavoisier ve John Dalton gibi isimlerin kimyasal tepkimeler üzerine çalışmaları süreci hızlandırdı. 19. yüzyılda da Emil Wiechert, Walter Kaufmann ve J.J. Thomson gibi isimlerin katot ışınları üzerine olan çalışmaları (elektronun keşfi: 30 Nisan 1897, J.J. Thomson) parçacık fiziği olarak adlandırdığımız alanın doğmasına neden oldu.
Nötrino’nun Hikayesi
Rastlantısal Bir Keşif: Radyoaktivite başlıklı yazımızda, radyoaktiviteyi ve 3 farklı tür radyasyon olduğunu anlatmıştık. Nötrino, ilk kez bu ışımalardan (alfa, beta ve gama) birindeki tutarsız matematiksel hesaplar üzerine ortaya atılmıştır. Açıklamak gerekirse: Radyoaktivite, ünlü E = mc2 formülünün nasıl işlediğine güzel bir örnektir; atomun çekirdeğindeki madde kendi kendini yeniden düzenlediğinde, küte içinde hapsedilmiş halde olan enerji aniden açığa çıkar. Bunun sonucunda, ışık -gama ışınları- olarak ışıyabilir; alfa bozunmasında olduğu gibi bir önceki çekirdeğin parçalarının savrulmasında kinetik enerjiye dönüşebilir; veya beta bozunmasınıda olduğu gibi yeni madde biçimlerinde katılaşabilir.
Alfa ve gama bozunmalarında enerji hesapları düzgündü, ama beta bozunmasında hesaplar tutarsızlık barındırıyordu: Radyoaktif bir çekirdeğin bozunduğu her seferde tek bir parçacık yayılıyorsa, enerjinin korunumu gereği bunun enerjisinin tek bir değeri vardır. Ancak 1914’te James Chadwick’in gözlemleri “enerjinin korunumu ilkesi” ile çelişiyordu.
1930′ ların başında problem hala çözülememiş ve temel parçacıklardan sadece foton, elektron, atom çekirdeği biliniyordu. Zamanın çok ünlü fizikçilerinin enerjinin korunumu ilkesinden vazgeçmeye kadar umutsuzluğa düştükleri bir sırada Wolfgang Pauli, Aralık 1930′ da Tübingen toplantısına bir bildiri gönderdi ve yeni bir “yüksüz” parçacık önerdi: nötron.
Pauli’ ye göre bu yüksüz parçacık çok hafif olmalıydı. O dönemki diğer bütün fizikçiler gibi Pauli de bu yüksüz parçacığın bozunumdan önce atom çekirdeğinde var olması gerektiğini varsayıyordu. Gerçekten de 1932′ de nötron Chadwick tarafından keşfedildi ve atom çekirdeğinde yüklü protonların yanında, aynı sayıda nötronların da bulunduğu anlaşıldı, ama sorun çözülmemişti. Çünkü, Pauli’nin tahmininin aksine nötron hiç de hafif değildi, hatta kütlesi neredeyse protonunki kadardı.
Nötron’un keşfinden 1 yıl sonra, o zaman için dünyanın önde gelen fizikçileri( Einstein, Marie Curie, Rutherford, Fermi, Pauli..) Solvay Konferansı’nda bir araya geldiler.
Bu konferans ile eksik parçaları tamamlayan Fermi, günümüzde de geçerli olan beta bozunum kuramını ortaya attı. Beta bozunumu, atom çekirdeğinde protonla birlikte varolan nötron’ un, bir proton, bir elektron ve bir “nötrino”’ (nötron’lara istinaden, “küçük nötron”) ya bozunmasıdır.
β− bozunumu: n → p + e− + ν*
β+ bozunumu: p → n + e+ + ν
(v* -> anti nötrino)
Enrico Fermi’nin beta bozunumu kuramı, tüm gözlemleri açıklıyor ve enerji ilkesi korunumu desteklemeye devam ediyordu. Ancak nötrinolar hâlâ sadece dolaylı yoldan gözlenebiliyordu; “kayıp enerji” sinyali olarak.
Nötrinoların keşfi için 20 yıl beklemek gerekecekti. 1953’de Reines ve Cowan’ ın ekibi Savannah River’ daki nükleer enerji santralinden gelen milyarlarca nötrinodan bir kaçını madde ile etkileşime sokmayı ve nötrinoların varlığını ispatlamayı başardılar.
(Ek: Nötrino’nun keşfi tabii ki hiç basit olmadı. Bu süreçte Bruno Pontecorvo, Ray Davis, John Bahcall ve birçok isim senelerini bu hayalet parçacığı yakalamak için harcamıştır.)
Neden Gizemli?
Nötrinoların kütlesi çok küçüktür: Nötrino kütlesini biraz olsun hayal edebilmek için, diğer temel parçacıkların kütlesini ele alalım. Örneğin elektron, proton veya nötrondan yaklaşık 1.800 kat, W ve Z bozonları ve üst kuark olan bilinen en ağır temel parçacıklardan yaklaşık 200.000 kat daha hafiftir. (Nötrinonun net kütlesi bilinmese de, kütlesini ölçmek için tasarlanan deneylerde üst bir limit belirlenebildi.) Bu kütlelerin neden bu kadar çok değiştiği, temel parçacıkların modern standart modelinde bile bir muammadır.
Ayrıca, nötrino elektrik yükü bakımından nötr olduğundan, molekülleri bir arada tutan elektromanyetik kuvvete, ayrıca atom çekirdeklerini bağlayan yeğin nükleer kuvvete de tepki vermez. Nötrino sadece kütle çekiminden ve zayıf kuvvetten etkilenir. Nötrinonun bir malzeme içindeki çekirdeğe çarparak kendini ele verme ihtimali öylesine düşüktür ki, genel görüş uzun yıllar şu şekildeydi: “Nötrinoyu gözlemlemenin uygulamada mümkün olan hiçbir yolu yoktur.”
Bu nedenle bu parçacığı “gizemli” ya da “hayalet” olarak nitelendiriyoruz. Gizemli olmasının yanı sıra, nötrinolar da fotonlar gibi yıldızlarda(yani nükleer füzyon tepkimelerinde) oluşmaktadır. Yüzyıllardır ışık üzerine kuramlar oluşturuyor ve ışık sayesinde evreni açıklamaya çalışıyoruz. Ancak fotonların da bizlere ulaştırabileceği bilgi bugün bildiğimiz üzere sınırlı. Bu sebeple, nötronları anlamamız ve okuyabilmemiz* önemli..
Yazan: Alper KİRLİOĞLU
Kaynakça:
Frank Close- Nötrino
Harald Fritzsch- Yanılıyorsunuz Einstein! (Bölüm 3)
Kaynak**
Kaynak***
Kaynak****