Nötrino bilmecesi Güney Kutbu’nda çözülecek
Güncelleme Tarihi:
Oluşturulma Tarihi: Ağustos 27, 2005 01:07
Güney Kutbu’nda dünyanın en büyük nötrino teleskopu kuruluyor. Bilim adamları, Antarktik buzunun içindeki parçacık detektörüyle nötrinolardan, manyetik monopollere kadar yanıt bekleyen birçok soruyu aydınlatmaya çalışacaklar.
Amerika, Japonya, Yeni Zelanda, İngiltere, İsveç, Belçika, Hollanda ve Almanya’dan 20’yi aşkın araştırma merkezinin katılımıyla gerçekleştirilen uluslararası IceCube projesiyle, Güney Kutbu’ndaki Antarktik buzunun içine dev bir nötrino teleskopu kuruluyor. Geçen yıl başlayan çalışmaların 2010 yılında tamamlanması bekleniyor.
IceCube teleskopu, çarpışan galaksiler, uzaktaki kara delikler, kuavasarlar ve evrenimizin diğer dünyalarındaki fenomenler gibi muazzam olaylarda oluşan yüksek enerjili kozmik nötrinoları bulabilmek için Güney Kutbu’nun kristal berraklığındaki buzundan yararlanıyor.
Önemli ölçüde protonlardan oluşan kozmik ışınlar da olasılıkla bu tür gelişmeler sırasında üretilmekte. Fakat protonlar uzaydaki manyetik alanlar tarafından yönlendirildikleri için bilim adamları bugüne kadar kaynaklarını takip edemediler.
Kozmik nötrinolar ise buna karşın yıldızlar, galaksiler ve yıldızlar arası manyetik alanlar tarafından yutulmadan veya yönlendirilmeden uzayda milyarlarca ışık yılını geride bırakabiliyorlar.
Bu özelliklerinden dolayı bilim adamları, evrenin ilk dönemlerine ve muazzam olaylarla ilgili eşsiz bilgiler edinebilmeyi umuyorlar. Ama tam da bu "hayali durumları" nötrinoların kanıtlanmasını iyice zorlaştırmakta.
Bunlardan sadece bazılarının izlenebilmesi için bile yüzeyin derinliklerinde kurulan dev detektörler gerekmekte. Çünkü ancak bu şekilde ışık veya normal kozmik ışınlardan etkilenmiyorlar.
En büyük teleskop
Bir kilometreküplük bir alanda, yaklaşık olarak 1400-2400m derinliğe monte edilecek 4800 ışık sensoruyla, müonlar ve diğer yüklü parçacıklar kanıtlanmaya çalışılacak. Bunlar, yüksek enerjili nötrinoların ve buz moleküllerinin karşılıklı etkisiyle oluşmakta. IceCube, galaktik veya galaksi ötesi cisimlerdeki nötrinoları saptayacak en büyük parçacık detektörü olacak.
Güney Kutbu’nun konumu ileri teknoloji bir tesis için biraz tuhaf gelse de aslında önemli avantajlara sahip. Burada üç kilometre kadar derine inen buz son derece saydam ve Amundsen-Scott istasyonu gerekli altyapıyı sağlamakta.
Projenin temeli, 1997 yılından bu yana veriler toplayan AMANDA ("Antarctic Muon and Neutrino Detector Array") nötrino teleskopunun başarısıyla kazanılan cesaretle atıldı.
30 misli büyük
Çünkü AMANDA detektörüyle, bir nötrino detektörünün buzun içinde işleyebileceği kanıtlanmış oldu. Bilim adamları, yüksek enerjili nötrinoları, yönlerini ve enerjilerini kesin bir şekilde tasarlayabildiler.
Fakat bunlar yalnızca, dünya atmosferinde kozmik ışın ve hava molekülleri arasındaki reaksiyon ürünleri olarak oluşanlardı. Ve aslında bugüne kadar pek spekülatif bulgulara ulaşılmadıysa da karanlık madde, manyetik monopoller ve yüksek enerjili nötrinoların olası kaynak noktalarının araştırılmasıyla ilgili gelişmeler yaşandı.
IceCube 30 misli büyük ve dolayısıyla da çok daha duyarlı olacağı için bilim adamları bu sorunları daha yakında çözebilmeyi umuyorlar.
AMANDA’nın 677 optik modülü, IceCube detektörüne monte edilecek. IceCube’de 60 ışık sensoru 17m aralıklarla bir kablo demetine yerleştirilirken, AMANDA’da sadece 20-24 sensor bulunmakta. Demetin içinde elektrik ve sinyal kabloları bulunmakta.
Işık sensorları fotonları tek tek algılayacak kadar hassas. Her ışık sinyali güçlendiriliyor, elektrik tepisine dönüştürülüyor ve bir optik modülde dijital bir sinyale çevrilmekte.
Kozmik ışın
Yüksek enerjili kozmik ışın, protonlardan, hafif ve ağır atom çekirdeklerinden oluşmakta. Evrenin derinliklerinden dünyamıza yansıyan ışın 1950’li yıllara dek temel parçacıkların araştırılmasında önemli bir rol oynuyordu. Parçacıkların birçoğu ki buna elektronun anti parçacığı pozitron da dahil kozmik ışında saptanmıştır. Ancak bu parçacıkların özellikleri, evrendeki parçacıkların rastlantısal olarak gelmesini beklemeden, parçacık hızlandırıcılarında gözlemlendiklerinde daha kesin bir şekilde incelenebilmiştir. Dünyadakinden çok daha hızlı olan kozmik hızlandırıcıların saptanabilmesi için galaktik manyetik alanlarca yönlendirilmeyen parçacıkların bulunması gerekmekte. Bu nedenle parçacıkların, elektriksel olarak nötr olması gerekiyor. Elektromanyetik ışının taşıyıcıları olan fotonlar bu özelliklere sahip, ama kozmik cisimleri çevreleyen madde birikimleri tarafından yutulmakta. Fotonlar bu yüzden boşluklarla dolu bir tablo sunuyorlar. Bu tablo, ancak kozmik hızlandırıcılarla oluşan nötrinoların incelenmesiyle tamamlanabilir. Bilim adamları nötrinoların evrendeki ilk gelişmeler hakkında bilgiler verdiğini sanıyorlar.
IceCube
Bir kilometreküp CUP şemasında gördüğünüz gibi, optik modülleri taşıyan kablonun sadece bir tanesi yer almakta. Bir kilometrekarelik bir alan olan IceTop, atmosferimizden yayılan yüksek enerjili kozmik ışından yansıyan genleşmiş hava akımını ölçmekte.
Buz içinde 21 mikrofon
Bunun için 4800 modülün kendi mini bilgisayarı ve çok dakik bir saati bulunmakta. Bununla fotonların geliş anını beş nano saniye doğruluk payıyla ölçülebilmekte. Dijitalleştirilmiş sinyaller daha sonra kilometrelerce uzunluktaki kabloyla istasyondaki merkezi veri toplama sistemine iletilmekte.
Bilim adamları, IceCube yardımıyla kozmik ışınların kökenini, nötrino kaynak noktalarının kanıtıyla kozmik hızlandırıcı için olası adaylar, karanlık madde ve manyetik monopollerin peşine düşecekler.
Anlaşıldığı üzere yüksek enerjili nötrino astrofiziğiyle evrene yeni bir pencere açılıyor ve araştırma projesinin en önemli soruları bunlar; fakat IceCub ile öte yandan gökyüzünün ilk nötrino haritası da çıkarılmaya çalışılacak.
Ne var ki bu hedef için dev IceCub teleskopu bile yeterli değil. Bilim adamları bu yüzden özel bir mikrofon geliştiriyorlar. Çünkü Nötrinolar ve atom çekirdekleri "patladıklarında" sadece flaş ışıkları değil aynı zamanda kurşun sesine benzer bir kısık bir patlama sesi oluşmakta.
Spats ("South Pole Acoustic Test Setup") dinleme projesi planlandığı gibi yürüyecek olursa, 21 mikrofon önümüzdeki Ocak ayında IceCube kameralarıyla birlikte buzun derinliğine indirilebilecek.
Çerenkov ışıması
ÇERENKOV IŞIMASI görüntüsü, IceCube teleskoplarından geçen Çerenkov ışımasının bir tasarımıdır. Çerenkov ışıması, nötrinoların ve buz moleküllerinin çarpışmasıyla oluşur ve bu şekilde oluşan partikül türü müon, nötrinolarla aynı yolu izlerler. Müonlar buzdan geçerken mavi ışık yayarlar. İşte bu ışıma Çerenkov radyasyonu olarak bilinmekte. IceCube teleskopunun küre biçimindeki optik sensorları, müonları ve nötrinoları saptayacaklar.
Parçacık kaynakları olarak kozmik hızlandırıcılar
100 TeV(Tera elektron volt) kadar enerji taşıyan parçacık kaynakları mesela pulsarlar olabilir. Pulsarlar içten genleşen bir süpernova kılıfıyla proton bombardımanına uğrayan hızlı dönen kompakt nötron yıldızlarıdır.
Bir nötron yıldızı ve normal bir yıldızdan oluşan çift sistemli yıldızlar da kozmik parçacık hızlandırıcısı olabilirler. Bu tür sistemlerde normal yıldızdaki madde yutulduktan sonra dev bir disk şeklinde nötron yıldızının etrafına savrulmakta.
Nötron yıldızlarının yakınındaki dev elektromanyetik alanlarda parçacıklar en yüksek enerjiyle hızlandırılmakta. Etkin galaksilerin kompakt çekirdeklerinde meydana gelen çevrimler çok daha kuvvetlidir. Bunların içinde veya bunlardan yansıyan dev Jet’lerde parçacıklar en yüksek enerjilerle hızlandırılabilmekte.
Karanlık madde
Bugüne değin elde edilen bulgulara göre kozmik maddenin büyük bir kısmının atomları, yıldızları, gezegenleri ve insanları oluşturan, protonlar, nötron ve elektronlardan meydana gelmediği tahmin edilmekte. Anlaşıldığı kadarıyla galaksiler görünmez bir karanlık madde denizinde yüzerken, karanlık madde sadece normal maddenin karşılıklı etkisiyle çok belli belirsiz ortaya çıkmakta.
Fakat bu gizemli maddenin önemli bölümü nötrinolardan daha ağır olmalı. Karanlık madde için tahmin edilen olası aday bu yüzden WIMPS (Weak Interacting Massive Particals) olarak adlandırılmakta. WIMPS’ler yoğun maddeleri nedeniyle büyük gökcisimlerinin kütle çekimleriyle yakalanabilir ve kütle çekiminin sıfır olduğu merkeze kadar savrulabilirler.
Dünyamızın merkezinde de bu şekilde yoğun bir WIMS topluluğu bir araya gelmiş ve normal madde arasında görünmek bir bulut olarak varlığını sürdürebiliyor olabilir. Bazen iki WIMPS çarpışarak aralarında nötrinoların da bulunduğu iki normal temel parçacık demeti olarak parçalanırlar. Eğer gerçekten de tahmin edilen özelliklerde WIMPS’ler bulunuyorsa, o zaman dünyanın merkezinde parçalanan nötrinoları izlemek gerekiyor. Ancak ayrıntılı incelemelere rağmen bugüne dek dünyanın merkezinden yansıyan nötrino akımına rastlanmadı.
Manyetik monopoller
Bir mıknatısı ikiye böldüğümüzde, biri kuzey kutuplu diğeri güney kutuplu iki parça elde edemeyiz. Çünkü bu durumda tamamen yeni mıknatıslar oluşur. Yani biz mıknatısı ne kadar bölersek bölelim her zaman çift kutuplu bir parça kalır elimizde. Elektrik yüklemeye karşın bugüne değin manyetik yükleme saptanamadı. Manyetik monopollerin araştırılması neredeyse tüm parçacık fizik deneylerinin standart prosedürü haline gelmiştir. Bilim adamları matematiksel olarak kanıtlanabildiği için teorik olarak monopollerin varlığına inanıyorlar.
KAYNAKLAR: www.icecube.wisc.edu, www.scienceticker.info.news, www.kworkquark.net, www.idw-online.de, www.zeuthen.desy.de, Spiegel 32/2005.
IceCube teleskopu, çarpışan galaksiler, uzaktaki kara delikler, kuavasarlar ve evrenimizin diğer dünyalarındaki fenomenler gibi muazzam olaylarda oluşan yüksek enerjili kozmik nötrinoları bulabilmek için Güney Kutbu’nun kristal berraklığındaki buzundan yararlanıyor.
Önemli ölçüde protonlardan oluşan kozmik ışınlar da olasılıkla bu tür gelişmeler sırasında üretilmekte. Fakat protonlar uzaydaki manyetik alanlar tarafından yönlendirildikleri için bilim adamları bugüne kadar kaynaklarını takip edemediler.
Kozmik nötrinolar ise buna karşın yıldızlar, galaksiler ve yıldızlar arası manyetik alanlar tarafından yutulmadan veya yönlendirilmeden uzayda milyarlarca ışık yılını geride bırakabiliyorlar.
Bu özelliklerinden dolayı bilim adamları, evrenin ilk dönemlerine ve muazzam olaylarla ilgili eşsiz bilgiler edinebilmeyi umuyorlar. Ama tam da bu "hayali durumları" nötrinoların kanıtlanmasını iyice zorlaştırmakta.
Bunlardan sadece bazılarının izlenebilmesi için bile yüzeyin derinliklerinde kurulan dev detektörler gerekmekte. Çünkü ancak bu şekilde ışık veya normal kozmik ışınlardan etkilenmiyorlar.
En büyük teleskop
Bir kilometreküplük bir alanda, yaklaşık olarak 1400-2400m derinliğe monte edilecek 4800 ışık sensoruyla, müonlar ve diğer yüklü parçacıklar kanıtlanmaya çalışılacak. Bunlar, yüksek enerjili nötrinoların ve buz moleküllerinin karşılıklı etkisiyle oluşmakta. IceCube, galaktik veya galaksi ötesi cisimlerdeki nötrinoları saptayacak en büyük parçacık detektörü olacak.
Güney Kutbu’nun konumu ileri teknoloji bir tesis için biraz tuhaf gelse de aslında önemli avantajlara sahip. Burada üç kilometre kadar derine inen buz son derece saydam ve Amundsen-Scott istasyonu gerekli altyapıyı sağlamakta.
Projenin temeli, 1997 yılından bu yana veriler toplayan AMANDA ("Antarctic Muon and Neutrino Detector Array") nötrino teleskopunun başarısıyla kazanılan cesaretle atıldı.
30 misli büyük
Çünkü AMANDA detektörüyle, bir nötrino detektörünün buzun içinde işleyebileceği kanıtlanmış oldu. Bilim adamları, yüksek enerjili nötrinoları, yönlerini ve enerjilerini kesin bir şekilde tasarlayabildiler.
Fakat bunlar yalnızca, dünya atmosferinde kozmik ışın ve hava molekülleri arasındaki reaksiyon ürünleri olarak oluşanlardı. Ve aslında bugüne kadar pek spekülatif bulgulara ulaşılmadıysa da karanlık madde, manyetik monopoller ve yüksek enerjili nötrinoların olası kaynak noktalarının araştırılmasıyla ilgili gelişmeler yaşandı.
IceCube 30 misli büyük ve dolayısıyla da çok daha duyarlı olacağı için bilim adamları bu sorunları daha yakında çözebilmeyi umuyorlar.
AMANDA’nın 677 optik modülü, IceCube detektörüne monte edilecek. IceCube’de 60 ışık sensoru 17m aralıklarla bir kablo demetine yerleştirilirken, AMANDA’da sadece 20-24 sensor bulunmakta. Demetin içinde elektrik ve sinyal kabloları bulunmakta.
Işık sensorları fotonları tek tek algılayacak kadar hassas. Her ışık sinyali güçlendiriliyor, elektrik tepisine dönüştürülüyor ve bir optik modülde dijital bir sinyale çevrilmekte.
Kozmik ışın
Yüksek enerjili kozmik ışın, protonlardan, hafif ve ağır atom çekirdeklerinden oluşmakta. Evrenin derinliklerinden dünyamıza yansıyan ışın 1950’li yıllara dek temel parçacıkların araştırılmasında önemli bir rol oynuyordu. Parçacıkların birçoğu ki buna elektronun anti parçacığı pozitron da dahil kozmik ışında saptanmıştır. Ancak bu parçacıkların özellikleri, evrendeki parçacıkların rastlantısal olarak gelmesini beklemeden, parçacık hızlandırıcılarında gözlemlendiklerinde daha kesin bir şekilde incelenebilmiştir. Dünyadakinden çok daha hızlı olan kozmik hızlandırıcıların saptanabilmesi için galaktik manyetik alanlarca yönlendirilmeyen parçacıkların bulunması gerekmekte. Bu nedenle parçacıkların, elektriksel olarak nötr olması gerekiyor. Elektromanyetik ışının taşıyıcıları olan fotonlar bu özelliklere sahip, ama kozmik cisimleri çevreleyen madde birikimleri tarafından yutulmakta. Fotonlar bu yüzden boşluklarla dolu bir tablo sunuyorlar. Bu tablo, ancak kozmik hızlandırıcılarla oluşan nötrinoların incelenmesiyle tamamlanabilir. Bilim adamları nötrinoların evrendeki ilk gelişmeler hakkında bilgiler verdiğini sanıyorlar.
IceCube
Bir kilometreküp CUP şemasında gördüğünüz gibi, optik modülleri taşıyan kablonun sadece bir tanesi yer almakta. Bir kilometrekarelik bir alan olan IceTop, atmosferimizden yayılan yüksek enerjili kozmik ışından yansıyan genleşmiş hava akımını ölçmekte.
Buz içinde 21 mikrofon
Bunun için 4800 modülün kendi mini bilgisayarı ve çok dakik bir saati bulunmakta. Bununla fotonların geliş anını beş nano saniye doğruluk payıyla ölçülebilmekte. Dijitalleştirilmiş sinyaller daha sonra kilometrelerce uzunluktaki kabloyla istasyondaki merkezi veri toplama sistemine iletilmekte.
Bilim adamları, IceCube yardımıyla kozmik ışınların kökenini, nötrino kaynak noktalarının kanıtıyla kozmik hızlandırıcı için olası adaylar, karanlık madde ve manyetik monopollerin peşine düşecekler.
Anlaşıldığı üzere yüksek enerjili nötrino astrofiziğiyle evrene yeni bir pencere açılıyor ve araştırma projesinin en önemli soruları bunlar; fakat IceCub ile öte yandan gökyüzünün ilk nötrino haritası da çıkarılmaya çalışılacak.
Ne var ki bu hedef için dev IceCub teleskopu bile yeterli değil. Bilim adamları bu yüzden özel bir mikrofon geliştiriyorlar. Çünkü Nötrinolar ve atom çekirdekleri "patladıklarında" sadece flaş ışıkları değil aynı zamanda kurşun sesine benzer bir kısık bir patlama sesi oluşmakta.
Spats ("South Pole Acoustic Test Setup") dinleme projesi planlandığı gibi yürüyecek olursa, 21 mikrofon önümüzdeki Ocak ayında IceCube kameralarıyla birlikte buzun derinliğine indirilebilecek.
Çerenkov ışıması
ÇERENKOV IŞIMASI görüntüsü, IceCube teleskoplarından geçen Çerenkov ışımasının bir tasarımıdır. Çerenkov ışıması, nötrinoların ve buz moleküllerinin çarpışmasıyla oluşur ve bu şekilde oluşan partikül türü müon, nötrinolarla aynı yolu izlerler. Müonlar buzdan geçerken mavi ışık yayarlar. İşte bu ışıma Çerenkov radyasyonu olarak bilinmekte. IceCube teleskopunun küre biçimindeki optik sensorları, müonları ve nötrinoları saptayacaklar.
Parçacık kaynakları olarak kozmik hızlandırıcılar
100 TeV(Tera elektron volt) kadar enerji taşıyan parçacık kaynakları mesela pulsarlar olabilir. Pulsarlar içten genleşen bir süpernova kılıfıyla proton bombardımanına uğrayan hızlı dönen kompakt nötron yıldızlarıdır.
Bir nötron yıldızı ve normal bir yıldızdan oluşan çift sistemli yıldızlar da kozmik parçacık hızlandırıcısı olabilirler. Bu tür sistemlerde normal yıldızdaki madde yutulduktan sonra dev bir disk şeklinde nötron yıldızının etrafına savrulmakta.
Nötron yıldızlarının yakınındaki dev elektromanyetik alanlarda parçacıklar en yüksek enerjiyle hızlandırılmakta. Etkin galaksilerin kompakt çekirdeklerinde meydana gelen çevrimler çok daha kuvvetlidir. Bunların içinde veya bunlardan yansıyan dev Jet’lerde parçacıklar en yüksek enerjilerle hızlandırılabilmekte.
Karanlık madde
Bugüne değin elde edilen bulgulara göre kozmik maddenin büyük bir kısmının atomları, yıldızları, gezegenleri ve insanları oluşturan, protonlar, nötron ve elektronlardan meydana gelmediği tahmin edilmekte. Anlaşıldığı kadarıyla galaksiler görünmez bir karanlık madde denizinde yüzerken, karanlık madde sadece normal maddenin karşılıklı etkisiyle çok belli belirsiz ortaya çıkmakta.
Fakat bu gizemli maddenin önemli bölümü nötrinolardan daha ağır olmalı. Karanlık madde için tahmin edilen olası aday bu yüzden WIMPS (Weak Interacting Massive Particals) olarak adlandırılmakta. WIMPS’ler yoğun maddeleri nedeniyle büyük gökcisimlerinin kütle çekimleriyle yakalanabilir ve kütle çekiminin sıfır olduğu merkeze kadar savrulabilirler.
Dünyamızın merkezinde de bu şekilde yoğun bir WIMS topluluğu bir araya gelmiş ve normal madde arasında görünmek bir bulut olarak varlığını sürdürebiliyor olabilir. Bazen iki WIMPS çarpışarak aralarında nötrinoların da bulunduğu iki normal temel parçacık demeti olarak parçalanırlar. Eğer gerçekten de tahmin edilen özelliklerde WIMPS’ler bulunuyorsa, o zaman dünyanın merkezinde parçalanan nötrinoları izlemek gerekiyor. Ancak ayrıntılı incelemelere rağmen bugüne dek dünyanın merkezinden yansıyan nötrino akımına rastlanmadı.
Manyetik monopoller
Bir mıknatısı ikiye böldüğümüzde, biri kuzey kutuplu diğeri güney kutuplu iki parça elde edemeyiz. Çünkü bu durumda tamamen yeni mıknatıslar oluşur. Yani biz mıknatısı ne kadar bölersek bölelim her zaman çift kutuplu bir parça kalır elimizde. Elektrik yüklemeye karşın bugüne değin manyetik yükleme saptanamadı. Manyetik monopollerin araştırılması neredeyse tüm parçacık fizik deneylerinin standart prosedürü haline gelmiştir. Bilim adamları matematiksel olarak kanıtlanabildiği için teorik olarak monopollerin varlığına inanıyorlar.
KAYNAKLAR: www.icecube.wisc.edu, www.scienceticker.info.news, www.kworkquark.net, www.idw-online.de, www.zeuthen.desy.de, Spiegel 32/2005.