Michigan Eyalet Üniversitesi’nden bir araştırmacı, bilim adamlarını evrenin nasıl ortaya çıktığı konusuna yaklaştıran çığır açıcı bir çabaya liderlik etmeye yardımcı oldu.
İlk kez, dünyanın en büyük nötrino deneylerinden ikisi (Japonya’daki T2K ve Amerika Birleşik Devletleri’ndeki NOvA), evreni dolduran ancak herhangi bir şeyle nadiren etkileşime giren neredeyse görünmez parçacıklar olan nötrinoların incelenmesinde benzeri görülmemiş bir hassasiyet elde etmek için verilerini birleştirdi.
Yakın zamanda yayınlanan ortak analizleri doğaNötrinoların uzayda yolculuk ederken bir türden diğerine nasıl değiştiğinin en kesin ölçümünü sağlar. Bu dönüm noktası, evrenin evrimi konusundaki anlayışımızı derinleştirebilecek, hatta mevcut bilimsel teorilere meydan okuyabilecek gelecekteki araştırmaların yolunu açıyor.
Michigan Eyalet Üniversitesi’nde fizik ve astronomi profesörü ve T2K’nin eş sözcüsü Kendall Mahon, işbirliğinin koordine edilmesine yardımcı oldu. Ekipler, her iki deneyin güçlü yönlerini birleştirerek, tek başına başaramayacakları sonuçlara ulaştı.
Mahon, “Bu bizim alanımız için büyük bir galibiyetti” dedi. “Bu, bu deneyleri yapabileceğimizi, nötrinoları daha detaylı görebildiğimizi ve birlikte çalışarak başarılı olabileceğimizi gösteriyor.”
Madde neden her zaman var?
Fizikçilere göre erken evren eşit miktarda madde ve antimadde içermeliydi. Eğer durum böyle olsaydı ikisi de tamamen yok olurdu. Ancak sorun bir şekilde devam ediyor ve bunun için net bir nedenimiz yok.
Pek çok araştırmacı, cevabın, sürekli olarak içimizden geçen ancak nadiren etkileşime giren küçük parçacıklar olan nötrinoların tuhaf davranışlarında yatabileceğine inanıyor. Bu parçacıkların hareket ettikçe “tadını” değiştirdiği, nötrino salınımı adı verilen bir süreci anlamak, maddenin neden antimaddeyi yendiğini açıklamaya yardımcı olabilir.
Projede çalışan MSU doktora sonrası araştırmacısı Joseph Walsh, “Nötrinolar iyi anlaşılmadı” dedi. “Kütlelerinin çok küçük olması, çok sık etkileşime girmedikleri anlamına geliyor. Güneş’ten gelen yüz trilyonlarca nötrino her saniye vücudumuzun içinden geçiyor, ancak neredeyse tamamı doğrudan içinden geçecek. Onlara onları görmeleri ve incelemeleri için yeterli fırsatları vermek için yoğun kaynaklar yaratmamız veya çok büyük dedektörler kullanmamız gerekiyor.”
Test nasıl çalışır?
Hem T2K hem de NOvA, uzun temel testler olarak bilinir. Her biri, biri kaynağın yakınında, diğeri yüzlerce kilometre uzakta bulunan iki dedektöre odaklanmış bir nötrino ışını gönderir. Bilim insanları, her iki dedektörden gelen sonuçları karşılaştırarak nötrinonun yörüngesi boyunca nasıl değiştiğini takip edebiliyor.
Deneyler tasarım, güç ve mesafe açısından farklılık gösterdiğinden, verileri birleştirmek araştırmacılara daha eksiksiz bir resim sunuyor.
NOvA çalışanlarından Lyudmila Kolupaeva, “Ortak bir analiz gerçekleştirerek bireysel testlerden daha hassas ölçümler elde edebilirsiniz” dedi. “Genel bir kural olarak, yüksek enerji fiziği deneyleri, aynı bilimsel amaca sahip olsalar bile farklı tasarımlara sahiptir. Ortak analiz, bu tasarımların tamamlayıcı özelliklerinden faydalanmamızı sağlar.”
Nötrino kütlesi bulmacası
Çalışmanın ana odak noktası, hangi nötrino türünün en hafif olduğunu soran “nötrino kütle düzeni” adı verilen şeydir. Parçacıkları bir terazide tartmak kadar basit değil. Nötrinolar üç kütle durumunda bulunur ve her nötrino türü aslında bu durumların bir karışımıdır.
Bilim insanları, kütle dağılımının “normal” bir düzen mi (iki hafif ve bir ağır) yoksa “tersine” bir düzen mi (iki ağır ve bir hafif) izleyip izlemediğini belirlemeye çalışıyor. Normal durumda, müon nötrinolarının elektron nötrinoları olma olasılığı daha yüksektir, antimadde yoldaşlarının ise elektron nötrinoları olma olasılıkları daha düşüktür. Tersine çevrilmiş bir düzende bunun tersi meydana gelir.
Nötrinolar ve antimadde muadilleri arasındaki dengesizlik, bu parçacıkların yük paritesi (CP) simetrisi olarak bilinen bir prensibi ihlal ettiği anlamına gelebilir; bu da onların aynadaki zıtlarıyla tam olarak aynı şekilde davranmadıkları anlamına gelir. Bu ihlaller, maddenin evrene neden hakim olduğunu açıklayabilir.
Sonuçlar neyi gösteriyor?
Kombine NOvA ve T2K sonuçları hala kütle dizisini kesin olarak göstermemektedir. Gelecekteki çalışmalar normal diziyi doğrularsa, bilim adamlarının CP simetrisinin bozulup bozulmadığını açıklığa kavuşturmak için daha fazla veriye ihtiyacı olacak. Ancak ters çevrilmiş dizinin doğru olduğu ortaya çıkarsa, bu çalışma nötrinoların CP simetrisini ihlal edebileceğini ve maddenin neden var olduğuna dair güçlü bir ipucu sağlayabileceğini öne sürüyor.
Nötrinolar CP simetrisini ihlal etmeseydi fizikçiler maddenin varlığına ilişkin güçlü bir açıklamayı kaçıracaklardı.
Her ne kadar bu sonuçlar nötrinoların gizemini doğrudan çözmese de, bilim adamlarının bu bulunması zor parçacıklar hakkında bildiklerini genişletiyor ve fizikte uluslararası işbirliğinin gücünü gösteriyor.
NOvA işbirliği, sekiz ülkedeki 49 kurumdan 250’den fazla bilim insanı ve mühendisi içeriyor. T2K ekibi 15 ülkedeki 75 kurumdan 560’tan fazla üyeden oluşuyor. İki ekip, sekiz yıllık NOvA verilerini on yıllık T2K sonuçlarıyla birleştirerek bu analiz üzerinde 2019 yılında birlikte çalışmaya başladı. Her iki test de gelecekteki güncellemeler için yeni veriler toplamaya devam ediyor.
T2K ortağı Thomas Nosek, “Bu sonuçlar, nötrino fiziği, tespit teknolojisi ve analiz teknikleri konusunda birçok uzmanın dahil olduğu, farklı yöntemler ve araçlar kullanarak çok farklı ortamlarda çalışan iki benzersiz işbirliğinin işbirliği ve karşılıklı anlayışının sonucudur” dedi.