Evrenimizin çok erken dönemlerinde, kaynayan sıcak bir enerji kazanı iken, madde ve antimaddeden oluşan parçacıklar eşit oranlarda var olmaya başladı. Örneğin negatif yüklü elektronlar, antimadde kardeşleri olan pozitif yüklü pozitronlarla aynı sayıda yaratıldı. İki parçacık birleştiğinde birbirlerini iptal ettiler.
Milyarlarca yıl sonra dünyamız maddenin hakimiyetindedir. Bir şekilde mesele “kazandı” antimadde üzerinde, ancak bilim adamları hala nasıl olduğunu bilmiyorlar. Şimdi, cevap bulmaya çalışan en büyük deneylerden ikisi (nötrinolar adı verilen atom altı parçacıklara odaklanan projeler) güçlerini birleştirdi.
Yeni bir Doğa Deneyleri temsil eden uluslararası bir işbirliği olan ABD’deki NOvA ve Japonya’daki T2K, bu alandaki en hassas nötrino ölçümlerinden bazılarını sunuyor. İki ekip, herhangi bir deneyin tek başına öğrenebileceğinden daha fazlasını öğrenmek için verilerini birleştirmeye karar verdi.
“Bu iki çabayı bir araya getirerek nötrinoların nasıl çalıştığına dair yeni bilgiler elde edebiliriz.” Caltech’te fizik profesörü olan ve çalışmanın NOvA kısmını yöneten Ryan Patterson (BS) diyor.
Her iki projenin de amacı, düzenli nötrinoların ve antinötrinoların (onların antimadde muadilleri) birbirlerine göre asimetrik bir şekilde davranıp davranmadığını belirlemektir. Bu asimetri, evrenin erken dönemlerinde neden maddenin antimaddeye tercih edildiğini açıklayabilir. Yeni sonuçlar henüz durumun böyle olup olmadığını göstermiyor ancak mükemmel ölçümler bilim adamlarını gizemi anlamaya daha da yaklaştırıyor.
“Nötrino fiziği tuhaf bir alandır. Etkileri izole etmek çok zordur,” Michigan Eyalet Üniversitesi’nde profesör ve T2K’nın eş sözcüsü Kendall Mahn diyor.
Her iki deney de şu şekilde bilinir: “uzun temel çizgi,” bu da nötrinoları Dünya’nın kabuğu boyunca yüzlerce kilometre boyunca yolladıkları anlamına geliyor. NOvA, NuMI Eksen Dışı νe Görünüm deneyi, ABD Enerji Bakanlığı’nın Chicago yakınlarındaki Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki (Fermilab) kaynağından 810 kilometre uzaklıktaki bir nötrino ışınını Minnesota, Ash River’daki 14.000 tonluk bir nötrino dedektörüne gönderiyor.
T2K deneyinin nötrino ışını, Japonya’nın merkezindeki Tokai şehrinin 295 kilometre batısında Kamioka’ya gidiyor; dolayısıyla T2K adı da buradan geliyor. Tokai, Japonya Proton Hızlandırıcı Araştırma Kompleksi’ne (J-PARC) ev sahipliği yapar ve Kamioka, bir kilometre yeraltında bulunan devasa bir ultra saf su deposu olan Süper Kamiokande nötrino dedektörüne ev sahipliği yapar.
1998 yılında Super-Kamiokande, nötrinoların kütlesi olduğunu keşfetti; bu çığır açıcı bir bulguydu ve daha sonra iki kaşifine 2015 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırdı.
Ancak nötrinoların kütlesi olmasına rağmen son derece hafiftirler ve altımızdaki zemin gibi maddeler arasında engellenmeden dolaşabilme yetenekleri nedeniyle sıklıkla hayalet olarak anılırlar.
Üç çeşidi vardır: elektron nötrino, müon nötrino ve tau nötrino. Nötrinolar uzayda veya toprakta seyahat ederken tatları değiştirebilirler. Tatların çilek, çikolata ve vanilya gibi olduğunu düşünürseniz, bu, eve giderken çilekli dondurma külahınızın çikolataya dönüştüğünü bulmak gibi olacaktır.
Nötrino salınımı adı verilen olay, her bir tadın üç farklı kütlenin kuantum süperpozisyonu olduğu gerçeğiyle ilgilidir. “devletler,” her birinin kendine özgü kütlesi var. Nötrinolar yolculuk ettikçe, bu üç kütle durumunun her birinin göreceli oranları değişecek ve bu da onların lezzetini değiştirecektir.
Nötrino bilim adamlarının en büyük sorusu, düzenli nötrinoların ve antinötrinoların tatlarını farklı, asimetrik şekillerde değiştirip değiştirmediğidir. Eğer öyleyse, bu kayıp antimadde sorununun çözülmesine yardımcı olacaktır.
Nötrino salınımını incelemek için araştırmacılar, deneylerin kaynağında belirli bir aromanın nötrinolarını veya antinötrinolarını üretiyor ve ardından dedektörlere hangi aromaların ulaştığını ölçüyor. Örneğin NOvA durumunda bu, parçacıkların Fermilab’dan Minnesota’daki dedektöre gönderilmesi anlamına geliyor.
“Nötrinolarımız Dünya’nın kabuğunda seyahat ederken, parçacıkların kendilerindeki olası içsel asimetriye ek olarak yolda başka bir tür asimetriyi de yakalıyorlar. Evrenimizdeki antimadde eksikliğini açıklamaya yardımcı olabilecek şey bu içsel asimetridir.” Patterson diyor. “Her iki etki de bize nötrinolar hakkında yeni şeyler öğretiyor, ancak onları ayırmak çok önemli.”
Nötrino salınımını incelemenin zor yönlerinden biri, bilim adamlarının, nötrinoların her çeşidini oluşturan üç kütle durumunun gerçek kütlelerini bilmemeleridir. Çilek, çikolata ve vanilyalı dondurmanın farklı oranlarda üç benzersiz malzemeden oluştuğunu bilmek, ancak malzemelerin ne kadar ağır olduğunu bilmemek gibidir.
Bilim insanları aktif olarak üç kitlesel durumun göreceli sıralamasını çözmeye çalışıyor. Üç dondurma malzememiz söz konusu olduğunda bu, kütlelerinin birbirleriyle nasıl karşılaştırıldığını sormak gibidir. İki olası sipariş şeması vardır. Normal sıralama altında, kütle durumlarından ikisi nispeten hafif ve biri ağırdır; tersine çevrilmiş sıralamada ise iki ağır kütle durumu ve bir hafif bulunur.
“Sıralama sorusunu çözmek bu alandaki bir diğer merkezi hedeftir.” Patterson açıklıyor. “Atomaltı ölçekten kozmolojik ölçeğe kadar geniş bir yelpazedeki olaylara bağlanır.”
NOvA ve T2K’nın şu ana kadarki birleşik sonuçları, bir toplu sipariş senaryosunu diğerine tercih etmiyor. Bununla birlikte, gelecekteki sonuçlar nötrino kütle düzeninin tersine döndüğünü ve normal olmadığını gösterirse, NOvA’nın ve T2K’nin bugün yayınlanan sonuçları, nötrinoların şüpheli asimetriyi sergilediğini gösteren kanıtlar sağlıyor ve potansiyel olarak evrenin neden antimadde yerine maddenin hakimiyetinde olduğunu açıklıyor.
Gelecekte bilim insanları, NOvA ve T2K’dan daha fazla verinin yanı sıra, 2030’ların başında faaliyete geçtiğinde daha kesin ölçümler sağlayacak planlanan nötrino deneylerinden elde edilen verileri analiz edecek. Patterson liderliğindeki Caltech bilim adamları, Illinois ve Güney Dakota’da yapım aşamasında olan Fermilab tabanlı Derin Yeraltı Nötrino Deneyi’nin (DUNE) geliştirilmesine yardımcı oluyor.
1.300 kilometrelik daha uzun taban çizgisiyle DUNE, nötrino kütle düzenine karşı NOvA ve T2K’dan daha duyarlı olacak ve açıldıktan kısa bir süre sonra fizikçilere kesin bir cevap verebilir.
Japonya ayrıca Süper Kamiokande’nin devamı olan Hyper-Kamiokande adında yeni bir nötrino deneyi inşa ediyor ve Çin, Jiangmen Yeraltı Nötrino Gözlemevi adı verilen bir deney inşa ediyor.
