Dünya'nın derinliklerinde, binlerce metre yeraltında, bilim insanları nihayet Güneş'ten gelen nötrinoların karbon-13'ü azot-13'e dönüştürdüğünü gözlemlemeyi başardı.
Bu nadir nötrino aracılı nükleer reaksiyonın ilk kez görülmesi, Evren'in en anlaşılmaz ve soyut parçacıklarından bazılarının, yüzeyden uzak, yeraltındaki karanlıkta maddeyi nasıl sessizce yeniden şekillendirebildiğini ortaya koyuyor.
Keşfi yapanlar, deneyde kullanılan sıvı sintilatördeki doğal karbon-13 bolluğunu kullanarak belirli, nadir bir etkileşimi ölçtüklerini belirtiyorlar. Bu tespit, Kanada'da bulunan nötrino gözlemevinde yapıldı.
Elde edilen sonuçlar, nötrino etkileşimlerinin karbon-13 çekirdekleri üzerindeki şimdiye kadarki en düşük enerji gözlemini temsil ediyor ve ortaya çıkan azot-13 çekirdeğinin temel haline yönelik ilk doğrudan kesit ölçümünü sağlıyor.
Nötrinolar, Evren'deki en bol parçacıklardan biridir. Süpernova patlamaları ve yıldızların çekirdeğinde gerçekleşen atomik füzyon gibi enerjik olaylarda oluşurlar. Bu nedenle hemen hemen her yerdedirler.
Ancak, elektrik yükleri yoktur, kütleleri neredeyse sıfırdır ve karşılaştıkları diğer parçacıklarla neredeyse hiç etkileşime girmezler. Milyarlarca nötrino şu anda vücudunuzdan geçerken, hayaletler gibi sadece süzülüp gidiyorlar. Bu yüzden onlara sevgiyle 'hayalet parçacıklar' denir.
Fakat her zaman olmasa da, bir nötrino başka bir parçacığa çarptığında, bu çarpışma son derece soluk bir ışık ve bir dizi başka parçacık üretir. Ancak, kozmik ışınların ve arka plan radyasyonunun sinyali maskelediği Dünya yüzeyinde bu çarpışmaları tespit etmek zordur.
Bu nedenle, en iyi nötrino dedektörlerinin birçoğu derin yerin altında bulunur; burada Dünya'nın kabuğu radyasyon kalkanı görevi görür. Orada, fotodetektörlerle kaplı devasa odalar, nadir nötrino etkileşimlerinin ürettiği minik sinyalleri güçlendiren ve tamamen sessiz karanlıkta parlayan bir sıvı sintilatör ile doldurulur.
Güneş'in çekirdeğinde oluşan nötrinolar sürekli olarak Dünya'ya akmaktadır. Enerjileri, atmosferik ve astrofiziksel nötrinolardan ayırt edilmelerini kolaylaştıran bilinen bir aralıktadır; çünkü bunlar çok daha enerjik ve çok daha az yaygındır. Yapılan gözlemevinin 2 kilometre derinliğinde, bu enerji bandındaki neredeyse tüm olaylar Güneş kökenlidir.
Araştırma ekibi, bir yıllık gözlem verilerini inceleyerek, nötrinonun sintilatör sıvısındaki karbon-13 ile etkileşimini gösteren belirli bir sinyali aradı.
Bir Güneş elektron nötrinosu bir karbon-13 çekirdeğine çarptığında, çarpışma iki şeye neden olur. İlki, atom çekirdeği nötrinoyu emdikçe negatif yüklü bir parçacık olan elektronun üretilmesidir.
Karbon atomunun çekirdeğinde 13 parçacık bulunur: altı pozitif yüklü proton ve yedi nötr. Nötrino tarafından tetiklenen zayıf etkileşim, bu nötronlardan birini protona dönüştürerek bir elektron salar.
Proton sayısı altıdan yediye çıktığında, atom artık karbon değil, yedi proton ve altı nötrona sahip bir azot-13 izotopu haline gelir.
Yaklaşık 10 dakika sonra, ortaya çıkan azot-13 - tam da tahmin ettiğiniz gibi, 10 dakikalık yarı ömrü olan kararsız bir radyoaktif azot izotopu - bozunarak belirgin bir anti-elektron, yani pozitron yayar.
Etkileşimin baştan sona sonucu, gecikmiş bir çakışma olarak bilinen belirgin bir iki aşamalı ışıktır. Temel olarak, araştırmacılar, karbon-13'ü azot-13'e dönüştüren bir nötrinonun imzası olarak 10 dakika sonra bir elektronu takip eden bir pozitron için izleyebilirler.
Toplanan verilerden, araştırmacılar toplamda onlarca aday olay tespit ettiler. Aday olay verilerini istatistiksel modellerinden geçirdiklerinde, yaklaşık 5-6 nötrino kaynaklı karbon-azot dönüşümü tahmin edildi. Bu, bekledikleri 4-5 olaya oldukça yakındır.
Bu etkileşimi yakalamak olağanüstü bir başarıdır. Karbon izotopunun nadirliğine rağmen, Güneş'in çekirdeğinde doğup dedektörlerine ulaşmak için uzun mesafeler kat eden nötrinolarla etkileşimini gözlemleyebildik. Sonuç heyecan verici. Teorik tahminleri doğrulamak her zaman tatmin edicidir çünkü bilimin doğru yolda olduğunu gösterir.
Ayrıca, bu özel düşük enerjili nötrino-karbon reaksiyonunun olasılığına dair yeni bir ölçüm sağlıyor. Bu, gelecekteki çalışmalar için faydalı olacak yeni bir nükleer fizik standardı belirlediği anlamına geliyor.
Güneş nötrinoları uzun yıllardır ilgi çekici bir çalışma konusu olmuştur ve öncül deneyimiz olan SNO tarafından yapılan bu ölçümler 2015 Nobel Fizik Ödülü'ne yol açmıştır. Güneş'ten gelen nötrinolar hakkındaki anlayışımızın o kadar ilerlemiş olması ve onları artık nadir atomik reaksiyonları incelemek için bir 'test ışını' olarak kullanabilmemiz dikkat çekicidir!
Araştırma, Physical Review Letters dergisinde yayınlandı.
