Nötrino Kendi Kendisinin Antiparçacığı mı?

Ancak nötrinolar ile antinötrinoların kimi özellikleri bilimcilerin şunu merak etmesine yol açıyor: İkisi aslında aynı şey mi? Nötrinolar kendi antiparçacıkları mı? Bu duyulmamış bir şey değil. Gluonların ve hatta Higgs bozonunun kendi kendilerinin antiparçacıkları oldukları düşünülüyor. Ama eğer nötrinoların kendi antiparçacıkları olduğu keşfedilirse, bu onların ufacık kütlelerini nereden edindiklerini açıklayabilir. Dahası, evrenin ilk anlarında nasıl olup da maddenin antimaddeye baskın çıktığı sorusunun anahtarı bu gizemli parçacıkta saklı olabilir.

Dirac ve Majorana

Antiparçacık fikri 1928 yılında, İngiliz fizikçi Paul Dirac’ın kendi adıyla anılan denklemi geliştirmesi ile ortaya çıktı. Çalışması, elektronların ışık hızına yakın hızlara çıkmaları durumunda ne olacağını anlamayı amaçlıyordu. Fakat yaptığı hesaplamalar tuhaf bir gerekliliğin belirmesiyle sonuçlandı: elektronlar bazen negatif enerjili olmalıydı.

“Dirac, denklemini yazdığı anda antiparçacıkların varolduğunu öğrenmiş oldu. Antiparçacıklar onun denkleminin bir sonucuydu,” diyor Northwestern Üniversitesi’nden kuramsal fizik profesörü André de Gouvêa.

Fizikçi Carl Anderson, Dirac tarafından öngörülen elektronun antimadde eşini 1932 yılında deneysel olarak keşfetti. Ona pozitron adını verdi; elektrona benzeyen ama pozitif yüklü bir parçacıktı bu.

Dirac’ın öngörüsüne göre zıt işaretli yükler taşımalarının yanısıra, antimadde eşlerin kiralite adı verilen bir özelliklerinin daha karşıt olması gerekiyordu. Kiralite, parçacıkların sahip olduğu içsel kuantum özelliklerden biridir ve her parçacık ya sağ kiraliteli ya da sol kiraliteli olur.

Dirac denklemi nötrinolar ile antinötrinoların farklı parçacıklar olmalarına izin veriyordu ve bunun sonucunda dört çeşit nötrino mümkün oluyordu: sağ elli nötrino, solak nötrino, sağ elli antinötrino ve solak antinötrino.Fakat şayet bilimcilerin o zamanlar düşündüğü gibi nötrinolar kütlesiz ise, sadece solak nötrinolar ve sağ elli antinötrinoların varolmasına ihtiyaç olacaktı.

1937 yılında İtalyan fizikçi Ettore Majorana bir başka kuram ileri sürdü: Nötrinolar ile antinötrinolar aslında aynı şeydir, dedi. Majorana denkleminin nötrino tanımına göre, eğer nötrinoların kütlesi varsa antinötrinolara dönüşebilir ve daha sonra da yeniden nötrinoya dönüşebilirlerdi.

Madde-Antimadde Dengesizliği

Nötrinoların sıfır kütleli olup olmadıkları 1998 senesine dek gizemini korusa da, Super-Kamiokande and SNO deneyleri çok küçük de olsa bir kütlelerinin olduğunu kesin olarak açığa çıkardı. Bu başarı 2015 Nobel Fizik Ödülü‘ne layık görüldü. O zamandan beri Asya, Avrupa ve Kuzey Amerika’daki çeşitli deney grupları, nötrinoların kendi antiparçacıkları olup olmadığını anlamak için uğraş veriyor. “Bunlar son derece zorlu deneyler. Biraz karanlık madde deneylerine benziyorlar, çünkü çok sessiz ortamlarda, çok temiz dedektörlerle ve radyoaktiviteden korunmuş biçimde gerçekleştirilmeleri gerekiyor,” diyor Gouvêa.

Kanıta giden yolda en önemli anahtar lepton sayısı korunumu. Bilimciler lepton sayısı korunumunu tıpkı enerji korunumu gibi temel bir doğa yasası olarak kabul ediyor. Dolayısıyla, bir etkileşime giren leptonlar ile antileptonların sayısının, etkileşimden önce ve sonra aynı kalması gerekiyor.

Bilimciler büyük patlamadan hemen sonra evrenin eşit miktarda madde ve antimadde içerdiğini düşünüyor. Bu iki parçacık tipi etkileşmiş olmalı ve yavaş yavaş birbirlerini yok ederek geride enerjiden başka birşey bırakmamalılardı. Ama bir şekilde öyle olmadı. Lepton sayısının korunmadığını anlamak, şu anki madde-antimadde dengesizliğine izin verecek bir kaçamak durumu izinli kılabilirdi. İşte nötrino etkileşimleri de bu kaçamak durumu bulabileceğimiz bir yer oluyor.

Nötrinosuz Çift Beta Bozunumu

Araştırmacılar lepton sayısı korunumu ihlalini bulmak için çift beta bozunumu süreçlerini inceliyor. En yaygın biçimiyle çift beta bozunumu, bir çekirdeğin başka çekirdeğe dönüşürken iki elektron ve iki antinötrino yayımlayışı biçiminde gelişir. Bu sayede leptonik madde ve antimadde bozunum öncesi ve sonrasında dengelenerek, lepton sayısı korunmuş olur.

Eğer nötrinolar kendi antiparçacıkları ise çift beta bozunumu sırasında yayımlanan antinötrinoların birbirlerini yok etmeleri mümkün olmalıdır. O takdirde de lepton sayısı korunmayacaktır. Buna nötrinosuz çift beta bozunumuadı verilir. Böyle bir tepkime antimadde ile madde arasında dengesizlik yaratabilir.

SLAC kuramcılarından nötrino uzmanı Alexander Friedland şöyle değerlendiriyor: “Kuramsal olarak parçacıkların kütlelerinin nereden geldiğine ilişkin anlayışımızın derinden sarsılmasına yol açabilir. Ayrıca çok çok yüksek enerji ölçeklerinde yeni fizik olduğunu, yani Standart Model’in ötesinde birşeyler olduğunu da söyleyebilir bize.”

Nötrinolar ile antinötrinoların farklı olma olasılıkları ve Dirac denkleminin belirttiği gibi iki nötrino, iki de antinötrino durumunun mevcut olma olasılığı var. Belki de gözlemlenemeyen iki durumun ele geçirilmesi çok zor olduğu için fizikçiler onları kaçırıyorlardır.

Ama nötrinosuz çift beta bozunumuna ilişkin kanıt bulunursa, o zaman da Majorana’nın düşüncesi doğru demektir; yani nötrino ile antinötrinonun aslında aynı parçacık olduğu anlaşılmış olur.