LHC’deki yüksek enerjili nötrinoların gelecekteki gözlemleri tau nötrinoları, güçlü kuvvet veya muhtemelen yeni fizik hakkında yeni bilgiler ortaya çıkarabilir.
Bilim insanları hafif, yüksüz nötrinoyu tespit etmek amacıyla çok sayıda, devasa yeraltı detektör dizileri inşa ettiler. Çok sayıda araştırma projesi Güneş’in içinde meydana gelen füzyon olaylarına, nükleer reaktörde üretilen nötrinolara ve süpernovalar gibi güçlü kozmik olaylara odaklanmaktadır. Antarktika’nın buzlarına gömülü devasa bir detektör olan IceCube Nötrino Gözlemevi, Güneş nötrinolarından milyarlarca kat daha enerjik olan ve Samanyolu’ndan kaynaklanan nötrinoların ilk kesin kanıtını keşfetti.
Physical Review Letters dergisinde yayınlanan iki araştırma, dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcısı olan CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) yapılan testler sırasında üretilen 160’tan fazla nötrinonun keşfini doğruluyor. Bu, hem bir laboratuvar ortamında üretilen ve tespit edilen nötrinolar için kaydedilen en yüksek enerjiyi hem de nötrinoların bir çarpıştırıcı deneyinde ilk kez tespit edilmesini temsil ediyor.
Nötrinoları keşfeden ekiplerden birinin eş sözcüsü olarak görev yapan Irvine, California Üniversitesi’nden Jonathan Feng, “Nötrinoları yeni bir şekilde her gördüğünüzde, evrenimiz hakkında kesinlikle şaşırtıcı bir şey öğrendiğiniz bir gerçek” diyor.
LHC nötrinolarının özelliklerinin incelenmesinden, kuarkları bir arada tutan kuvvetin daha iyi anlaşılması ve tespit edilmesi son derece zor olan tau nötrinosunun daha doğru ölçümleri de dahil olmak üzere yeni bilgiler elde edilebilir.
LHC’deki en yeni iki dedektör yeni nötrino gözlemlerinden sorumludur. İleri Arama Deneyi (FASER), Feng ve Irvine’den üç doktora sonrası araştırmacı tarafından ortaklaşa yazılan 2017 tarihli bir yayından esinlenmiştir. LHC’nin tespit planındaki bir kusura dikkat çektiler: İki proton ışını çarpıştığında, ATLAS ve CMS gibi dedektörler çarpışma alanını neredeyse tamamen çevreliyor. Dedektörlerin boşluk olarak bilinen açıklıkları, ışınların geçmesine izin veriyor. Çarpışma, bu açıklıklardan geçerek ışın borusundan aşağıya doğru ilerleyen ve ileri yön olarak bilinen parçacıklar üretir.
Geçen yıl veri toplamaya başlayan FASER’in amacı, LHC’nin güçlü yönlendirici mıknatıslarından etkilenmeyen nötrinolar gibi şimdiye kadar keşfedilmemiş parçacıkları bulmaktır. Bir LHC yan tüneline, ATLAS deneyiyle çarpıştıktan sonra yoluna devam eden nötrinoları yakalayabilmesi için bir ton tungsten taşıyan bir alüminyum kap yerleştirilmiştir. Bir nötrino ile bir tungsten atomu arasındaki etkileşimden yüklü bir parçacık ortaya çıkar. Parçacığın üç nötrino türünden (müon, elektron ya da tau) hangisi tarafından üretildiği onun kimliğini belirler.
Bugüne kadar FASER tarafından teyit edilen nötrinoların tümü müon ve elektron türleridir. (Ağustos ayında düzenlenen bir nötrino çalıştayında elektron nötrino tespitleri rapor edildi.) Deneyin ilerleyen aşamalarında ekip tau nötrinoları bulmayı öngörüyor. Tau parçacığının kütlesi bir müonun yaklaşık 17 katı ve bir elektronun 3500 katı olduğundan, bir nötrino tespit etmek için güçlü bir kaynak nötrino gereklidir. Feng’e göre, bazı testlerde “gelen nötrino, tau parçacığını gerçekten üretebilmeniz için yeterli enerjiye sahip değildir.” Öte yandan FASER, LHC’nin enerjisi ışığında “gerçekten böyle bir soruna sahip değil”.
LHC’deki Saçılma ve Nötrino Dedektörü de geçen yıl ilk araştırma çalışmasını gerçekleştirdi. SND@LHC, FASER’in aksine çarpışma ekseninin biraz dışında yer alıyor. Napoli Üniversitesi’nden işbirliği sözcüsü Giovanni De Lellis’e göre, bu yerleşim oldukça ağır parçacıkların, özellikle de tılsım kuarkının bozunumunda ortaya çıkan nötrinoların tespiti için elverişli. Grup, tılsımlı kuarkları bir arada tutan güçlü kuvvetleri daha iyi anlayabilmek için nötrino ölçümlerinden yararlanmayı umuyor.
De Lellis, LHC’nin ölçümlerinden astrofiziğin de faydalanacağını ileri sürüyor. LHC’de üretilen nötrinolar, yüksek enerjili kozmik ışınlar Dünya atmosferindeki moleküllerle çarpıştığında üretilen nötrinoların çoğuna benziyor çünkü her ikisinin de enerjisi bir trilyon elektron voltu aşıyor.
Bozunan ve nötrino üreten çekicilik kuarkları bu karşılaşmaların ara yan ürünleri arasındadır.
LHC projesinde yer almayan Utah Üniversitesi parçacık fizikçisi Soldin’e göre, çarpıştırıcı deneyinden elde edilen sonuçlar Dennis Soldin’in IceCube ile yaptığı çalışmayla ilgili. Soldin, “Atmosferde üretilen nötrinolardan gelen arka planlarımız var ve bu nötrinolar tam olarak LHC’nin araştırdığı aynı enerjilerde üretiliyor” diyor. LHC’den elde edilecek ölçümler Soldin ve IceCube’deki meslektaşlarının yüksek enerjili nötrinolar üreten astronomik kaynakları belirlemelerine yardımcı olacak ve nötrino zeminine ilişkin ölçümlerindeki belirsizliği azaltacaktır.
FASER ekibi ve SND@LHC işbirliği, Physical Review Letters makalelerinde sırasıyla yaklaşık 153 ve 8 nötrino bulduklarını bildirdi. Vrije Universiteit Amsterdam’da parçacık fizikçisi olan ve çalışmaya dahil olmayan Juan Rojo, mevcut deneylerin “tüm fizik potansiyellerini gerçekleştirmek için çok küçük” olduğunu iddia ediyor. Araştırmacılar, LHC’nin yaklaşan yüksek parlaklık yükseltmesi ile nötrino saptama oranlarını günde binlere çıkarabilirler.
LHC deneyleri, standart model dışındaki fiziğe işaret eden bulgular üretebilir, belki de uygun şekilde sağlam istatistiklerle karanlık madde için bir açıklama sağlayabilir. De Lellis, FASER ve SND@LHC’nin ileriye doğru hareket ederek tespit edilmekten kaçan garip parçacıkları keşfetme kapasitesine sahip olduğunu iddia ediyor. Soldin’e göre, “Bu, LHC’de çok çeşitli fiziğe pencere açan tamamen yeni bir tür programın başlangıcıdır.”
Kaynak: Physics Today
