Parçacık Fiziğinde Yeni Yol: Nötrino Kütlesini Ölçme Yarışı Kızışıyor

Bilim insanlarının, elektriksel yükü sıfır olan nötrinoların en küçük kütlesini tespit edebilmek adına laboratuvar ölçümlerini hassaslaştırarak süper hafif bu parçacığın kütlesini belirlemeyi amaçladıkları bildirildi. Ancak bu gizemli parçacığın ölçümünü gerçekleştirebilecek tek dedektörün, Almanya’daki Karlsruhe Trityum Nötrino (KATRIN) dedektörü olduğu gelen bilgiler arasında yer aldı.

Farklı laboratuvarlarda görev alan araştırmacılar, bu alandaki alternatif yaklaşımları tartışmak üzere İtalya’nın Cenova kentinde düzenlenen NuMass 2024 çalıştayında bir araya geldi. Üç farklı ekip, geliştirdikleri tekniklerin başarı potansiyelini gösteren küçük ölçekli deneyler gerçekleştirdiklerini belirtti. Ekiplerin farklı bir yöntem üzerinde çalıştığı vurgulanırken, bu yöntemlerin zamanla KATRIN ile rekabet edebilecek hatta onu geliştirebilecek büyük ölçekli versiyonlarını oluşturmayı umdukları da bildirildi.

Kütleye İlişkin Tahminler

Elektriksel yükü sıfır olarak bilinen “nötrino”nun en küçük kütlesinin bir elektronvoltun altında olduğu açıklandı. Ancak kütlenin tam olarak elektriksel yükünün ne kadar olduğu ise henüz belirlenmedi.

Kozmik yapıya ilişkin büyük ölçeklerle yapılan gözlemler sonucunda, nötrinoların son derece hafif olduğu ve dolayısıyla kütlelerinin en fazla 0,12 elektronvolt (eV) olduğu tahmin edildi. Bu durum, nötrinoların, bir elektronun kütlesinden dört milyon kat daha küçük olabileceğini gösterirken, nötrinoların gerçek kütlesinin, KATRIN dedektörünün erişemeyeceği bir değere işaret edebileceğine yönelik endişeleri de beraberinde getirdi. Milan-Bicocca Üniversitesi’nden fizikçi Matteo Borghesi, alternatif bir deneysel teknikle kaydedilen gelişmeyi paylaşarak, “KATRIN’in kütleyi belirleyemeyeceğinden endişeleniyoruz. Buna hazırlıklı olmalıyız.” dedi.

Küçük Kitleler

KATRIN’in şu ana kadar elde ettiği en iyi sonuçta, nötrino kütlesi için 0,8 eV’luk bir üst sınır belirleyerek, bu ölçüm için mümkün olan en iyi duyarlılığın 0,2 eV olduğunu ortaya koydu. Bu nedenle, KATRIN iş birliğinin, bu yılın sonlarında yalnızca nötrino kütlesinin 0,2 ila 0,8 eV arasında olduğu durumda kesin ölçüm yapabilmesinin beklendiği belirtildi.

İspanya’da Valensiya Parçacık Fiziği Enstitüsü’nde teorik parçacık fiziği uzmanı olan Olga Mena, böyle bir sonucun, kozmolojiden elde edilen tahminlerle çarpıcı bir şekilde çelişeceğini belirtti. Ayrıca Mena, nötrino kütlesinin KATRIN’in ölçebileceği aralıkta olmasının, nötrinoları etkileyen önceden bilinmeyen kuvvetler veya Einstein’ın yerçekimi teorisindeki değişiklikler gibi “egzotik, önemli fizik” olasılığını beraberinde getireceğini de ifade etti.

Alternatif Yöntemler

Başka bir yaklaşım, Cambridge’deki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde (MIT) fizikçi olan Juliana Stachurska’nın laboratuvarında açıklandı. “Proje 8” adı verilen bir deneyde, kendisinin ve ekibinin, manyetik alanları kullanarak elektronların beta bozunmasından yakalanan düşük yoğunluklu trityum gazını, manyetik bir şişeye koyduğu bildirildi (Esfahani, vd., 2023). Geçen yıl yayınlanan bu çalışmada, araştırmacılar radyo dalgalarını analiz ederek elektronların enerjisini yüksek hassasiyetle ölçebileceklerini gösterdi. Ekibin, ele alınması daha zor olan ancak KATRIN de dahil olmak üzere önceki deneylerin hassasiyetini sınırlayan bazı deneysel belirsizlikleri ortadan kaldıracak atomik trityuma geçmeyi planladığı da bildirildi. Konuya ilişkin Stachurska, “Daha önce hiç kimse atomik trityum yapmamıştı.” dedi.

KATRIN’in nihai sonuçları sabırsızlıkla beklenirken, KATRIN vasıtasıyla bir sonuca ulaşılsa dahi deneylerin ve ölçeklerin geliştirilmeye devam edeceği bildirildi. Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü’nden fizikçi Magnus Schlösser de KATRIN’in mevcut kampanyadan sonra kapılarını kapatmayacağını ve sürekli olarak geliştirilmeye devam edileceğini vurguladı.

KAYNAK:

Castelvecchi, D. (2024). How heavy is a neutrino? Race to weigh mysterious particle heats up. Nature. doi: 10.1038/d41586-024-00620-9.

Esfahani, A. A., Böser, S., Buzinsky, N., Carmona-Benitez, M. C., Claessens, C., De Viveiros, L., & Project 8 Collaboration. (2023). Tritium beta spectrum measurement and neutrino mass limit from cyclotron radiation emission spectroscopy. Physical review letters, 131(10), 102502.

"Katkılarıdan dolayı Dilara AKAY'a teşekkür ederiz..."