Güneş'ten Gelen Nötrinoların Üçte İkisi Nereye Kayboldu

Bölüm metni

Güneş her saniye avucunuzun içinden yüz milyarlarca hayalet parçacık geçiriyor; hiçbirini hissetmiyorsunuz. Bir kimyager bunları saymak için bir altın madeninin bir buçuk kilometre dibine 380 bin litre kuru temizleme sıvısı indirdi ve otuz yıl boyunca beklenenin üçte birini buldu. Hatalı olan onun tankı mıydı, Güneş'in modeli miydi — yoksa parçacığın kendisi mi yolda başka bir şeye dönüşüyordu?

Yeryüzünün 1478 metre altında, Amerika'nın Güney Dakota eyaletindeki Homestake altın madeninin, yani bundan sonra anacağımız adıyla Güney Dakota madeninin en dip galerilerinden birinde, devasa bir çelik tank duruyor. İçinde altın yok, cevher yok, ölçü aleti kalabalığı yok. İçinde 380 metreküp kuru temizleme sıvısı var. Yüzlerce ton perkloretilen, yani sıradan bir kuru temizlemecinin raflarında bulabileceğiniz sıvının 615 tonu, kayanın bir buçuk kilometre altına gömülmüş, karanlıkta öylece bekliyor. Bu tankı oraya koyduran adam bir kimyacı: Ray Davis. Ve beklediği şey, Güneş'in tam merkezinden gelen, hiçbir şeye çarpmadan Dünya'nın içinden geçip giden hayalet parçacıklar.

Bunun neden delilik olmadığını anlamak için önce Güneş'in içine bakmak gerekiyor. Güneş'in çekirdeğinde sıcaklık 15 milyon dereceye yakın; orada hidrojen çekirdekleri birleşip helyuma dönüşüyor ve bu dönüşümün her adımında enerji açığa çıkıyor. Ama o enerjinin taşıyıcısı olan ışık, çekirdekten yüzeye çıkmak için akıl almaz bir yolculuk yapıyor: sürekli soğuruluyor, yeniden salınıyor, zikzak çiziyor. Bir fotonun çekirdekten yüzeye ulaşması on binlerce yıl alıyor. Yani gökyüzünde gördüğümüz ışık, Güneş'in bugünkü hâlinin haberi değil; çok eski bir mektup. Oysa aynı tepkimelerde bir şey daha üretiliyor: nötrino. Nötrino maddeyle neredeyse hiç etkileşmiyor. Güneş'in tüm gövdesini iki saniyede yarıp çıkıyor, 8 dakika sonra burada oluyor. Şu anda başparmağınızın tırnağı kadar bir alandan, her saniye yaklaşık 65 milyar Güneş nötrinosu geçiyor. Hiçbirini hissetmiyorsunuz. İşte tam da bu yüzden nötrino, bir yıldızın çekirdeğine bakabileceğimiz tek gerçek pencere.

Ama aynı özellik, onu ölçmeyi bir kâbusa çeviriyor. Ortalama bir nötrinoyu durdurmak için önüne bir ışık yılı kalınlığında kurşun koymanız gerekir. Elinizde ışık yılı yoksa, tek çareniz hedefi büyütmek ve gürültüyü susturmaktır. Gürültü, yani yukarıdan yağan kozmik ışınlar. Bir buçuk kilometre kaya, o yağmuru neredeyse tamamen kesiyor; nötrinolar için ise kaya yok hükmünde. Davis'in tankının madende olmasının sebebi bu.

Tankın içinde olması beklenen şey şuydu: klor-37 çekirdeğine bir elektron nötrinosu çarptığında, çekirdek argon-37'ye dönüşüyor ve bir elektron fırlıyor. Yani sıvının içinde, bir yerlerde, tek bir klor atomu sessizce argona dönüşüyor. Sayıların ölçeğini bir düşünün: tankta 10 üzeri 30 mertebesinde klor atomu var ve Davis'in aradığı, bunların arasında günde bir avuç argon atomu. Bunu bulmak için yaptığı şey, deneyin kendisi kadar çılgın: her birkaç haftada bir tanka helyum gazı üfletip sıvının içindeki bir tutam argon atomunu süpürerek dışarı çıkarıyor, topladığı o birkaç düzine atomu minik bir sayaca hapsediyor ve argonun yeniden kloru dönüşürken çıkardığı cılız sinyalleri haftalarca dinliyordu. Yeryüzündeki en hassas atom avı buydu: bir yüzme havuzunun içinden, sayısı bir elin parmaklarını geçmeyen atomları isim isim toplamak.

Öte yanda bir başka adam vardı: John Bahcall. O da nötrinoları sayıyordu, ama kâğıt üzerinde. Güneş'in içindeki tepkimeleri, yoğunluğu, sıcaklığı, elementlerin oranlarını birleştirip Standart Güneş Modeli denen hesabı kurmuştu ve bu model, Davis'in tankında günde kaç argon atomu belirmesi gerektiğini söylüyordu. İki adam, ikisi de kendi alanının en titiz insanları, aynı sayıyı iki ayrı yoldan kovalıyordu.

Sonuç 1968'de geldi ve kimsenin beklediği gibi çıkmadı. Davis'in tankı, olması gereken argonun yaklaşık üçte birini veriyordu. Günde ortalama yarım atom civarı. Nötrinoların üçte ikisi yoktu. Kaybolmuşlardı.

Bir sonucun yanlış olma ihtimali üç yerde durur: ölçen alette, hesapta ya da doğanın kendisinde. Sonraki otuz yıl, bu üç ihtimali tek tek elemekle geçti ve bu süre boyunca fizik camiasının büyük kısmının aklındaki cevap açıktı: kesin deneyde bir hata vardır. Kuru temizleme sıvısından atom saymak, sağlam bir sonuca temel olamayacak kadar kırılgan görünüyordu. Davis tankı işletmeye devam etti. Ve devam etti. Verisini yıllar içinde kalınlaştırdıkça eksik daha da netleşti, kaybolmadı. Aynı sırada Bahcall da kendi hesabını defalarca yeniden kurdu, girdileri güncelledi, belirsizlik paylarını daralttı. Açık kapanmıyordu.

Sonra Güneş'in içini bağımsız bir yoldan sınama imkânı doğdu. Güneş'in yüzeyi bir çan gibi titreşiyor; bu titreşimlerin desenini okuyarak, ses dalgalarının Güneş'in derinliklerinde hangi hızla yol aldığını çıkarabilirsiniz. Bu yöntem, Bahcall'ın modelinin öngördüğü iç yapıyla şaşırtıcı bir hassasiyetle uyuştu. Hesabın doğru olduğunun en güçlü işareti buydu. Üstelik modeli kurtarmak için önerilen "belki Güneş'in çekirdeği sanıldığından biraz soğuktur" çıkışının bedeli çok ağırdı: Davis'in yakaladığı türden yüksek enerjili nötrinoların sayısı sıcaklığa kabaca 25. kuvvet mertebesinde bağlı. Eksiği açıklayacak kadar soğuk bir çekirdek, Güneş'i tanınmaz hâle getiriyordu.

Sonra deneyler çoğaldı. Japonya'da devasa bir su tankıyla çalışan Kamiokande dedektörü, yani Japon deneyi, nötrinoları gerçek zamanlı yakalıyor ve üstelik geldikleri yönü gösterebiliyordu; verisi Güneş'i açıkça işaret etti, ama sayı yine eksikti. Avrupa'nın ve Rusya'nın galyum kullanan deneyleri, yani galyum deneyleri, farklı bir enerji aralığına, Güneş'in ana füzyon zincirinin en temel adımından gelen düşük enerjili nötrinolara duyarlıydı. O nötrinolar tartışmasız var olmak zorundaydı; Güneş parlıyorsa onlar üretiliyordu. Galyum deneyleri de eksik saydı. Artık tek bir tuhaf aletin tek bir enerji penceresindeki kaprisinden söz edilemezdi. Eksiklik gerçekti ve her yerdeydi.

Geriye tek bir şüpheli kalıyordu: nötrinonun kendisi.

Bruno Pontecorvo yıllar önce aykırı bir fikir ortaya atmıştı. Nötrinonun tek bir türü yok; elektron, müon ve tau olmak üzere üç ayrı çeşidi var. Peki ya nötrino yol boyunca çeşit değiştiriyorsa? Güneş'ten elektron nötrinosu olarak çıkıp, Dünya'ya varana kadar bir kısmı müon ya da tau nötrinosuna dönüşüyorsa? Davis'in klor tankı yalnızca elektron nötrinosunu görebiliyordu. Diğer ikisi onun için görünmezdi. O hâlde nötrinolar kaybolmuyor, kılık değiştiriyordu.

Bu fikri kanıtlamanın tek dürüst yolu vardı: öyle bir dedektör kurmak ki, hem yalnız elektron nötrinolarını sayabilsin, hem de üç çeşidi birden, hiç ayrım yapmadan sayabilsin. İki ölçüm, iki bilinmeyen. Eğer üç çeşidin toplamı Bahcall'ın öngördüğü sayıyı tutuyor ama elektron payı onun üçte biri çıkıyorsa, tartışma biterdi.

Bu dedektör Kanada'da kuruldu. Ontario eyaletinde, Sudbury kentinin yakınındaki Creighton madeninin, yani Sudbury madeninin 2092 metre derinliğinde, Sudbury Nötrino Gözlemevi. Kalbinde 12 metre çapında, şeffaf akrilikten bir küre vardı ve o kürenin içinde sıradan su değil, 1000 ton ağır su bulunuyordu. Ağır su dünyanın en pahalı sıvılarından biridir; bu miktarı satın almak imkânsızdı, Kanada'nın atom enerjisi kurumundan ödünç alındı. Kürenin çevresini, karanlıkta tek bir foton kıpırtısını yakalamak üzere dizilmiş 9456 ışık algılayıcı sarıyordu. Maden işçilerinin çizmelerindeki tozun bile içeri girmemesi için deney, yeraltında temiz oda disipliniyle işletiliyordu; çünkü sıradan kayadaki doğal radyoaktiflik, aranan sinyali boğmaya fazlasıyla yeterdi.

Ağır suyun sırrı, içindeki döteryum çekirdeğiydi. Bir elektron nötrinosu döteryuma çarptığında onu parçalayıp bir elektron fırlatıyordu; bu tepkime yalnız elektron nötrinolarına açıktı. Ama herhangi bir çeşitten nötrino, döteryumu tamamen farklı bir biçimde, çekirdeği ikiye ayırarak da sarsabiliyordu; bu ikinci yol üç çeşide de eşit derecede duyarlıydı. Aynı tank, aynı anda hem tek bir çeşidi hem de toplamı sayıyordu.

Cevap 2001'de görünmeye başladı, 2002'de tamamlandı. Üç çeşidin toplamı, Bahcall'ın onlarca yıl önce hesapladığı sayıyla uyuşuyordu. Elektron nötrinolarının payı ise o toplamın kabaca üçte biriydi. Ne Davis'in tankı yanılmıştı, ne Bahcall'ın kalemi. Nötrinolar yolda kimlik değiştirmişti.

Bu sonucun ağırlığı, Güneş'le ilgili bir muhasebe açığını kapatmasından çok daha fazlasıydı ve sebebi şu: bir parçacığın yol boyunca çeşit değiştirebilmesi, kütlesi olmadan mümkün değildir.

Kabaca şöyle düşünebilirsiniz. Elektron, müon ve tau nötrinoları aslında birer "saf" parçacık değil, farklı kütlelere sahip üç temel hâlin karışımıdır. Bu hâller uzayda ilerlerken kütleleri farklı olduğu için birbirinden hafifçe farklı ritimlerde salınır. Tıpkı birbirine çok yakın ama tam aynı olmayan iki notayı birlikte çalarsanız duyduğunuz sesin yavaşça gidip gelmesi gibi, karışımın dengesi de yol boyunca kayar. Parçacık yola elektron nötrinosu olarak çıkar, bir süre sonra müon ya da tau nötrinosu olma olasılığı yükselir. Ama bu ritim farkının var olabilmesi için kütlelerin farklı olması, farklı olabilmesi için de en az birinin sıfırdan büyük olması gerekir. Kütlesiz parçacıklar için saat işlemez; ışık hızında giden bir şeyin hikâyesinde "yol boyunca değişmek" diye bir şey olamaz.

Standart Model'de ise nötrino kütlesizdir. Bu, dikkatsizlikten atlanmış bir ayrıntı değil, modelin mimarisine baştan yazılmış bir tercihtir; nötrinoya kütle vermek için gereken bileşen teoride hiç yer almaz. Dolayısıyla Sudbury Nötrino Gözlemevi'nin ölçtüğü şey, parçacık fiziğinin en başarılı kuramının laboratuvarda açılmış ilk kesin çatlağıydı. Standart Model bugüne kadar sınandığı hemen her yerde şaşırtıcı bir isabetle doğrulandı; eksik olduğunu biliyorduk ama nereden çatlayacağını bilmiyorduk. Çatlak, en umulmadık yerden, kuru temizleme sıvısıyla başlayan bir sayım tutarsızlığından geldi.

Hikâyenin ince bir ayrıntısı da yerine oturdu. Nötrinolar boş uzayda kendiliğinden çeşit değiştirir, ama yoğun madde içinden geçerken bu dönüşüm kuvvetlenebilir. Güneş'in çekirdeği, elektronla tıka basa dolu bir ortamdır ve orada doğan yüksek enerjili nötrinolar dışarı çıkarken tam da bu kuvvetlendirmeye uğrar. Eksikliğin neden enerjiye göre değiştiği, Davis'in penceresinde neden üçte iki kayıp görülürken düşük enerjili nötrinolarda oranın daha ılımlı olduğu böylece açıklandı. Aynı yıllarda Japonya'da, nükleer reaktörlerden çıkan anti-nötrinoların da yol boyunca kaybolduğu ölçüldü; Güneş'e hiç bakmadan, tamamen yeryüzü kaynaklı bir düzenekle aynı olgu doğrulandı.

Ödüller geldi. 2002 Nobel Fizik Ödülü'nün nötrino payı Ray Davis ile Masatoshi Koshiba'ya verildi. 2015'te ödül, nötrinoların kütlesi olduğunu gösteren salınım keşfi için Takaaki Kajita ile Arthur McDonald'a gitti. John Bahcall, otuz yıl boyunca kendi hesabını savunup her seferinde sınanmaya açan adam, 2005'te öldü ve adı hiçbir Nobel diplomasına yazılmadı.

Bugün bildiğimiz şey şu: nötrinonun kütlesi var ve inanılmaz derecede küçük. Salınım ölçümleri kütlelerin kendisini değil, kareleri arasındaki farkı veriyor; o farklardan yola çıkarak söyleyebildiğimiz, en hafif olmayan nötrinonun bile elektrondan en az birkaç yüz bin kat hafif olduğu. Neden bu kadar hafif olduğunu bilmiyoruz. Üç kütlenin hangi sırayla dizildiğini henüz kesin bilmiyoruz. Nötrinonun kendi anti-parçacığı olup olmadığını bilmiyoruz. Ve nötrinoların madde ile anti-madde arasında ufak bir tercih gösterip göstermediği, hâlâ açık bir soru; eğer gösteriyorlarsa bu, evrende neden madde kalıp anti-maddenin yok olduğunu açıklamanın bir yolu olabilir. Bunun bir açıklama adayı olduğunu söylüyorum, kanıtlanmış bir cevap olduğunu değil; deneyler sürüyor.

Bir de şu var: bir zamanlar Güneş'i anlamak için kullanılmak istenen nötrino, artık kendi başına bir ölçü aleti. İtalya'da, Gran Sasso dağının içindeki yeraltı laboratuvarında çalışan Borexino deneyi, yani İtalyan deneyi, 2014'te Güneş'in ana füzyon zincirinin ilk adımından doğan en düşük enerjili nötrinoları doğrudan saydı. Yani Güneş'in şu anda, tam bu dakikada ürettiği enerjiyi, ışığını beklemeden ölçebildik. Aynı deney daha sonra, Güneş'te ikinci bir füzyon çevriminin de küçük bir katkı verdiğini gösteren nötrinoları yakaladı. Bir buçuk kilometre yeraltındaki kuru temizleme sıvısında eksik çıkan atomlar, sonunda bize hem yıldızların nasıl yandığını canlı canlı izleme yolunu, hem de parçacık fiziğinin bilinen sınırlarının ötesinde bir yerin var olduğunun ilk sağlam kanıtını verdi.

Nöron Bilim'de bugünkü bölümün sonuna geldik. Yeni bir hikâyede yeniden buluşmak üzere.