Bilim insanları Güneş'in gizemli nötrinolarını atomları değiştirirken gözlemledi

Yeraltının karanlık derinliklerinde, Kanada'daki SNOLAB nötrino gözlemevinde gerçekleştirilen çığır açan bir araştırma, Evren'in en gizemli parçacıklarından biri olan nötrinoların davranışını yeni bir perspektiften ortaya koymaktadır. Oxford Üniversitesi'nden Gulliver Milton liderliğindeki araştırma ekibi, 4 Mayıs 2022 ile 29 Haziran 2023 arasında toplanan veriler üzerinde çalışarak, güneş nötrinolarının karbon-13 çekirdeğiyle etkileşimini gözlemlemişlerdir. Bu nadir nötrino aracılı nükleer reaksiyonun ilk kez tespit edilmesi, bilim dünyasında önemli bir dönüm noktası olarak kabul edilmektedir.

SNOLAB'dan fizikçi Christine Kraus, bu keşfin önemini şu sözlerle açıklamaktadır: Yapılan deneyde sıvı sintillatör içindeki karbon-13'ün doğal bolluğundan yararlanılarak, belirli ve nadir bir etkileşim ölçülmüştür. Kraus'a göre, elde edilen sonuçlar karbon-13 çekirdekleri üzerindeki nötrino etkileşimlerinin bugüne kadarki en düşük enerjili gözlemini temsil etmektedir. Ayrıca, ortaya çıkan nitrojen-13 çekirdeğinin temel durumuna yönelik bu belirli nükleer reaksiyon için ilk doğrudan tesir kesiti ölçümünü sağlamıştır.

Nötrinolar: Evren'in en bol bulunan ancak en zor yakalanan parçacıkları

Nötrinolar, büyük ve geniş Evren'de en bol bulunan parçacıklar arasında yer almaktadırlar. Süpernova patlamaları ve yıldızların kalpleri içinde gerçekleşen atomik füzyon gibi enerjik koşullarda oluşan bu parçacıklar, hemen hemen her yerde bulunmaktadırlar. Ancak, elektrik yükleri olmadığı ve kütleleri neredeyse sıfır olduğu için, karşılaştıkları diğer parçacıklarla zar zor etkileşmektedirler. Şu anda yüz milyarlarca nötrino insan vücudundan geçmektedir, tıpkı hayaletler gibi öylece geçip gitmektedir. Bu nedenle bilim insanları tarafından sevgiyle hayalet parçacıklar olarak adlandırılmaktadırlar.

Ara sıra, bir nötrino gerçekten başka bir parçacığa çarpmaktadır. Bu çarpışma, sonsuz derecede soluk bir parıltı ve başka parçacıkların yağmuru üretmektedir. Ancak, kozmik ışınların ve arka plan radyasyonunun sinyali gizlediği Dünya'nın yüzeyinde nötrinoları tespit etmek oldukça zordur. Bu zorluk, bilim insanlarını daha etkili çözümler aramaya itmiştir.

Yeraltı dedektörleri: Nötrinoları yakalamak için tasarlanan teknoloji

En iyi nötrino dedektörlerinden bazıları, derin yeraltında konumlandırılmıştır. Burada, Dünya'nın kabuğunun kendisi bir radyasyon kalkanı görevi görmektedir. Bu derinliklerde, dev odalar fotodetektörlerle kaplanmış ve nadir nötrino etkileşimlerinin ürettiği küçük sinyalleri güçlendiren, tam ve sessiz karanlıkta çiçek açan bir sıvı sintillatörle doldurulmuştur. SNOLAB'ın SNO+ dedektörü, 2 kilometre derinliğinde faaliyet göstermektedir.

Güneş'in kalbinde dövülmüş nötrinolar sürekli olarak Dünya'dan geçmektedir. Bu nötrinoların enerjileri, onları çok daha enerjik ve çok daha az yaygın olan atmosferik ve astrofiziksel nötrinolardan ayırt etmeyi basit hale getirmektedir. SNOLAB'ın SNO+ dedektörünün 2 kilometre derinliğinde, bu enerji bandındaki neredeyse tüm olaylar güneş kökenlidir. Bu özellik, araştırmacılara güneş nötrinolarını diğer kaynaklardan ayırma imkanı vermektedir.

Karbon-13'ün nitrojen-13'e dönüşümü: Nötrino etkileşiminin mekanizması

Bir güneş elektron nötrinosu bir karbon-13 çekirdeğine çarptığında, çarpışma iki önemli şey gerçekleştirmektedir. Birincisi, atom çekirdeği nötrinoyu emerken negatif yüklü bir parçacık olan bir elektronun üretilmesidir. Karbon atomunun çekirdeğinin içinde 13 parçacık bulunmaktadır: altı pozitif yüklü proton ve yedi nötr nötron. Nötrino tarafından tetiklenen zayıf etkileşim, bu nötronlardan birini bir protona dönüştürerek bir elektron yayınmaktadır.

Proton sayısı altıdan yediye çıktığında, atom artık karbon değil, yedi protonu ve altı nötronu olan nitrojen-13'tür. Yaklaşık 10 dakika sonra, ortaya çıkan nitrojen-13 (yarı ömrü 10 dakika olan nitrojenin kararsız bir radyoaktif izotopu) bozunarak açıklayıcı bir anti-elektron veya pozitron yayınmaktadır. Baştan sona etkileşimin sonucu, gecikmeli uyum olarak bilinen ayırt edici iki aşamalı bir parıltıdır.