Avrupa’nın KM3NeT nötrino teleskobu, Akdeniz dalgalarının altında kozmik bir av peşinde. Geniş bir 3 boyutlu ızgara halinde düzenlenmiş, yükselen sensör dizileri deniz tabanına bir kilometre kadar uzanıyor.
Misyonu? Nötrino adı verilen hayaletimsi atom altı parçacıkları yakalamak için, evrende, hatta gezegenler ve yıldızlar arasında bile engellenmeden seyahat edebilen ve güneş sistemimizin çok ötesindeki olaylar hakkında ipuçları taşıyan haberciler.
13 Şubat 2023’ün erken saatlerinde KM3NeT şaşırtıcı bir şey tespit etti. Yoğun bir saf enerji parıltısı şimdiye kadar gözlemlenen en enerjik nötrinoyu işaret etti; önceki kayıtlardan 30 kat daha yüksek. Bilim insanları o günden bu yana bu maddenin nereden geldiğini bulmaya çalışıyor.
Nötrinoları neden kovalamalısınız?
Nötrinolar ilk olarak 1930’larda teorileştirildi ve onlarca yıl sonra tespit edildi. Bunlar evrende en bol bulunan parçacıklar arasındadır, fakat aynı zamanda yakalanması en zor olanlardır.
Her saniye milyarlarca nötrino vücudumuzdan iz bırakmadan geçiyor. Elektrik yükleri yok ve neredeyse hiç kütleleri yok (bir elektrondan en az bir milyon kat daha hafif) ve maddeyle nadiren etkileşime giriyorlar, bu da onları tespit etmeyi son derece zorlaştırıyor.
Onları fizikçiler için bu kadar büyüleyici kılan da işte bu hayaletimsi nitelikleridir.
KM3NeT altyapısının gelişimini destekleyen KM3NeT-INFRADEV2 adlı projeyi koordine eden Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi’nden Paschal Coyle, “Nötrinolar şu anda etraftaki en ilginç parçacıklar” dedi. “Onları çevreleyen pek çok gizem var. Bunlar temel parçacıklar arasında en az anlaşılanlardır.”
Nötrinolar evreni absorbe edilmeden geçebildikleri için bilimin bildiği en uç ortamlardan gelen saf bilgileri taşırlar: patlayan yıldızlar, kara delikler ve kozmik çarpışmalar.
Bunları incelemek evrenin nasıl çalıştığını ve hatta maddenin neden var olduğunu ortaya çıkarabilir.
Coyle, “Nötrinolar hayal edebileceğimiz hiçbir şeye en yakın şey değil, ama evrenin işleyişini tam olarak anlamanın anahtarıdır” dedi.
Hayalet avcıları
Bir nötrino sık sık atom çekirdeğine çarparak ikincil parçacıklardan oluşan bir yağmur yaratır. Buz veya su gibi yoğun, şeffaf materyallerde bu çarpışma, Çerenkov radyasyonu olarak bilinen soluk mavi bir ışık parlamasını açığa çıkarır. KM3NeT’in sensörleri bu sinyali yakalayacak şekilde tasarlanmıştır.
Bu yaklaşım Antarktika’daki IceCube ve Japonya’daki Super-Kamiokande gibi diğer nötrino gözlemevleri tarafından da paylaşılıyor. IceCube derin kutup buzlarını tararken, KM3NeT Akdeniz’in karanlık sularına bakıyor.
KM3NeT, Avrupa’nın amiral gemisi araştırma altyapılarından ve dünyanın en iddialı fizik projelerinden biridir. AB ve ulusal finansmanlı uluslararası bir konsorsiyum tarafından desteklenen tesis, iki ayrı kurulumdan oluşuyor.
Sicilya kıyılarında bulunan ARCA (Uçurumdaki Kozmiklerle Astropartikül Araştırması), derin uzaydan gelen yüksek enerjili nötrinoları izlemek için tasarlandı. Fransa’da Toulon yakınlarındaki ORCA (Uçurumdaki Kozmiklerle Salınım Araştırması), nötrino davranışına ve kütlesine odaklanıyor.
Her bir dizi, ultra hassas optik sensörler içeren, basketbol topu büyüklüğündeki cam kürelerin dikey çizgilerinden yapılmıştır. Bu çizgiler deniz tabanından su altı gökdelenleri gibi yükselerek karanlığa doğru bir kilometre uzanıyor. Halihazırda 1.000’den fazla modül mevcut olup, 2027 yılına kadar 6.000’i planlanmaktadır.
Teleskobun tasarlanmasına yardımcı olan Hollanda Ulusal Atomaltı Fizik Enstitüsü’nden kıdemli fizikçi Aart Heijboer, “Bu çok tuhaf parçacıkları yakalamak için denizin dibine bir dedektör inşa etmek çılgın bir fikir gibi göründü” dedi. “Bu benim hayal gücümü yakaladı.”
Tüm bu mühendislik tek bir amaç içindir: Bir nötrino sonunda kendini ortaya çıkardığında o nadir parlamaları bir anlığına görebilmek.
Rekor kıran bir sinyal
2023 yılında tespit edilen ve KM3-230213A olarak adlandırılan nötrino, 220 petaelektronvolt (PeV) değerinde bir enerji yükü kaydetti; bu, tek bir parçacık için olağanüstü derecede büyük bir rakam ve parçacık fiziğinde neredeyse akıl almaz bir rakam. Coyle, “Böyle bir olay bulmayı gerçekten beklemiyorduk” dedi. “Bir sürü simülasyonu yeniden yapmak zorunda kaldık.”
Nereden geldi? Bu büyük gizem olmaya devam ediyor.
Nötrinolar, güneşe güç veren nükleer reaksiyonlardan, patlayan yıldızlara (süpernovalar) ve diğer yüksek enerjili kozmik olaylara kadar çeşitli kaynaklar tarafından üretilir. Bir teori, en enerjik nötrinoların, süper kütleli kara deliklerinin enerji jetlerini doğrudan Dünya’ya fırlattığı aktif galaksiler olan blazarlardan kaynaklandığını öne sürüyor.
Diğer bir olasılık ise evren boyunca akan yüksek enerjili kozmik ışınların ışık fotonlarıyla çarpışarak nötrinoları oluşturmasıdır. Eğer KM3-230213A bu şekilde üretilmişse, kozmojenik nötrinoların beklenenden daha yaygın olduğu akla gelebilir.
Coyle, “Ya da biz şanslıydık” diye itiraf ediyor. “KM3NeT nadir, çok yüksek enerjili bir nötrinoyu şans eseri tespit etmeyi başarmış olabilir.”
Araştırmacılar kesin kökenini bulmak için hesaplamaları hassaslaştırıyorlar. Heijboer, “Önümüzdeki aylarda yönünü çok daha kesin bir şekilde ölçebileceğiz” dedi. “Eğer bir blazardan geliyorsa bu çok heyecan verici. Eğer kozmojenikse bu da heyecan verici.”
Maddenin doğasını araştırmak
ARCA, evrenin en güçlü parçacıklarının kaynağını ararken ORCA, nötrinoların uzayda yolculuk ederken üç farklı “tat” (elektron, müon ve tau) arasında nasıl kimlik değiştirdiğine veya salındığına odaklanıyor.
Bu salınımlar, maddenin temel parçacıklarını tanımlayan teori olan Standart Fizik Modelindeki eksik bir parça olan nötrino kütlelerinin düzenini ortaya çıkarabilir. Kütle sıralaması, üç nötrino kütle durumunun en hafiften en ağıra doğru sırasını ifade eder.
Bu neden önemli? Çünkü nötrinoları anlamak, neden hiçbir şey olmayacağına bir şeyin var olduğunu açıklayabilir.
13,7 milyar yıl önceki Büyük Patlama’dan sonra madde ve antimaddenin birbirini yok etmesi, geriye yalnızca boşluk bırakması gerekirdi. Ancak madde hayatta kaldı. Nötrinolar, özellikle de kendi antiparçacıkları olduklarını kanıtlarlarsa anahtarı elinde tutabilir; bilim adamlarının test etmeye istekli olduğu bir olasılık.
Coyle, “Bir nötrino ile anti-nötrino arasındaki farkı ölçmeye çalışan tüm deneyler kafa karıştırıyor çünkü kütle sıralamasının ne olduğunu bilmiyorlar” diye açıkladı. “Maddenin neden antimaddeden daha fazla olduğunu anlamak için önemli bir girdi.”
Avrupa’nın derin deniz avantajı
Avrupa, KM3NeT’i kurarak bu küresel bilimsel çabada öncü bir rol üstlendi.
Bu yatırım, KM3-230213A gibi tespitler ve teleskop genişledikçe daha fazla keşif yapılmasının beklenmesiyle şimdiden karşılığını veriyor.
Coyle, “Kütlelerini bilmiyoruz, kütle sıralamalarını bilmiyoruz, kendi antiparçacıkları olup olmadıklarını bilmiyoruz” dedi. “Yani nötrinolar şu anda oldukları yerde.”
Hala konuşlandırılacak binlerce sensörle KM3NeT, yalnızca Avrupa’nın temel araştırmalardaki rolünü güçlendirmekle kalmıyor, aynı zamanda doğadaki en zayıf sinyallerden bazılarını da dinliyor.
Akdeniz’in derinliklerindeki her bir ışık parıltısı, evrenin doğuşuyla ilgili bir mesaj, hatta neden hiçbir şey olmayacağına bir şeyin var olduğuna dair bir ipucu taşıyabilir.
