Nötrino Astronomisi ve Astrofiziği

Süpernova 1987A

Nötrinolar fotonlardan sonra Evren’de en bol bulunan parçacıklardır. Astrofizik ve parçacık fiziğinin, giderek daha yoğun şekilde birbiriyle etkileştiği günümüzde astrofiziksel kaynaklardan gelen nötrinoları yakalamak, ve bu şekilde Evren’e yepyeni bir pencereden, nötrino penceresinden bakmak artık mümkün hale gelmiştir. Nötrino astronomisi paradigması 1980’lerin sonunda Güneş nötrinolarının gözlenmesi ile başlamış, 1987’de uydu galaksimiz olan Büyük Macellan Bulutsusu’nda patlayan Süpernova 1987A’dan gelen nötrinoların gözlenmesi ile büyük bir ivme kazanmıştır. Bugün pek çok nötrino gözlemevi:

  • Güneş’ten gelen düşük enerjileri gözlemek (BOREXINO, SNO+, …)
  • Galaksimizin ya da evrenin derinliklerinden gelen yüksek enerjili nötrinoları gözlemek (ICECUBE, ANTARES, ANITA, ARIANNA, …)
  • Galaktik bir çekirdek çökmeli bir süpernovayı gözlemek (SüperKamiokande, LVD, SBND-MicroBooNE-ICARUS, NO𝜈A, … )
  • Evrendeki geçmiş tüm süpernovalardan kaynaklanan nötrinoların oluşturduğu difüze süpernova nötrino ardalanını gözlemek (SüperKamiokande) üzere optimize olmuştur.

Maddenin geri kalanı ile son derece zayıf bir şekilde etkileşen nötrinoları yakalamak oldukça zordur. Örneğin her saniye vücunuzdan 100 trilyon nötrino geçtiği halde, ömrünüz boyunca bu nötrinolardan ortalamada sadece iki tanesi vücudunuzdaki atomlardan birisiyle etkileşerek bir reaksiyona neden olur. Hayalet parçacıklar olarak da bilinen nötrinoları yakalamak için oldukça özelleşmiş teknikler kullanılmalıdır. Esasen astrofiziksel nötrinoları yakalamak bugün fizikçilerinin yapmakta olduğu en zor işlerden birisidir. Aynı zamanda en maliyetli işlerden birisidir de. Kabaca bir tahminle tek nötrinoyu yakalamanın maliyetinin ortalama bir milyon dolar mertebesinde olduğunu söyleyebiliriz.

Nötrinoları gözlemsel bir araç olarak ilginç kılan¸ şey bu parçaçıkların, üretildikleri astrofiziksel ortamı fazlaca etkileşmeden terketmesidir. Örneğin Güneş’in merkezinde üretilen bir foton o kadar fazla etkileşmeye uğrar ki, bu fotonun Güneş’in yüzeyine ulaşması bir milyon yıldan uzun sürer. Bu süre içinde fotonun özellikleri önemli ölçüde değişir, yani foton nasıl bir reaksiyonda ve hangi koşullar altında üretilmiş olduğunu unutur. Buna karşılık Güneş’in merkezinde üretilen bir nötrino ortamla fazla etkileşmediği için iki saniye içinde yüzeye ulaşabilir ve bu sırada özelliklerini korur. Yani kendisini oluşturan sürece dair bilgiyi kaybetmez ve doğrudan bize taşır. Bir diğer değişle, nötrinoları kullanarak Güneş’in doğrudan içine bakmak mümkündür.

Nötrinolar aynı nedenden ötürü süpernovaların için bakmak, nötron yıldızlarının ve kara deliklerin oluşumlarını ve daha pek çok yüksek enerjili astrofiziksel olguyu doğrudan izlemek için bize eşsiz bir bilimsel potansiyel sunarlar. Bölümümüzde özellikle Güneş nötrinoları ile süpernova ve proto-nötron yıldızlarından gelen nötrinolar, aktif şekilde çalışılmaktadır. Bunun yanında galaksimizin dışındaki bilinmeyen yüksek enerjili kaynaklardan gelen nötrinolar, ve kozmik ışınlar tarafında atmosferimizde üretilen nötrinolar bölümümüzdeki araştırma konuları arasındadır. Bölümümüzdeki nötrino astrofiziği araştırmaları başta Japonya Ulusal Gözlemevi ve Wisconsin Üniversitesi olmak üzere pek çok araştırma merkezi ile ortaklaşa yürütülmektedir.

Kaynak: http://t2k-experiment.org/ (t2k görseli)