Nötrino Tespiti ve Yüksek Enerji: 220 PeV'lik enerjisiyle en yüksek enerjili nötrino tespiti

Bilim insanları, şimdiye kadar tespit edilen en yüksek enerjili nötrinoyu duyurdu

“Bu ultra yüksek enerjili nötrino ile evrenimizde yeni bir pencere açıyoruz.”

Standart modeldeki temel parçacıkların en gizemli olanı, nötrinolardır. Neredeyse ağırsızdırlar, ama tam olarak değil! Elektrik yükleri yoktur ve diğer parçacıklarla neredeyse hiç etkileşime girmezler. Hatta sabit bir kimlikleri bile yoktur; sürekli olarak üç farklı “tadı” arasında salınırlar. Şu anda bu satırları okurken, vücudunuzdan geçiyorlar güneş sürekli olarak devasa miktarlarda nötrino üretmektedir ancak onları tespit etmek oldukça zordur ve hala hakkında çok şey bilmemekteyiz.

“Nötrinolar çok gizemli parçacıklardır,” diyor bir grup bilim insanı tarafından yayımlanan dergide yayımlanan yeni bir makaleye göre, 2023 yılında Akdeniz’in derinliklerinde bulunan Kilometer Cubed Nötrino Teleskobu (KM3NeT) tarafından yüksek enerjili bir nötrinoyu tespit eden araştırmacılardan biri. Bilim insanları, bu nötrinonun yaklaşık 220 peta-elektronvolt (PeV) enerji taşıdığını hesapladılar, bu da şimdiye kadar gözlemlenen en yüksek enerjili nötrino olma özelliğini taşıyor. (220 PeV inanılmaz derecede yüksek bir enerjidir: karşılaştırmak gerekirse, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı parçacıkları 13,6 tera-elektronvolt maksimum enerjiyle çarpar ve bu nötrinonun enerjisinin yalnızca %0.006’sına denk gelir; bu da demektir ki, bu nötrino 16.000’den fazla LHC çarpışmasından gelen enerjiye sahiptir.)

Nötrino doğrudan gözlemlenmedi; bunun yerine varlığı, 13 Şubat 2023’te bir muon adlı başka bir parçacığın tespit edilmesiyle dolaylı olarak ortaya kondu. Bilim insanları, son iki yıl boyunca verileri incelediler ve muonun yolunu yeniden yapılandırarak, bu muonun bir madde parçacığı ile ultra yüksek enerjili bir nötrinonun etkileşimi sonucu oluştuğuna kanaat getirdiler.

Nötrinolar son derece kaçak oldukları için muonlar tespit edilmesi daha kolay ve daha iyi anlaşılan parçacıklardır. Genellikle elektronun daha ağır kuzeni olarak tanımlanırlar, çünkü bazı çok ince farklar hariç elektronla hemen hemen aynıdırlar. Ancak bir ana fark vardır: muonun kütlesi, elektronunkinden yaklaşık 200 kat daha büyüktür. Bu yüksek kütle, muonların kararsız olmasına neden olur ve ortalama olarak, iki mikro saniyeden daha kısa bir süre içinde daha hafif parçacıklara dönüşerek bozulurlar (bir mikro saniye bir milyonuncu saniyedir). Bu kısa ömür, muonların tespit edilmesini zorlaştırıyormuş gibi görünebilir, ancak görelilik etkileri, yüksek enerjili muonların bizlere daha uzun süre varmış gibi görünmesini sağlar. Zaman genişlemesi ve uzunluk daralması gibi görelilik etkileri, bir muonun ne kadar hızlı hareket ediyorsa, bizim referans çerçevemizde o kadar uzun süre bozulmadan varlığını sürdürmesine neden olur.

Dünyada tespit edilen çoğu muon, kozmik ışınlardan üretilir; bunlar, dünyamızın üst atmosferindeki parçacıklarla çarpışan yüksek enerjili parçacıklardır genellikle protonlar ve çarpışma sırasında egzotik, kısa ömürlü parçacıklar yağmuru oluştururlar. Bu şekilde üretilen muonlar, yeterince enerjiye sahip olup, bazıları dünyanın yüzeyine kadar ulaşabilir.

Ancak, KM3NeT dedektöründe 2023’te tespit edilen muon, bu tür kozmik ışın muonlarından biri olamazdı: kozmik ışın muonlarının aksine, bu muon yukarıdan gelmek yerine neredeyse yatay bir yörüngede hareket ediyordu. Makale, bu muonun KM3NeT’e ulaşabilmesi için deniz suyu ve katı kaya içinde yaklaşık 160 kilometre (100 mil) yol almış olması gerektiğini hesapladı bu mesafe, kozmik ışın etkileşimiyle üretilen bir muonun ulaşabileceği mesafeden çok daha büyüktür. Bu muonun bu mesafeyi bu yörüngede alabilmesi için gereken muazzam enerji, bilim insanlarını, bu muonun alışılmadık olduğunu fark etmeye yöneltti ve kökenlerinin de benzer şekilde sıradışı olabileceğini düşündürdü.

Peki, nereden geldi? Bu kadar küçük, hayaletimsi bir parçacığı bu kadar yüksek enerjiyle hareket ettiren şey ne olabilir? “Böylesine güçlü nötrinoları üretebilen tek şey, evrendeki en güçlü kaynaklardır,” diyor Dornic. “Aktif galaktik çekirdekler ve özellikle blazarlar, potansiyel kaynaklar arasında özellikle ilgi çekici.” Yıldız patlaması galaksilerinden gelen gama ışını patlamaları da birer aday olabilir.

“Aktif galaktik çekirdek” (AGC) terimi, bir galaksinin merkezindeki süper kütleli kara deliğin madde tüketiyor olduğu yeri ifade eder. İçeri düşen materyal, bir akresyon diski oluşturur ve bu diskin kutuplarından fırlatılan bazı materyaller, son derece yüksek hızlarda jetler şeklinde dışarıya çıkar. Dornic, blazarların özel bir özelliğe sahip olduğunu açıklıyor: “Blazarlar, jetin Dünya’ya doğru yönelmesiyle tanınır.” Bu da, bu yüksek enerjili maddelerin belki de 2023’te Dünya’ya doğru hızla hareket eden bu nötrino doğrudan bize doğru fırlatıldığı anlamına gelir.

Dornic, bu ultra yüksek enerjili nötrinoların kökenleri hakkında daha fazla araştırma yapılması gerektiğini belirtse de, Nature dergisinde yayımlanan bu nötrino tespiti, astronomi açısından önemli bir dönüm noktası olarak kabul ediliyor: Nötrinolar evrendeki en felaketzede kaynakların kalbini incelemek için kullanılabilir. Bunlar gerçekten dev canavarlardır ve süper kütleli kara deliklerin faaliyetleriyle ilişkilidirler. Bu ultra yüksek enerjili nötrino ile evrenimizde yeni bir pencere açıyoruz. Bu, bazı heyecan verici gelecekteki sonuçların ilk taşını oluşturuyor.”