Elektronun ömrü duyulmadık sayılarda

Elektronun ömrü duyulmadık sayılarda
En az 66 bin “yottayıl”; evrenin yaşından 5 milyar “kentilyon” fazla...
İtalya’da bir yeraltı gözlemevindeki fizikçiler, elektronun gerçekten temel bir parçacık olup olmadığını
belirlemek için yapılan deney sonunda, bu parçacığın “herhalde” kararlı, yani bozunamaz olduğu
sonucuna vardılar. Bulgulara göre elektronun ömrü için alt sınır, metrik sistemdeki en yüksek ondalık
birimden on binlerce kat daha uzun! Bu, evrenimizin 13.8 milyar olan yaşının milyar kere milyar
katına karşılık geliyor.
Parçacık fiziğinin “anayasası” denebilecek olan ve atomaltı ölçeklerde etkileşen parçacıklar ve
kuvvetleri açıklayan “Standart Model” adlı kurama göre elektron, daha alt parçacıklardan oluşmayan
yani parçalanıp bozunmayan temel parçacıklar arasında yer alıyor. İtalya’daki Gran Sasso yeraltı
parçacık fiziği laboratuarında yapılan deneyi yürüten araştırmacıların vardıkları sonuç, evrenimizde
var olan herhangi bir elektronun, en az 66.000 “yottayıl” (6.6 x 1028 yıl), bir diğer ifadeyle
660.000.000.000.000.000.000.000.000.000 yıl sonra da var olacağı. Metrik sistemdeki en büyük
ondalık birim olan Yotta, 1024 sayısına (trilyon kere trilyon) karşılık geliyor. Bu da evrenimizin 13.8
milyarlık yaşının 5 kentilyon katı demek (1 kentilyon = 1018 ya da 1000.000.000.000.000.000).
Sıfırları tekrar tekrar saymaktan başınız dönmediyse devam:
Daha ayıntılı anlatımıyla Gran Sasso araştırmacılarının yaptıkları deney, elektronun bir foton ve bir
nötrinoya bozunup, elektrik yükünün korunumu ilkesini ihlal ederek Standart Model’in ötesinde yeni
bir fiziğin işaretini verip vermediğini görmeye yönelik. Standart Model’de, temel doğa kuvvetlerinden
elektromanyetik kuvveti taşıyan parçacık, daha basit deyimiyle “ışık parçacığı” olan foton, kütlesiz bir
parçacık. Nötrino ise temel doğa kuvvetlerinden (atom çekirdeklerindeki parçacıkları birbirine
bağlayan) “güçlü kuvvet”le, elektrik yükü taşımadığı için elektromanyetik kuvveti hissetmeyip,
yalnızca (atomların ve atomaltı parçacıkların başka atom ve parçacıklara dönüşmelerine yol açan)
”zayıf kuvvet” ten etkilenen, çok küçük
kütleli bir parçacık.
Elektron, bilinen fiziğe göre negatif
elektrik yükünü taşıyan en küçük kütleli
parçacık. Dolayısıyla, bozunabilir olması
halinde nötrinolar gibi daha da düşük
kütledeki parçacıkların ortaya çıkması
lazım. Ama yukarıda belirtildiği gibi
kütlesi elektrondan küçük parçacıklardan
hiçbiri elektrik yükü taşımadığından, olası
bir bozunma durumunda elektronun
yükünün de “kaybolması” gerekiyor ki,
bu da elektrik yükünüün korunumu
ilkesinin ihlali anlamına geliyor.
Dolayısıyla Standart Model’de elektron,
bozunamaz bir temel parçacık sayılıyor.
Ancak, Standart Model, deneylerle
doğrulanan başarılı öngörülerine karşın
fizikteki olguları açıklamakta tümüyle
yeterli değil. Dolayısıyla bir elektron
bozunması olayının bulunması doğanın
yeni ve daha tutarlı bir resminin elde
edilmesini sağlayacağından,
araştırmacılar bu bozunmanın peşine
düşmüşler.
İşaretçi fotonun peşinde
Araştırmacıların deney için kullandıkları
araç, Gran Sasso laboratuarının altında,
kozmik ışınlardan korunması için bir
dağın altında yaklaşık 1.5 km derinde inşa
edilmiş bir dedektör. Aslında Güneş’ten
gelen nötrinoları yakalayıp incelemek için
kurulmuş. Basit anlatımıyla, 300 ton
organik (karbon içeren) sıvıyla dolu ve
“çerenkov ışıması” denen özel bir ışığı
belirleyip şiddetini artıran 2212 ışık
yükselteciyle çevrili iç içe iki küreden
oluşuyor.
BOREXINO DEDEKTÖRÜ
İtalya’da Gran Sasso dağının altında, yüzeyden 1.4 km
derinlikte kurulu dedektörün asıl görevi, Güneş’in
merkezindeki farklı füzyon tepkimeleriyle ortaya çıkan
nötrinoları ayırt edebilmek. Dedektörün üzerindeki 1.4
km kalınlıktaki kaya blok, kozmik ışınlardan kaynaklı
müon akısını büyük ölçüde frenlemiş. Müon akısını
daha da düşürmek için küre biçimli “iç dedektör”, içi
2100 ton saf suyla dolu ve 208 ışık sensörü (ışık
yükselteci) ile donatılmış,16.9 myükseklikte ve 18 m
çapında kubbeli bir silindir biçimli “dış dedektör” ile
korunuyor. Bu kalkan, kaya blokundan geçebilen
kozmik parçacıkların yol açtığı Çerenkov ışınımını
sensörler ile belirleyerek bunların ayıklanmasını
sağlıyor; ayrıca kaya bloktaki radyoaktif
bozunmalardan çıkan nötronları da soğuruyor. İç
dedektördeyse, iç içe küre şeklinde iki naylon kılıf
içinde organik sıvılar bulunuyor. Dış kılıftaki 200 ton
sıvı, dış kalkandan geçen istenmeyen parçacıkları
yakalayan ek bir kalkan görevi yaparken, 100 ton
organik sıvıyla dolu ve 2212 sensörle çevrili iç kılıfta
da, nötrino etkileşimlerinin yol açtığı Çerenkov
ışınımının özelliklerine bakılarak nötrinolartın hangi
tepkimelerden kaynaklandığı belirleniyor.
Çerenkov Işıması
Gran Sasso ekibinin aradığı, varsayımsal
bir elektron bozunması durumunda bir
nötrinoyla birlikte ortaya çıkacağı
öngörülen 256 keV (256 bin
elektronvolt) enerjide bir foton. Bu
fotonun, sıvıdaki elektronlardan biriyle
etkileşime girmesi halinde ışık
sensörlerinin yakalayacağı, “Çerenkov
ışıması” denen bir ışığın ortaya çıkması
gerekiyor.
Keşfin sahibi Rus fizikçi Pavel Alekseyevich
Cherenkov’un adıyla “Çerenkov Işınımı” diye
adlandırılan olgu, boşlukta (vakum) saniyede
300.000 km hızla hareket eden ışığın, daha yoğun
ortamlarda (Ör: hava, su, cam vb.) daha yavaş
hareket etmesi ve elektrik yüklü parçacıkların,
yoğun ortamdaki ışığın hızından daha hızlı giderken
ışınım yaymaları ilkesine dayanıyor. Nötrino
dedektörlerinde, nötrinoların, depodaki sıvı içinde
son derece ender olarak bir atomla çarpışıp
etkileşmesinde ortaya çıkan negatif elektrik yüklü
parçacıklar, (genelde elektronlar), ya da kozmik
ışınların (genelde ışık hızına yakın hızda protonlar)
atmosferdeki moleküllerle çarpışması sonucu ortaya
çıkan ve elektronun daha ağır bir türü olan müonlar,
sıvı içinde “ışığın o ortam içindeki hızından daha hızlı
olarak” yol alırken artlarında bıraktıkları türbülans,
düzgün fazda bir şok dalgası halinde ışıma yapar.
Çerenkov ışınımı denen bu ışınım da özel ışık
sensörlerince belirlenebilir.
Fizikçiler, 2012 Ocak ayından, 2013
Mayıs’ına kadar olan sürede ışık
sensörlerinin yakaladığı sinyalleri
tarayarak 256 keV enerji düzeyindeki
fotonları aramışlar. Ancak, dedektör
içinde radyoaktif bazı maddelerin
bozunmasından ya da nötrinoların
sıvıdaki atomlarla etkileşiminden
kaynaklanan bu enerjideki tüm
fotonların belirlenip çıkarılmasından
sonra, bu süre içinde hiçbir elektron
bozunması işareti gözlenmemiş.
Borexino dedektöründeki organik sıvıda
1032 (100 katrilyon kere katrilyon)
elektron bulunduğu hesaplandığından,
araştırmacılar bir elektronun “ortalama”
ömrünün minimum değerinin 6.6 X 1026
yıl olduğu sonucunu çıkarmışlar.
Borexino araştırmacılarına göre
dedektördeki yabancı ışınım
kaynaklarının daha da perdelenebilmesi
halinde elektronun minimum yaşam
süresi 1031 yıla yükselebilir.
İyilşetirmeden sonra dedektör ayrıca
elektronların olası “ilave boyutlara”
kaçarak kaybolması olasılığı da
araştırılabilir.
Raşit Gürdilek
KAYNAKLAR:
“Electron lifetime is at least 66,000 yottayears”, Physics World, 9 Aralık 2015
“Real-time solar neutrino spectroscopy atlow energies”, Max-Planck-Institut für Kernphysik,
(Particle & Astroparticle Physics), https://www.mpi-hd.mpg.de/lin/research_bx.en.html
“Electron”, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Electron