Daha Önce Hiç Görülmemiş Bir Radyoaktif Bozulma, Bize Nötrinolar Hakkında Ne Söyleyebilir?

Bill Fairbank hiçbir şeyi arıyor…

Colorado State Üniversitesi’ndeki fizik profesörü, nötrinolar olarak bilinen temel madde parçacıklar ve -nötrinoların yakınlarda bulunup  ya da bulunmadığı- oldukça nadir bir radyoaktif bozunma üzerine çalışıyor.

Kuramsal olmasına rağmen bugüne dek hiç gözlemlenmemiş olan (“theorized but never — before — observed”) bu sürece Nötrinosuz Çift Beta Bozunumu (Neutrinoless double — Beta Decay) parçacık fiziği dünyasını sallayabilecek durumda.

Eğer keşfedilirse, evrendeki en bol fakat en az anlaşılan parçacıklar arasında yer alan nötrinoların temel özellikleri hakkındaki uzun zamandır devam eden gizemleri çözecek

Fairbank’in laboratuvarı -bir çok belgeselde defalarca görüntülendi- 2005’ten beri uluslararası EXO — 200 Enriched Xenon Observatory (Zenginleştirilmiş Ksenon Gözlemi) bilimsel  işbirliğinin bir parçası ve içi süper soğuk sıvı xenon’la dolu bir tankın içinde nötrinosuz çift beta bozunumu avlamaya çalışıyor. 

Nature dergisinde 29 Nisan’da yayınlanan yeni bir buluşta, Fairbank ve ekibi “baryum etiketleme” adı verilen tek atomlu bir aydınlatma stratejisinin temelini attı. Ekibin başarısı, ilk defa katı bir soygaz içinde tek tek atomların görüntülerinin elde edilebilmiş olmasıdır.

Barium etiketleme, gelecekte nEXO adı verilen geliştirilmiş bir denemede nötrinosuz çift beta bozunumunu görmek için önemli bir teknolojiyi kanıtlayabilir. En önemlisi baryum etiketleme, bilim insanlarını, gerçek olayları arka plan sahte sinyallerden ayırarak, tekli beta bozunumunun tek atomlu yan ürünlerini net bir şekilde belirlemelerini sağlayacak

EXO-200 parçacık detektörü, New Mexico, Carlsbad’da yerin yarım mil kadar altındadır ve 370 pound (yaklaşık 170 kilogram) izotopik olarak zenginleştirilmiş sıvı halde xenon ile doludur. Bazen kararsız xenon izotopları; 2 elektron ve 2 nötrinoyu serbest bırakarak radyoaktif olarak bozunur ve baryum atomuna dönüşürler.

Bozulma sadece 2 elektron ve bir baryum atomu üretiyorsa, bir nötrinosuz çift beta bozunumunun meydana geldiğini gösterir. Ve bu yalnızca eğer nötrino kendisine eşit kütlede bir antiparçacık ise ortaya çıkabilir. Bu, bilim insanlarının bu deneyler yoluyla yanıtlamak istedikleri önemli bir soru.

Böyle bir nötrinosuz bozunmanın gözlemlenmesi, güncellenmesi gereken Standart Model (Standart Model of Particle Physics) açsından da tarihi bir adım olacaktır.

Ayrıca bunun yanında, -daha önce hiç gerçekleştirilememiş bir başarı olarak- bozunmanın ölçülen yarı ömrü; bilim insanlarına nötrinoların mutlak kütlelerini dolaylı olarak ölçmeleri için yardımcı olabilecek.

Ve son olarak, eğer nötrinosuz çift beta bozunması varsa, bilim insanları bu bilgiyi; neden evrenimizde bu kadar çok madde varken, buna karşılık yalnızca çok az miktarda antimadde olduğunu öğrenmek için kullanabilecek

Şimdiye dek, EXO — 200 detektörü doğru enerjide bozunmalar üretti, ancak detektörde ölçülenlerin arka planında tam olarak ne olduğuyla ilgili henüz kesin bir kanıt bulunmamakta.

Fairbank, “EXO-200’de 3 yılda 40 bozunma olayı yaşadık” dedi. “Ancak tam olarak kaç tanesinin gerçek olduğunu söyleyemiyoruz.”

Gerçek bir bozunma ve benzer görünen (benzer izler bırakan) sahte bir arka plan olayı arasında ayrım yapmak; araştırmacılar için her zaman merkezi bir problem olmuştur. Bu, herbiri birbirinin aynı olan dizili küçük taşlar arasından ayrım yapmaya çalışmak gibi bir şey. 

Eğer baryum etiketlemesi, hali hazırda tasarlanan nEXO dedektörünün daha sonraki bir güncellemesinde başarıyla uygulanırsa, dedektörün nötrinosuz çift beta bozunmasına karşı hassasiyeti 4 katına kadar artırılabilir.

Bu, multi — milyon dolarlık nEXO deneyi için önemli bir yükseltme olacaktır. Olumlu bir sinyal görülürse, bilim insanları aradıkları bozunmayı gördüklerinden emin olmak için baryum etiketlemeyi kullanabilirler.

Baryum etiketleme çalışması, Ulusal Bilim Vakfı INSPIRE programı (National Science Foundation INSPIRE program) tarafından desteklendi

Ulusal Bilim Vakfı’ndan fizikçi John Gillaspy “Bu deneylerin ne kadar hassas olduğunu düşünmek şaşırtıcı” dedi. “30 yıl önceki deneylerde, bir milyon atom içerisinden egzotik olan bir tanesine bakmayı oldukça zor olarak görürdüm. Bu yeni çalışma, 10 milyon kat daha nadir olan atomları aradı. Fizik ve kimya çok yol kat etti. Fairbank ve meslektaşlarının nihayetinde bu yeni tekniği kullanarak ne bulabileceklerini düşünmekten büyük heyecan duyuyorum. Çünkü gerçekliğin temel doğası hakkında bildiklerimizi ciddi anlamda sarsma potansiyeli taşıyor” dedi.

Nature’daki yayında, Fairbank ekibi, xenon — 136 izotopunun radyoaktif bozunması sonucu üretilen baryum atomunu -“kızı” (daughter)- dondurmak için kriyojenik bir probun nasıl kullanıldığını açıkladılar.

Ekip sonrasında katı (now — solid) xenon içindeki tekil baryum atolarını aydınlatmak için lazer floresanı kullandı.

Araştırmaya ve deneylere birkaç yıldır liderlik eden Fairbank, “Tekil baryum atomlarının görüntülerini bulduğumuzda grubumuz oldukça heyecanlıydı” dedi. Fairbank’ın tek atomlu etiketleme tekniği, aynı zamanda nükleer fizik, optik, fotonik ve kimya gibi alanlar için de geçerli olan mevcut diğer uygulamalara genelleştirilebilir.

EXO programı; ABD, Kanada, Çin, Almanya, Rusya, Güney Kore ve İsviçre’deki kurumlardan bilim insanlarının uluslararası bir işbirliğidir.

Çalışmanın orijinaline aşağıdaki bağlanıdan ulaşabilirsiniz.

nEXO Collaboration. Imaging individual barium atoms in solid xenon for barium tagging in nEXO. Nature, 2019 DOI: 10.1038/s41586-019-1169-4