Dünyamızın gelişmiş birçok yerinde parçacık hızlandırıcı bulunuyor ama her yerde aynı projeler yürütülmüyor. Biz Fermilab’tan gelen 2024 yılı bilgilerine göz atıyoruz bu yazımızda.

Fermilab, ABD'nin orta batısında, yer altının derinliklerinde, atom altı maddeleri incelemek için gelişmiş parçacık teknolojilerinden faydalanan projeler yürütüldüğü devasa bir tesis. Yer altındaki bu tesiste her saniye neredeyse ışık hızında, güçlü parçacık darbeleri bir eyaletten diğerine gönderiliyor. Neden mi? Neden var olduğumuzu anlamak için!

Illinois eyaletinin Chicago şehri yakınlarındaki Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı (kısaca Fermilab), yüksek enerjili parçacık fiziği alanında ABD'nin en önemli laboratuvarı. Faaliyetlerine 15 Haziran 1967'de başladı ve ABD Enerji Bakanlığı tarafından yönetilen 17 ulusal laboratuvardan biri. Buradaki ekip, nötrino adı verilen gizemli parçacıkları bulma ve inceleme görevinde.

Yakın zamana kadar kütlesiz olduğu tahmin edilen nötrinoların artık çok az da olsa kütleli oldukları tespit edildi. Kütleleri görece daha az olan nötrinoların elektrik yükleri bulunmuyor. Elektrik yükünün olmaması dışında elektrona veya protona benzerler. Onları göremez, hissedemez, duyamaz ve koklayamayız ama bu nötrinoların etrafımızda olduğu gerçeğini değiştirmiyor. Üstelik her saniye vücudunuzun içinden yaklaşık 100.000 milyar nötrino geçiyor.

Maddenin kökenine ilişkin bilgimizi arttırabilmek için nötrinoların taşıdığı gizemlerin çözülmesi gerekiyor. Nötrinolar çıplak gözle görülemese de bilim insanlarınca evrenin işleyişi konusunda hayati öneme sahip olduğu düşünülüyor. Büyük Patlama'dan kısa bir süre sonra evrendeki madde ve antimadde (maddeyle aynı kütleye ama zıt elektrik yüküne sahip parçacık) miktarının eşit olduğu düşünülüyor. Ancak her ne olduysa daha sonra madde, anti maddeden çok daha bol hâle geldi. Bu sayede atomlar, yıldızlar, gezegenler ve insanlar oluşabildi.

Fermilab'daki parçacık hızlandırıcılar hem nötrinoları hem de onların anti madde karşılığı olan anti nötrinoları fırlatabiliyor. Dolayısıyla, nötrinolarla anti nötrinoların davranışları arasında bir fark bulunması, evrenin anti madde olmadan nasıl geliştiğini açıklamaya yardımcı olabilir.

Nötrinolar Güneş'teki devasa nükleer reaksiyonlarda ve yıldızlar süpernovaya dönüştüğünde doğal bir şekilde oluşuyor, ancak nükleer enerji santrallerinde ve parçacık hızlandırıcılarda da üretilebiliyorlar. Bu nadir parçacıkları analiz etmek için Fermilab'da çeşitli projeler tasarlandı. Bunların ilki 1990'ların sonunda gerçekleşen DONUT deneyiydi. Onu 2005 yılında MINOS izledi. 2014'te başlayan NOvA deneyi ise çıtayı yükseltti. NOvA, tüm zamanların en büyük deneylerinden biri.

NOvA'da kullanılan parçacık hızlandırıcı, 800 km uzaklıktaki Ash River bölgesinde (Minnesota eyaletinde) kurulmuş bir dedektöre bir proton demeti fırlatıyor. Parçacıklar doğrudan Dünya'nın içinden geçtikleri için herhangi bir tünel inşa edilmesi gerekiyor. Bu 14.000 tonluk dedektörün içindeki ışık ileten fiberler, diğer parçacıklarla çarpışan nötrinolardan gelen enerjiyi kaydediyor. Fiberlerin yanı sıra 344.000 yansıtıcı plastik hücre var.

NOvA, nötrinoların nasıl değiştiğini analiz ediyor.

Bu hücreler, parçacıklar temas ettiğinde ışıldayan 11 milyon litre berrak sıvıyla dolu. Tesiste, makineleri optimum çalışma sıcaklığı olan -15 derecede tutmak için kriyojenik teknoloji kullanılıyor. Dedektör o kadar büyük ki onu oluşturan 200 tonluk 28 bloku taşımak için özel bir taşıma makinesi gerekiyor.

NOvA, nötrinoların nasıl değiştiğini, yani farklı türlere nasıl "salınım" yaptığını analiz ediyor. Nötrinolar neredeyse hiç iz bırakmıyor ve birbirleriyle ya da diğer parçacıklarla nadiren etkileşime giriyor.

Parçacık hızlandırıcının fırlattığı protonlar Ash River'daki hedefe çok yüksek enerjilerle çarpıyor. Bu da kısa ömürlü parçacıklar yaratıyor ve bu parçacıklar bozunup nötrinoları oluşturuyor. Diğer parçacıklarla çarpışan nötrinoların etkileşimlerinin izleri bir dedektörle tespit ediliyor. Bilim insanları nötrinoların ne yaptığını ve nasıl hareket ettiğini anlamak için işte bu izleri analiz ediyor.

Fizikçilerin yaptığı en önemli keşiflerden biri, farklı nötrino türlerinin olduğunu anlamalarıydı. Bu türler, nötrinonun çarpıştığı elektrik yüklü parçacığın adıyla anılıyor. Nötrinolar, lepton parçacık ailesi üyesidir ve üç türü bulunuyor: müon nötrinoları, elektron nötrinoları ve tau nötrinoları.

Örneğin, bir nötrino bir elektrona çarptığında elektron nötrinosu üretiliyor. Nötrinolar ışın demetinden geçerken sık sık tür değiştiriyor. Müon nötrinosu olarak başlayan nötrinolar sıklıkla elektron ve tau nötrinolarına salınıyor. Nötrino salınımını, marketten aldığınız meyvenin siz eve varmadan sebzeye dönüşmesine veya bu derginin kitaba dönüşmesine benzetebiliriz.

Böyle bir şeyin neden yaşandığını çözmemiz, nötrinoların doğasını anlamak için önemli bir adım olacak.

NOvA deneyi 8 ülkeden 49 kuruluşun katılımıyla devam ediyor. Bunlar arasında Türkiye'den Erciyes Üniversitesi de var. Ancak ileride NOvA'nın yerini DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment: Derin Yeraltı Nötrino Deneyi) projesinin alması bekleniyor.

DUNE üzerindeki çalışmalar Temmuz 2017'de başladı. Proje, ABD'de gerçekleştirilecek en büyük uluslararası bilim deneyi olacak. DUNE, Güney Dakota eyaletinin Lead şehrindeki Sanford Yeraltı Araştırma Tesisine 1.300 km öteden parçacık gönderecek ve bu da dünyanın en güçlü parçacık ışını olacak. Işına ev sahipliği yapacak olan Uzun Bazlı Nötrino Tesisinin (LBNF) kazı çalışmaları 2017'de başladı.

Projenin ilk evresinin 2032'de faaliyete geçmesi planlanıyor.

DUNE'un ilk evresi için önce Fermilab'daki Proton İyileştirme Planı II'nin (PIP II) tamamlanması gerekiyor. Bu plan, Fermilab'ın hızlandırıcılarında önemli geliştirmeler yapacak. Böylece hızlandırıcılar eskisinden %60 daha güçlü bir proton ışını üretebilecek. Yeni mekanizma, elektrik direnci olmayan süper iletken malzemelerden yapılacak; böylece daha düşük maliyetle daha fazla güç elde edilecek ve eskisinden daha fazla nötrino üretilebilecek. PIP II'nin 2028'de tamamlanması hedefleniyor. DUNE ayrıca -185 derecede çalışan ve sıvılaştırılmış argon kullanan daha hassas dedektörlere sahip olacak.

Yani Fermilab'daki fizikçiler önümüzdeki dönemde de nötrinolar üzerinde çalışmaya devam edecek. Nötrinolar evrende büyük mesafeleri hızla kat ediliyor çünkü onlara müdahale çok az parçacık var. Yerlerini tespit etmek çok zor olduğu için nötrinolar doğanın henüz bilmediğimiz yönlerini ortaya çıkarabilir ve belki de evrenin neden maddeden oluştuğunu açıklayabilir. Nötrinoların harika özelliklerini daha yeni anlamaya başlıyoruz.

Levent Aslan

23 Şubat 2025