25 Milyon yıl önce Sibirya’nın güneydoğu köşesinde büyük bir yarık oluştu. O günden bugüne sayısız nehir akışını bu yarığa çevirdi ve Baykal Gölü adı verilen büyük su kütlesini oluşturdu. Etrafı dağlarla çevrili 400 mil uzunluğundaki bu iç deniz diğer göllerden ve denizlerden izole vaziyette kalarak dörtte üçünün Dünya’nın başka bir yerinde göremeyeceğiniz sadece o yöreye mahsus bitki ve hayvan topluluğu oluştu. Ruslar bu bölgeye Bizim Galapagosumuz diyor. Göl, Dünya’nın donmamış tatlı su rezervinin %20 sini muhafaza etmektedir. Sert kış günlerinde gölün sadece üst katmanları donmaktadır.
Böyle bir kış gününde kıyıda kurulmuş olan Listvyanka kasabasındayım. Kıyıyı takip eden bir yolda, batıya doğru ilerleyen eski bir kamyonet içindeyiz. Yol, tektonik bir faya benzer yarık ile kapanmıştı. Göl yüzeyinin katı iki bölümü de birbirne çarparak yukarı doğru sivri buzların fırlamasına sebep olmuştu. Yüzü soğuktan kavrulmuş olan şöförümüz yarığı kontrol ettikten sonra demir sopayla buza baktı ve “kamyoneti taşıyamayacak kadar ince” olduğunu söyledi. Bunun üzerine yanlış yön olarak bildiğim gölden gittikçe uzaklaşan güneye doğru ilerlemeye başladık. Yarık göz alabildiğine uzanıyordu. Aniden durduk. Önümüzde gölün yüzeyinde kırık cam parçaları gibi buz parçaları duruyordu. Şöför düşünceli bir şekilde etrafı dolaştı ve bizi hedefimiz olan gölün en derin kısmında yer alan su altı gözlem istasyonuna ulaştıracak kalın buz katmanını saptamaya çalıştı. Daha da kıyıdan uzaklaşacaktık, Güneşin batmasına bir saat kalmıştı, sıcaklık da düşmeye başlamıştı. Patlak bir lastik de bizi burada mahsur bırakabilirdi. Şöför bir kelime bile İngilizce bilmediğinden ona “yardım çağırmak için telefon veya telsizin yok mu?” diye soramıyordum. Benim bildiğim tek Rusça kelime ise şu anda hiç kullanmak istemediğim “svidanya”- Allahaısmarladık idi.
Şükür ki geri dönmeye ve başka teker izleri aramaya karar verdi. Daha sonra batıya ilerledik yarıktan uzaklaşarak göl üzerinde hızla ilerlemeye başladık. Kamyonet hoplaya zıplaya ilerliyordu. Buzun kırılıp buz gibi sulara gömülmekten korkuyordum. Uzakta bembeyaz ufukta siyah bir leke gördüm, yaklaştıkça büyüdü ve şekillendi. Bu 3 feet yükseklikte bir noel çamıydı. Daha gidecek 20 mil yolumuz vardı, Güneş batmıştı ama biz yılbaşı çamı bulmuştuk, güvendeydik.
Çamı ilk defa iki gün önce Irkutsk Devlet Üniversitesinden Nikolai ( Kolja) Budnev ve Alman jeolog Bertram Heinze ile beraber görmüştük. Gölün derinliklerinde bulunan Baykal Gölü Nötrino Gözlem İstasyonuna gidiyorduk. Listvyanka’dan gölün içerlerine doğru ilerlerken Heinze “Buzlar ne zaman çözülmeye başlar?” diye sordu. Budnev de “Martın ilk günlerinde” diye cevap verince yüreğim hopladı. Martın sonlarındaydık!.. Daha sonra Budnev, “Kusura bakmayın yanlış söyledim, Nisan başında” diye düzeltince içim rahatladı.
20 Yılı aşkın bir süredir Rus ve Alman fizikçiler Şubat-Nisan ayları arasında donmuş Baykal Gölü kıyısında kamp kurmakta ve atomdan küçük parçacıklar olan nötrinoları saptamak için cihazlar yerleştirmekteler. Gölün derinliklerinde yapay gözler nötrino ve su molekülünün nadir çarpışmasından kaynaklanan mavi ışık çakmalarını aramaktadır. İnsan gözü eğer bir karpuz kadar büyük olsaydı çıplak gözle bu çakmayı görebilecektik. Gerçekten de her suni gözün çapı 1 foot dan fazlaydı ve Dünya’da kendi cinsinin ilki olan Baykal Nötrino Teleskobu 228 tane gözüyle dış uzaydan gelen bu measjcıları sabırla gözlüyordu.
Kıyıdan birkaç mil açıkta konumlandırılmış teleskop yıl boyu faal durumda. Veriler kablolarla kıyıdaki isatsyona taşınıp değerlendiriliyor. Çok dar bütçeli bir proje olup lükse hiç yer yok. Araştırmacılar vinçler için gerekli sabit bir platform oluşumu için kışı bekliyor. Her kış teleskop 0,7 mil derinlikten çıkarılıp kıyıya çekilerek rutin bakım işleminden geçirilmekte, bahar gelip buzlar çözülmeden de göle yerleştirilmekte.
Bilim adamlarını bu şartlarda çalışmaya zorlayan nötrinolar nedir? Bazılarının hemen büyük patlamadan “Big-Bang” sonra ortaya çıktığı nötrinolar madde içinden geçebilir, zamanda bozulmadan yolculuk edebilir ve diğer parçacıklardan farklı bir şekilde bilgi taşıyabilirler. Kainat, madde ve radrasyon tarafından absorplanabilen ultra enerjik fotonlar veya gamma ışınları için opaktır. Ancak aynı astrofiziksel süreç tarafından oluşturulan nötrinolar yüksek enerjili fotonlar oluşturur ki bunlar da yolu üzerindeki herşeyle girişimde bulunur. Örneğin, Güneşin merkezinde oluşan nötrinolar daha oluşur oluşmaz dışarı fırlar, ancak bir fotonun Güneşin merkezinden parlak yüzeyine çıkması binlerce yılı alır.
Bu nedenle nötrinolar görünmeyen uzay ve hatta Karanlık Madde olarak isimlendirilen, sadece yıldızlar ve galaksiler üzerindeki çekim etkilerinden anlaşılan kayıp madde için de delil oluşturabilecek farklı bir pencere görevi görürler. Teoriye göre zamanla Dünya, Güneş ve Samanyolu muazzam miktarda karanlık madde parçacıkları yutmuştur. Bu parçacıklar yoğun olarak toplandığı yerlerde birbirleriyle çapışacaklar ve nötrinolar açığa çıkacaktır. Özetlersek, Galaksimizin merkezinde dev bir parçacık hızlandırıcı karanlık madde parçacıklarını çarpıştırmakta nötrinolar üretmekte bunları dışarı fırlatmakta ve birkısmı da bize gelmektedir.
Nötrinolar birkaç nesil önce fizikte anahtar rol oynayarak bilim insanlarını şaşırtmıştır. Onlara göre nötrinolar hayal ürünü parçacık olup teorik olarak bir gereklilikti, birini dahi saptamak görünmez yapısından dolayı imkansızdı.- Hayalet bir parçacıktı. Nötrinonun hikayesi 1920 lerin sonlarında başlar. Fizikçiler radyoaktf beta bozunması denen bir olay üzerinde kafa yoruyordu. Bu olayda bir atom başka bir atoma dönüşüyordu. Örneğin, Karbon 14 sekiz nötrona ve altı protona sahiptir. Beta bozunmasında bu nötronlardan bir tanesi protona dönüşür ve bir elektron açığa çıkarır. Yeni çekirdek şimdi yedi protona ve yedi nötrona sahptir ve Azot 14 e dönüşmüştür. Bu süreçte enerjinin bir kısmı kaybolmuştur. Avusturyalı fizikçi Nobel ödülü sahibi Wolfgang Pauli ye göre beta bozunmasında henüz bulunmamış nötral bir parçacık açığa çıkması gerekmektedir. Birkaç yıl sonra fizikçi Enrico Fermi bu parçacığa şaka yollu İtalyanca “küçük nötral şey” anlamında nötrino adını verir ve bu isim böyle kalır.
Yıllarca nötrino teorik bir yapı olarak kalır. Hiç kimse daha bir tane dahi görmemiştir ve nasıl bulunacağı da bilinmemektedir. 1950 lerde Los Alamos da çalışan fizikçi Frederic Reines nükleer bombaların bir nötrino kaynağı olduğunu anlar. Reines ve meslektaşı Clyde J. Cowan Jr. Aynı zamanda nükleer reaktörün de bir kaynak olabileceğini düşünür. Bir nükleer reaktör yanındaki dedektörün saniyede bir santimetrekarede 1013 nötrino saptayabileceğini hesaplarlar. Yalnız küçük bir sorun vardı: nötrinolar elektriksel olarak nötr olduğundan sadece atom çekirdeğine çarptıklarında saptanabiliyorlardı. Reines ve Cowan böyle bir çarpışmanın izini arıyordu. Buldular da.
1960 larda fizikçiler Reines’in çalışmalarını takip ettiler ve toprağı kozmik ışınlara karşı nötral kalkan olarak kullanıp madenlerin içine nötrino dedektörleri yerleştirmeye başladılar. ( Nötrinolar madenlerin kalın duvarlarından geçebilir ancak, kozmik ışınlar geçemez). 1968 de Brookhaven Ulusal Laboratuarından Raymond Davis ve meslektaşları Güney Dakota Lead daki altın madeninde bir deney tamamladılar. Deneyde kuru temizleme maddesi olan 100.000 galon tetrakloretilen kullandılar. Nötrino klor atomuna çarptığında atom radyoaktif Argona dönüşüyordu. Fizikçiler çıkan argon atomlarını sayarak, Güneş’den gelen nötrino akımını hesaplayabiliyordu. Daha sonra 1980 lerde Dünya’nın farklı yerlerinde araştırmacılar yeraltında tanklarda binlerce ton su ve foton çoğaltıcı tüpler (PMT) kullanarak dedektörler yapmaya başladılar. Bir nötrino suya çarptığında normalde sudan etkilenmeden geçer. Çok nadir durumlarda bir tanesi hidrojen veya oksijen atomu çekirdeğine çarptığında Muon denen başka bir atomdan küçük parçacık ortaya çıkar. Yüklü olan muon parçacığı elektromanyetik olarak suyla etkileşime girer ve suyun içinde ışık hızından daha hızlı hareket ettiğinden arkasından koni şeklinde mavi bir ışık saçar. Bu koniye ilk defa Rus fizikçi Cherenkov tarafından tarif edildiğinden, Cherenkov konisi denir. Bu tıpkı ses hızını aşan bir jetin arkasındaki koni şeklindeki hava kütlesi oluşması gibidir.
Diğer bir Rus araştırmacı, uzay parçacığı fizikçilerinin şairi Moisley Alexandrovich Markov nötrino dedektörü olarak doğal su kümelerini kullanmayı önerdi. Neden göller, okyanuslar kullanılmasındı? Sadece foton çoğaltıcı tüp demetleri suya daldırılacak ve nötrinoların ürettiği muonlardan kaynaklanan Cherenkov ışıması gözlenecekti. Fikir çok cazipti ancak dev pratik zorluklar vardı. Bir tanesi, üzerinde koruyucu bir kaya kütlesi olmadan dedektör kozmik ışınlara açıktı ve cherenkov ışınları saptanamazdı.
Çözüm Güneş ışınlarının ulaşamayacağı derinliklere inmekti. Araştırmacılar Dünyayı kalkan olarak kullanmayı düşündüler. Birçok muon bir mil suyu geçerken aynı kalınlıktaki kaya onları durdurabiliyordu, bu nedenle nötrino dedektörleri göl diplerine yerleştirilmeye başlandı ve bakış yönleri de dibe doğru tutuldu. Böylece alttan gelen nötrinolardan kaynaklanan muonları görebileceklerdi. Dünyanın diğer tarafındaki atmosferdeki kozmik ışınlardan kaynaklanan muonlardan hiçbiri gezegeni geçemezdi. Nötrinolar ise kolaylıkla geçebilir ve bir tanesi göl suyunun çekirdeğine çarpabilirdi. Böyle bir çarpışma muon oluşturacak ve bu da yüzeye doğru fırlayacaktı. Yukarı doğru hareket eden muon ve Dünya’nın diğer yanından gelen nötrinoyu saptanmış olacaktı. Tüm bunlar için yeterli su miktarı gerekliydi. 1980 lerin ortasında Ruslar arka bahçelerinde içinde oldukça saf pırıl pırılo su buklunan su kütlesini keşfettiler. Baykal Gölü.
Sibirya’daki ilk sabahımda gölün üzerinde teleskoba doğru gittik. Donmuş beyaz göl kuzeybatı hariç etrafımızda millerce uzanıyordu. Kuzeybatı yönünce kıyıya daha yakındık. Sonunda durduğumuzda birçok kişi etrafda koşuşturmaya başladı. Sıfır altı sıcaklıklar herkesi farklı etkiliyordu. Kiminin başı açıktı, kiminde kulaklara kadar inen yün başlıklar vardı. Burada bulunmama neden olan Alman Nötrino fizikçisi Ralf Wischnewski ise kocaman Rus kürk şapkasıyla kocaman bir tavşana benziyordu. Bu sert yüzlü adamla 6 ay önce Londra’da Thames’in güney kıyısındaki Tate Modern Müzesinde karşılaşmıştım. Yunan birahanesinde soğuk biralarımızı içerken Baykal projesi üzerinde konuşmuştuk. Kış akşamlarında Rus geleneklerini paylaşmayı o bana teklif etmişti.
Ve şimdi buradaydık. Sabah olmasına rağmen Ruslar Heinze için bir hoş geldin içki partisi düzenlemişti.
Parti sonunda tekrar araçlarımıza döndük ve nötrino teleskobuna doğru yola koyulduk. Üstte bir şamandırası altta ise dengeleyici ağırlığı olan 11 grup foton çoğaltıcı tüpten ( PMT) oluşmuştu. Çubuklara bağlı daha ufak şamandıralar ise su yüzeyinin 30 feet altında bulunuyordu. Tüm yıl boyunca 228 adet PMT Cherenkov konilerini gözlüyordu. Üst kısmı yıl boyunca biraz sürüklendiğinden, çalışma grubu her kış teleskobun yerini saptamak zorunda kalıyordu. Çalışma grubunun teleskobu çıkarıp, bakımını yapıp tekrar dibe yerleştirmesi için 2 ay zamanı vardı.
Deneysel Fizik teriminin bu soğukta yeni bir anlamı oluyor. -4 OF sıcaklıkta 10 a 20 feet boyutlarda kabinlerde ranzalarda yatıyorsunuz. Bunun anlamı duş yapacak su yok, demek ki 2 ay banyo da yok. Çok soğuk olduğundan tuvaletler kokmuyor ancak sıcak idrar temas edince biraz koku oluyor. Sadece tek lüksümüz vardı. Banya, geleneksel Rus saunası Çıplak adamlar açıkhavada kızgın taşlar üzerinde oturuyor, taş üzerine su döküldüğünde buhar oluşuyor.
Akşam olunca sert bir rüzgar çıktı. Herkesin buzu terk edip sahildeki istasyona dönme vakti gelmişti. Oraya bir vardığımda hemen sıcak bir bardak çay ve konsantre süt içecektim. Akşamın geç saatlerinde ise tekrar donmuş gölün bir kısmı üzerinde yürüyerek yemek için kantine gidecektim. Bu kolay bir iş değildi. Sibirya kışında ayaklarımda yazlık ayakkabılar vardı. Şansım vardı ki yanıma bi cip yaklaştı ve Wischnewski ve Moskova yakınlarındaki Dubna’daki Rus Nükleer Araştırma Enstitüsünden Igor Belolaptikov beni araçlarına alıp kantine götürdüler. Yemeği beraber yedik ve dönüşte de onun odasına gidip nötrinolar hakkında sohbete katıldım.
Beloloptikov “Benim görevim muonları ve nötrinoları izlemek” dedi. İzlemek zahmetli bir iş, yüzlerde foton çoğaltıcı tüp ( PMT) Baykal Gölünün dibinde nötrinolardan kaynaklanan muonların suyla yaptığı etkileşimden kaynaklanan Cherenkov ışımalarını gözlemekte. Farklı tüplerden farklı ışınlar saptanabiliyor. Asıl beceri, tüm bilgileri toplayıp eleyerek yukarı doğru hareket eden muonların izlerini saptamak. Bu izden de orijinal nötrino izi belirlenecekti.
Beloloptikov’un 1993 deki saptadığı ilk nötrinodan sonra Avrupalı fizkciler de benzer dedektörleri Akdeniz’e kurmaya başladı. Amerikan – Avrupa grubu Güney Kutbu’na giderek AMANDA yı ( Antarctic Muon and Neutrino Detector Array) kurdu. Bundan sonra Baykal’da görev alan bir kısım Alman fizikçi Güney Kutbunda da görev almaya başladı.
MUHTEŞEM PARÇACIK
Nötrinoların varlığı ispatlandıktan sonra fizikçi Fredericks Heines bu parçacıklar için “İnsanoğlunun hayal edebileceği en küçük gerçek” ifadesini kullandı. Gerçekten de günümüzde bilinen en küçük parçacıktı ve etrafımızdaki Dünya’yı anlamamız için de tahmin edemeyeceğimiz kadar da çok öemliydi. Birçok nötrino büyük patlama “big-bang” dan hemen sonraki saliselerde ortaya çıkmıştır. Bu nedenle kainatın bebekliği hakkında çok önemli bilgiler taşırlar. Diğerleri de yolculuklarına Güneş’in merkezinden veya büyük bir süpernova patlamasıyla başlar ve yıldızların parlaması ve ölümüyle ilgili sırları bize açıklarlar.
Günümüzde astronomlar derin uzayı değerlendirmek için daha çok gözle gördüğümüz ışınlara veya ( radyo dalgaları X ışınları gibi ) elektromanyetik dalgalara itibar ederler. Hubble uzay teleskobu bu nedenle bizlere galaksilerin ve nebulaların muhteşem renklerde fotoğraflarını gönderir. Nötrinolar birçok bakımdan daha iyi kozmik mesajcılardır. Uzayda ilerlerken kolaylıkla absorplanabilen ışıktan farklı olarak nötrinolar herhangi bir nesneyle çok nadir etkileşim gösterirler. Diğer atomdan daha küçük parçacıklardan farkları da yüksüz, nötr olmalarıdır. Bu nedenle uzayda ilerlerken yıldızların manyetik alanlarından etkilenmez, sapma yapmazlar, doğru boyunca ilerler.
Ancak maalesef nötrinoların bu nötrlüğü onların saptanmasını da çok güç hale getirir. Her saniye başparmak tırnağınızdan 60 milyar nötrino geçmekte ve hiçbiri etkilenmemektedir. Sonuç olarak nötrino gözlemevleri, nötrinoların diğer parçacıklarla etkileşimini saptayabilmek için çok büyük miktarlarda su kütlelerini veya başka ortamları gözlemlemek zorundadır. 228 optik algılayıcısıyla Baykal gözlem istasyonu Nötrinoların suyun oksijen ve hidrojeni ile yaptığı etkileşimleri sonucu olan Cherenkov ışımalarını gözler. Fizikçiler diğer ışımaları saf dışı etmek için sadece gölün dibinden yüzeyine doğru olan ışımaları dikkate alırlar. Böylelikle bu ışımalara Dünya’nın kabuğundan geçip gelen nötrinolardan kaynaklandığından emin olurlar.
Yazar: Anıl Ananthaswamy
Kaynak: DISCOVER Mart 2010
Türkiye'de bilimi geliştirmek adına daha çok paylaşımlarda bulunulmalı.Çok güzel bir yazı olmuş.Teşekkürler..
YanıtlaSil