Nötrinolarda Kütle Meselesi

Nötrino olarak bilinen temel parçacıkların kütlesi var mı? Son yapılan araştırmalara göre, evet. Ancak, ne miktarda? Şaşırtıcı ve yeni tartışmalara yol açan yeni sonuçlar, kütle meselesi çözümünün zannettiğimiz gibi olmadığına işaret ediyor.

Uzun süre nötrinoların, tıpkı fotonlar gibi ışık hızında hareket eden kütlesiz parçacıklar olduklarına inanıldı. Son birkaç yılda, güneş tarafından salınan veya kozmik ışınların atmosfere çarpmasıyla oluşan nötrinolar üzerinde çalışarak, fizikçiler nötrinoların çok az da olsa – elektronun on milyonda biri kadar – bir kütle taşıdığını keşfettiler. Bu kütlelerin, bilinen parçacık etkileşimlerinin gerçekleştiği enerjilerin çok ötesindeki fiziksel süreçlerin sonucu olduğuna inanılıyor. Modern Physics Letters A dergisinde Klapdor-Kleingrothaus ve arkadaşları, yeni bir tip nükleer bozunma süreci gözlemlediklerini iddia etmektedirler. Eğer bir şekilde iddiaları doğruysa, bu, bilinen üç çeşit nötrinonun aynı kütleye sahip oldukları anlamına gelir ve mevcut fizik bilgimizin ötesine yeni bir pencere açar.

Nötrino kütlesi bağlamında, diğer temel parçacıkların kütlelerini ele alalım. Meselâ, elektron, protondan veya nötrondan kabaca 1800 kez daha hafiftir; bilinen en ağır temel parçacıklar olan W, Z bozonlarından veya t-kuarktan ise 200 bin kez daha hafiftir. Temel parçacıklar arasındaki bu korkunç farkların sebebi, maddenin yapısını izah etmek için kurulan modern standart model için bile hâlâ büyük bir sırdır. Öte yandan, nötrinolar da kütlesiz zannediliyordu ve 1950’lerde fizikçiler bunun nedenini anlamaya çalışıyordu.

Anahtar kelime kiralite, yani bir şeyin sağ elli mi yoksa sol elli mi olduğudur. Eğer sağ elimizin aynadaki görüntüsüne bakarsak görüntünün sol el ile aynı geometride olduğunu görürüz. 

Bir şekli kendi etrafında çevirdiğimizde aynadaki görüntüsü ile aynı imaja sahip olamıyorsa bu şekil kiraliteye sahiptir. Ellerimiz böyledir. Sağ elimizi istediğimiz kadar çevirelim, asla sağ elin sol el ile aynı görünmesini sağlayamayız. Diğer bir deyişle, hangi açıdan bakarsak bakalım, sağ el ile sol eli ayırt edebiliriz.

Biyokimyada kiralite kavramı çok önemlidir. H2O gibi basit bir molekülün kiralitesi yoktur, çünkü bu molekülün aynadaki görüntüsünün resmini alsanız ve molekülü kendi etrafında 180 derece çevirseniz, aynadaki görüntü ile tamamen aynı geometriyi elde edebilirsiniz. Oysa kiraliteye sahip bir şekli asla aynadaki görüntüsüne benzetemeyiz. Kiral moleküller kimyasal olarak tamamen aynı yapıya sahip olmalarına karşın yan yana geldiklerinde birbirlerinin aynadaki görüntüleriymiş gibi algılanacak geometriye sahiptirler. 

Bir çok hayatî öneme sahip molekülün hem sağ elli hem de sol elli yapıları mevcuttur, ancak yaşamsal bir aktivitede kullanılan molekül bunlardan sadece biri olabilir. Meselâ canlıların tümünde var olan aminoasitler sol ellidir ve bu henüz anlaşılamamış bir gizemdir. Sağ elli bir molekülün yaptığı işi kimyasal olarak tamamen aynı yapıdaki sol elli bir molekül üstlenemez. 

Nötrinolar da benzer bir iç kiraliteye sahiptirler. Temel parçacıklar belirli bir kuantum mekaniksel spine sahiptirler. Bir çok parçacık hareket doğrultuları ekseni etrafında sağ elli veya sol elli olarak adlandırabileceğimiz şekilde spinlere sahip olabilirler. Fakat nötrinoların her zaman için sol elli olacak şekilde spinleri vardır. Böyle keskin bir kiralite, kütleli parçacıklar için söz konusu olamaz, (çünkü kütleli bir parçacığın spin yönelimi parçacığı referans sistemi etrafında çevrilerek değiştirilebilir) kütleli bir parçacık hem sağ elli hem de sol elli spin yönelimine sahip olabilir. Bu yüzden fizikçiler nötrinoların kütlesiz olduklarında hemfikirdi.

Her parçacığa karşılık gelen, zıt elektrik yüklü bir anti-parçacık vardır. Meselâ elektronun (e-) anti-parçacığı pozitron (e+), nötrinonun anti-parçacığı antinötrinodur. Antinötrino, nötrinonun tam zıddı bir kiraliteye sahiptir. Yani sağ elli spin yönelimine sahiptir.

Kiralite dışında, bir nötrino ile onun antiparçacığını nasıl ayırt edebiliriz? İkisi de elektriksel olarak nötrdürler ve elektrik yükleriyle ayırt edemeyiz. Ama temel parçacıkların etkileşimi sırasında, elektrik yükünün korunumu dışında korunan bir özellik daha vardır: lepton numarası. Elektron ve nötrino leptondurlar, antiparçacıkları da antilepton olarak adlandırılırlar. Bir etkileşimde lepton sayısı ile antilepton sayısı arasındaki fark lepton numarası olarak adlandırılır. Nötron bozunumu reaksiyonuna göz atalım. Bir nötron bozunarak bir proton, bir elektron ve bir antinötrino oluşturur. Etkileşim olmadan önce hiç lepton veya antilepton yoktu (nötron bir baryondur ve lepton numarası sıfırdır). Bozunum sonucunda ise sıfır lepton numaralı bir protonun yanı sıra, lepton numarası +1 olan elektron ve -1 olan bir antinötrino oluşur. Toplam lepton numarası yine sıfır olarak kalır. Bu duruma lepton numarası korunumu denir.

Lepton numarası korunumu, tamamen deneysel gözlemlerin bir ürünüdür ve temelinde hiçbir teorik açıklama yoktur. 1970’lerde yüksek enerji fiziğinin yeni yeni geliştirilen standart modelinde lepton numarasının korunumu yasası ön kabul olarak önerildi ve bu yasa göz önünde bulundurularak standart modelin teorisi geliştirildi.

Standart model var olan temel parçacıkları ve etkileşimleri sınıflandırmak ve tanımlamaktan pek de öteye gitmiyor. Oysa fizikçiler uzun zamandır temel parçacıkların ve temel kuvvetlerin varlığını “açıklayan” daha kapsamlı bir birleşik teori peşindeler. Büyük bir tutkuyla peşine düşülen büyük birleşik teoride ise lepton numarasının nadiren de olsa korunmaması gerektiği ön görülüyor. Ancak bu durumda, elimizde nötrino ile antinötrinoyu ayırt edebileceğimiz hiçbir kriter kalmamış olur. Şayet lepton numarası korunmuyorsa, şu an bizim nötrino ve antinötrino diye ayırdığımız bu parçacıklar, (tıpkı kiral moleküllerde olduğu) gibi aynı parçacığın iki farklı formu olarak karşımıza çıkmış olur. Tek fark olarak, zıt spin yönelimleridir. Kütlesi olan elektronların farklı spin yönelimlerine sahip olmaları ile özdeş bir durum meydana gelmiş olacak ve lepton numarasının korunmaması, nötrinoları kütleli parçacıklar olarak kabul etmemize kapı açacaktır. Fakat bu kütle miktarı çok çok küçüktür, çünkü nötrinonun kütlesi, bildiğimiz standart model çerçevesinde olmayan etkilerden kaynaklanmaktadır. Böyle küçük miktarlardaki kütleyi deneysel olarak gözlemlemek çok zordur ama trityum çekirdeği bozunması incelenerek nötrino kütlesinin 2 eV’den düşük olduğu sonucuna varılmıştır.

Nötrino kütlesini incelemenin kurnazca bir yolu daha vardır. Bilindiği gibi, üç çeşit nötrino bulunuyor (elektron nötrinosu, muon nötrinosu ve tau nötrinosu). Bu üç parçacık arasında çok ilginç bir kuantum mekaniksel etkileşme mevcuttur. Bir nötrino, kendisinden farklı bir nötrino türüne bozunabilir, ki bu olay nötrino çeşni osilasyonu olarak bilinir ve ancak nötrinolar bir kütleye sahipse gerçekleşebilir. Günümüzde hem atmosfere ulaşan kozmik ışınların oluşturduğu nötrinolar hem de güneşin ürettiği nötrinolar incelenerek nötrino osilasyonlarına ciddi deliller saptanmıştır. Hem atmosfere giren kozmik ışınların ürettiği hem de güneş tarafından üretilen çok miktardaki nötrinolar sayesinde "nötrino osilasyonu" hakkında kuvvetli delillere sahibiz. Gözlemlemeyi beklediğimiz nötrino sayısı ile gözlemlenen nötrino sayısı arasında çok büyük farklar vardır. Nötrino osilasyonu denilen şey, bahsedilen üç tür nötrinonun kendi aralarında dönüşmesi ile ilgili bir kavramdır. Sözgelimi, bir elektron nötrinosunun bir müon nötrinosuna dönüşme olasılığı vardır. Teorik fizikçiler bu dönüşme olasılığının (veya bu osilasyonların) beklediklerinden çok daha fazla olduğunu gördüler.  Çok hızlı ilerleyen bu araştırma alanında deney, teoriden bir adım öndedir ve önümüzdeki yıllarda konuyu aydınlatacak çok önemli ölçüm sonuçları beklenmektedir.

Nötrinoların kütle sahibi parçacıklar olmasının sebebi, lepton sayısının korunmaması olabilir. Ancak nötrino osilasyonu gözlemleri ile lepton sayısı korunmamasını ispatlamak mümkün değildir. Bunun için başka bir yol bulunmalıdır.

Araştırmacılar bazı durumlarda Ge çekirdeğinin Se çekirdeğine bozunurken çift elektron yaydıklarını ve ürün olarak hiç antinötrino açığa çıkmadığını keşfettiler. "Nötrinosuz çift b-bozunumu" olarak adlandırdıkları bu reaksiyonda lepton sayısı korunumu yasasının ihlal edildiği görülmektedir. 

Sadece üç tip nötrino olduğu varsayımıyla deneysel veriler ele alındığında, nötrino çeşnileri arasındaki kütle farkının son derece küçük olduğu sonucuna varıldı. Bu durum ilginçtir çünkü, kuarklarda ve yüklü leptonlarda olduğu gibi, farklı ailelere mensup parçacıklar arasında kütle farklılıkları hep çok büyük olagelmiştir.

Lepton sayısı korunumu ihlalini gösteren bu deneye şüpheyle yaklaşanlar da çoktur ve haklı oldukları yönler vardır. Bu deneye güvenilebilmesi için mevcut hassasiyetten bin kat, hatta 10bin kat daha hassas ölçümler yapılması gerektiği düşünülmektedir, çünkü eldeki verilerin sayısı son derece azdır.

Bu yazı, Edward Witten'in "The Mass Question" isimli yazısından derlenmiştir.* 

* Edward Witten, günümüzde en iyi fizikçilerden biri olarak kabul edilir. H-Index sıralamasında 104 puanla en üst sıradaki bilim adamıdır.

Enis Yazıcı