Antartikanın buzlarından garip parçacıklar fışkırıyor ve bu modern fiziği yerle bir edebilir


Antartika’nın derinliklerinden gelen bir gizem bilim insanlarını şaşkına çevirdi, çünkü bildiğimiz haliyle modern fiziği ters yüz etme potansiyeli var. @uzakevrenler #popülerbilim #fizik #evreninsırları

Bir ekip başarılı bir uçuşun ardındanANITA’yı (Antarktik Ani Darbeli Kısa Süreli Anteni) toparlıyor. Kaynak: Avustralya Antarktik Bölümü

Fizikçiler bu gizemi henüz açıklamayı başaramadılar. Gözlemler sırasında bir tür kozmik ışının - uzayda yolculuk eden yüksek enerjili parçacıklar- dünyaya çarptığı, onu delip geçtiği ve dünyanın öbür ucundan çıktığını fark ettiler. Sorun şu ki fizikçilerin Standart Model (SM) içerisinde yer alan bilindik parçacıklarının bunu yapması imkansız. Düşük enerjili nötrinoların kilometrelerce kaya katmanı içinden geçip gitmesi sıradan ve bilinen bir olay. Ama konu yüksek enerjili nötrinolar olduğunda bu imkansız zira bu parçacıklar tıpkı diğer yüksek enerjili parçacıklarda olduğu gibi geniş bir kesite sahipler. Bu dünyaya ulaşır ulaşmaz neredeyse her defasında bir şeylere çarpacakları ve yerkürenin öbür tarafından çıkmayı başaramayacakları anlamına geliyor.

En azından öyle olduğu sanılıyordu, ta ki Mart 2016’ya kadar. Bu tarihte NASA’nın ANITA (Antarktik Ani Darbeli Kısa Süreli Anteni) isimli Antarktika üzerinde bir balona bağlı şekilde dolaşan parçacık detektörü iki defa kozmik ışınların yerkürenin içinden geldiğini tespit etti.

Bu beklenen bir şey değildi, çünkü hem yüksek enerjili parçacıkların yerküreyi aşıp diğer uçtan çıkması beklenen bir şey değildi, hem de ANITA aslında uzaydan yani yukarıdan gelen parçacıkları yakalamak için tasarlanmış bir araçtı. Bu yüzden ANITA gökyüzünden aşağı inenler yerine yeryüzünden yukarı fışkıran parçacıklar tespit ettiğinde bu haber fizik dünyasında çok büyük bir heyecan yarattı. Bizim aşina olduğumuz kozmik ışınların bunu yapabilmesi mümkün olmamalıydı, yoksa bu gizemler ışınlar daha önce hiç farkında olmadığımız parçacıklar mı içeriyordu.

Bu garip olayı açıklamak isteyen fizikçiler yukarı doğru fışkıran bu ışınımlar için pek çok farklı açıklama öne sürdü. Bunların arasında steril nötrinolar (maddeye çok nadiren çarpan nötrinolar) ya da dünyanın içinde sıradır karanlık madde dağılımı gibi açıklamalar da yer alıyor.

Bütün bu açıklamalar ilgi çekiciydi ve hepsi de ANITA’nın Standart Model’de yer almayan parçacıkları tespit etmiş olduğunu esas alıyordu. Ancak açıklamaların hiç biri ANITA’daki bu iki sinyalin daha sıradan ve olağan bir gözlemin sonucu olmadığına ilişkin nihai ve kesin bir yargıya varamıyordu.

26 Eylül’de arXiv baskı öncesi sunucularına yüklenen bir makale bu durumu değiştiriyor. Penn State Üniversitesinden bir grup astrofizikçi yerden yukarı doğru yolculuk eden parçacıklara ilişkin gözlemlerin yalnızca ANITA tarafından yapılanlarla sınırlı olmadıklarını ortaya koyuyor. Yine Antartika’da buzun derinliklerinde kurulu bir başka nötrino gözlemevi olan IceCube’da üç defa benzer parçacıkları gözlemlemiş. Ancak nedendir bilinmez bugüne kadar ANITA’nın iki gözlemini, IceCube’un üç gözlemi ile bir araya getiren kimse olmamış. İki deneyin sonuçlarını bir araya getirince gözlem seti genişleyen araştırmacılar bir olasılık hesabı yapma imkanı bulmuşlar. Hesaplamalarına göre Dünyamızı delip geçen bu yüksek enerjili parçacıkların bildiğimiz Standart Model’de tanımlı bilinen parçacıklar olma ihtimali yalnızca 3,5 milyonda bir ihtimal (teknik olarak konuşmak gerekirse elde ettikleri sonuçların güvenilirliği 5.8 ve 7.0 sigma seviyesinde).

Bilinen fiziği kırmak

Yeni makalenin baş yazarı olan Derek Fox, ANITA olaylarından ilk kez Mayıs 2018’de olayı açıklamaya çalışan bir başka makaleyi okurken haberdar olduğunu söylüyor.

Fox Live Science’a yaptığı açıklamada ilk tepkisinin “Yani, bu model aslında pek de anlamlı gelmiyor” şeklinde olduğunu söylüyor. “Ama ANITA sonuçları o kadar ilgi çekiciydi ki ben de incelemeye başladım. Ofis komşum Stein Sigurdsson (makalenin diğer yazarı) ile bugüne kadar getirilen açıklamalardan daha tutarlı bir açıklama bulabilir miyiz diye konuşmaya başladık.” diyerek konuyla ilgilenmeye nasıl başladıklarını anlatıyor.

Fox, Sigurdsson ve arkadaşları ilk iş olarak diğer detektörlerin verilerini inceleyerek, buna benzer başka bir olay yaşanıp yaşanmadığını öğrenmeye çalıştılar. IceCube dedektörünün verileri arasında da benzer olaylar görür görmek, fizik alanıda her şeyi değiştirebilecek bir şeyle karşı karşıya olduklarının farkına vardılar.

ICECUBE deneyinin yüzeydeki tesisi. Asıl deney araçları Antartika buzunun 1.6 kilometre altında yer alıyor. ICECUBE hayalet parçacıkların hiç var olmadığını öneriyor ama en son deneyler bunun aksini söylüyor olabilir. Kaynak: IceCube Nötrino Gözlemevi

“İşte bu konuya daha fazla odaklanmamı ve ANITA olaylarına büyük bir ciddiyetle eğilmeme sebep oldu” dedikten sonra ekliyor, “Bir fizikçi işte bunun için yaşar. Mevcut modelleri yıkmak, gerçekliği oluşturan yeni sınırlar tanımlamak ve evren hakkında bilmediğimiz şeyleri öğrenmek”.

Live Science’ın daha önceden haberleştiği üzere, yüksek enerjili parçacık fiziği son bir kaç yıldır duraksadı. 27 kilometre uzunluğundaki 10 milyon dolarlık Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) 2009 yılında Fransa - İsviçre sınırında tamamlandığında, bilim insanları süper Simetrinin sırlarını sonunda çözebileceklerini düşünmüşlerdi. Süper Simetri, bilim insanlarının mevcut Standart Model dışında var olduklarına inandıkları teorik bazı parçacıklar. Ancak bu istek hiç gerçekleşmedi. Süper Simetriye göre Standart Modeldeki her bir parçacığın bir Süper Simetri eşi olmalıydı. Araştırmacılar bu simetrik parçacıkların var olduğunu düşünüyorlar çünkü bilinen parçacıklar dengesiz yani birbirleriyle asimetrik bir tablo çiziyorlar.

“Standart Model pek çok olguyu açıklamamızda çok yardımcı olsa da yine de bazı eksiklikleri var” diyor UC Irvin’deki parçacık fizikçisi olan ve çalışma hakkında dışarıdan yorum yapan Seyda İpek. “Örneğin karanlık maddenin varlığı hakkında bize bir bilgi sunmuyor, nötrinoların kütlesi hakkındaki matematiksel gariplikleri açıklamıyor ya da evrendeki madde ile anti-madde arasında gözlemlediğimiz asimetriyi açıklayamıyor.

"LHC’nin bu alanlarda açıklamalar sunması beklenirken, tam aksini gerçekleştirdi ve Higgs bosonunun varlığını 2012 yılında onayladı. Higgs Standart Modelin henüz tespit edilememiş son parçasıydı. Bunlardan sonra fizikçiler mevcut fizik deneylerinin artık bir süper simetri parçacığının varlığını tesbit etmesinin mümkün olup olmadığını tartışmaya başlamışlardı.

Urbana-Champaing’deki İllinois Üniversitesinde teorik fizik alanıda çalışan Jessie Shelton, Fox konuyla ilk kez ilgilenmeye başladığı sıralar yani Mayıs 2018’de Live Science’a yaptığı açıklamada bu handikapı “Yeni fikirlere ihtiyacımız var” diyerek dile getirmişti.

Bugüne kadar Penn State’deki araştırmacıların çalışmasına katılmamış pek çok bilim insanı Live Science’a yaptıkları açıklamalarda bu sefer gerçekten de yepyeni bir şey bulmanın eşliğinde olduğumuzu söylüyorlar.

“ANITA’da gözlemlenen sıra dışı olayların yerkürenin binlerce kilometrelik kalınlığını aşıp gelen parçacıkların Standart Modelden bildiğimiz parçacıklar olmadığı en başından beri belliydi” diyor Kopenhag Üniversitesi Niels Bohr Enstitüsü astrofizikçilerinden olan ve çalışmanın bir parçası olmayan Mauricio Bustamante.

“Bugün yayınlanan makale bu olayların Standart Model nötrinoları tarafından gerçekleştirilmiş olamayacağına ilişkin ilk sistemli hesaplamayı sunuyor” diyen Bustamante ekliyor “ve elde ettikleri sonuçlar olayın Standart Model içinde açıklanma ihtimalini oldukça zorlaştırıyor."

Çalışmaya katılmamış Los Alamos Ulusal Laboratuvarı fizikçilerinden olan ve bir kaç aydır kendisi de ANITA olayları ile ilgili yayınları takip eden Bill Louis üretilen çalışmayı oldukça ikna edici buluyor.

Eğer bu olaylar Standart Modelde bildiğimiz parçacıklar tarafından gerçekleştirilmiş olsaydı bunlar ancak bildiğimiz nötrinolar olabilirdi. Araştırmacılar her iki önermeden de emin çünkü parçacıkların çarpışmadan sonra neye bozunduğunu biliyorlar ve her hangi bir Standart Model parçacığının milyonda bir ihtimalle de olsa yerkürenin tamamını aşıp gelmesi mümkün değil.

Louis’in söylediğine göre, bu enerji seviyesindeki nötrinolar, ANITA ve ICECUBE tarafından tespit edilecek kadar sık yerküreyi aşıp geliyor olamazlar. Ama aslında ANITA ve ICECUBE gibi detektörler nötrinoları doğrudan gözlemlemiyorlar. Bunun yerine, dünyanın atmosferine veya Antartika’nın buzlarındaki maddeye çarpıp bozunduktan sonra ortaya çıkan parçacıkları tespit ediyorlar. Bu tür bozunum parçacıklarını ortaya çıkarabilecek ve dedektörleri tetikleyebilecek başka durumlar da var. Bu makalenin söylediğine göre bu tür olaylar çok kuvvetli bir olasılıkla Süper Simetrik olmak zorunda diyen Louis yine de daha fazla veriye ihtiyaç olduğunu söylüyor.

Fox ve arkadaşları olasılık hesaplarından sonra bu parçacıkların “Stau Slepton” adı verilen teorik Süper Simetri parçacıkları olduğuna ilişkin görüşlerini paylaşıyorlar. Stau Sleptonlar Standart Modelde yer alan Tau Lepton denilen parçacıkların teorik olarak süper simetri versiyonları. Lepton kelimesinin önüne konulan “S” harfi parçacığın Süper Simetrik olduğunu belirtmek için kullanılıyor.

Louis bu aşamada kesin bir kanıya varmak için erken olduğunu düşünüyor.

Araştırmacılar dünyamızı delip geçen bu parçacıkların Standart Modele ait olamayacağı yönünde kuvvetli istatistiksel bulgular ortaya koyuyorlar. Ancak yine de Louis’e göre kesin konuşmak ve bu yolculuk yapan parçacığın ne olduğunu söyleyebilmek için yeterli veri hala yok.

Fox bu görüşe karşı çıkmıyor.

“Bir gözlemci olarak, bunun bir Tau olduğunu bilmem için hiç bir yol yok” diyor. “Benim bakış açımdan evren hakkında yeni bir şeyler keşfedebilmek için çabalarken karşılaştığım bu gerçekten garip fenomen ortaya çıkması oldu. Arkadaşlarımla birlikte böyle bir şeyin gerçekleşme ihtimali olduğuna ilişkin çok daha önceden yazılmış teorik makaleleri kapsayan bir literatür taraması yaptık ve 14 yıl öncesinden beri bunun gibi bir şeyin gerçekleşebileceğini söyleyen hipotezlere rastladık. Eğer böyle bir fenomeni önceden tahmin edebiliyorsanız bu benim açımdan çok önemlidir."

Literatür taramasına girişen Fox ve arkadaşları, Stau Sleptonlarının tıpkı nötrino gözlem evlerince tespit edildiği gibi ortaya çıkabileceklerini önceden öngören uzun bir makale listesi ile karşılaştılar. Fox’a göre bu makaleler ANITA gözlemlerinden önce yazıldığı için teorisyenlerin gerçekten de önemli bir öngörünün üzerinde çalışmış olmalılardı.

Yine de önümüzde pek çok belirsizlik olduğunu da düşünüyor. Şu anda araştırmacılar bu parçacığın ne olabileceğini gözleme dayalı olarak tanımlayamıyorlar zira diğer parçacıklarla olan etkileşimi çok zayıf, zaten aksi olsaydı yerkürenin içinden geçip gitme ihtimali de olmazdı.

Sırada ne var?

Live Science’a konuşan bütün fizikçiler ANITA ve ICECUBE’un Süper Simetrinin sırlarını sonunda çözmüş olduğunu doğrulayabilmek için daha fazla veriye ihtiyaç olduğunu söylüyor. Fox’a göre ICECUBE’de çalışan araştırmacılar eski verilerini tekrar gözden geçirdiklerinde daha önce fark edilmemiş daha fazla benzer olayla karşılaşacaklar. Louis ve Bustamante’de NASA’nın ANITA ile daha fazla uçuş yapıp, daha fazla yerden çıkan parçacık tespit etmeye odaklanması gerektiğini düşünüyor.

“Bu olayların bizim bilinmeyen bilinmeyenler yüzünden -örneğin Antartika buzunun tanımlanmamış özellikleri- oluşmadığından emin olmak için başka araçların da bu tür olayları gözlemlemesine ihtiyaç var” diyor Bustamante.

ANITA Antartika gözlerinde yapacağı uçuşa hazırlanıyor. Kaynak: NASA

Pek çok araştırmacı uzun vadede, eğer bu sonuçlar doğrulanır ve bu olaylara hangi parçacıkların sebep olduğu kesin bir şekilde ortaya çıkarılabilirse, ANITA anomalileri LHC’nin de yeni fiziğe ilişkin bir çok buluş yapmasına sebep olabileceğine inanıyor.

“Standart Model dışı her hangi bir parçacığın gözlemlenmesi bütün kuralları değiştirir zira bu saede Standart Modelden sonra nereye doğru gideceğimizi de bize gösterecektir” diyen İpek’e ekliyor, “Araştırmada sinyalleri ürettiğini iddia ettikleri Sleptonlar denilen Süper Simetrik parçacıkların LHC tarafından hem üretilmesi hem de gözlemlenmesi çok zor."

“Bu yüzden, eğer benzer gözlemler başka araçlar ve deneyler tarafından da yapılırsa bu çok ilginç olacak. Tabii ki, eğer bütün bunlar doğruysa, LHC’de bir dizi Süper Simetrik parçacığın gözlemlenmesini bekleyebiliriz ki böylece iddiaları tamamlayan sonuçlar elde edebilelim.

"Bir başka ifade ile ANITA anomalileri bilim insanlarına LHC’yi doğru bir şekilde ayarlayıp, Süper Simetrinin gizemini ortaya çıkarabilmeleri için ihtiyaç duydukları anahtarı sağlayabilir. Hatta bu deneyler karanlık maddenin de en sonunda ortaya çıkarmamıza yardım edebilir.

Fox ise şimdilik en büyük beklentilerinin daha fazla veri olduğunu söylüyor.

Yazan : Rafi Letzter

Tercüme: Melih R. Çalıkoğlu

Kaynak : livescience.com

İlk Yayın Tarihi: 26 Eylül 2018

#uzay #astronomi #çığıraçıcı #fizik #nükleer

49 görüntüleme
Güncel Makaleler: