Nötrinolar Nasıl Üretilir ve Işınlanır?

Nötrinolar üzerinde çalışmak için, bilim insanları devasa dedektörlere nötrino ışınları gönderirler ve yeterince nötrinoya sahip olduklarına emin olabilmek için, bilim insanları çok yoğun nötrinolar içeren ışınlarla işe başlamak zorundadırlar.

Işını yoğunlaştırabilmek için, deneyde “nötrino boynuzu” adı verilen özel bir cihazın kullanılması gerekmektedir.

Bir deneydeki nötrino ışınları, kısa ömürlü parçacıkların yağmurundan doğar, protonların ışık hızına yakın bir hızda hareket ederken hedefe doğru çarpmalarıyla oluşurlar. İşte nötrino boynuzu burada devreye girer.

Hızlandırılmış protonlar, pionlar ve kaonları oluşturmak için hedefe çarptıklarında, bu kısa ömürlü parçacıklar nötrinolara bozunur. Nötrino boynuzu manyetik alan kullanarak parçacıkları yakalamak ve odaklamakla yükümlüdür. Pionlar ve kaonlar, nötrinolara bozunmadan önce acilen odaklanmak zorundadır. Pionlar ve kaonların aksine, nötrinolarmanyetik alanla etkileşime girmez, dolayısıyla onları doğrudan odaklayamayız.

Nötrino boynuzu olmadan, bir deneyde ışının içerdiği nötrinoların % 95’i kaybedilebilir. Bilim insanları ışın içerisindeki nötrinoların sayısını en yükseğe çıkarmak zorundadır çünkü nötrinolar maddeyle çok az etkileşime girerler. Ne kadar çok nötrinonuz olursa, onları araştırmak için o kadar çok fırsatınız olur.

Fermilab’da ışın fizikçisi olarak çalışan Jim Hylen; “Muazzam sayıda nötrinonuz olmak zorunda. Her zaman daha fazlası için mücadele edersiniz.” diye anlatıyor.

Manyetik boynuzlar olarak da bilinen nötrino boynuzları, 1961 yılında CERN’de Nobel Ödülü sahibi Simon van der Meer tarafından icat edildi. Ardından gelen yıllarda birkaç farklı laboratuvar da nötrino boynuzlarını kullandı. Günümüzde sadece Fermilab ve Japonya’daki J-PARC, nötrino boynuzlarının kullanıldığı büyük laboratuvarlara ev sahipliği yapıyor.

“Büyük laboratuvarlarla birlikte, Fermilab’da nötrino boynuzlarının inşa edilmesi konusunda derin tecrübeye de sahibiz.” diye anlatıyor Hylen.

Nasıl Çalışıyorlar?

Önce proton ışını, boynuzun içinde veya ucunda yer alan hedefe doğru çarpıyor. Güçlü bir proton ışını, alüminyum boynuza çarparsa onu rahatlıkla kırabilir, fakat grafit veya berilyum parçalarından yapılmış bir hedef ışının tüm gücüne karşı koyabilecek şekilde imal edilmiştir. Hedef ışın tarafından vurulduğunda, sıcaklığı birden 370 °C’nin üstüne fırlar ve hedef-boynuz sistemini, su soğutma ve hava akımı yöntemleriyle soğuk tutma işlemi bir zorluk haline gelir.

Işın bir kez hedefe vurduğunda, nötrino boynuzu çok geniş açılarda ortaya saçılan yan parçacıkları dedektöre doğru yönlendirir. Bunu yapabilmek için, boynuzun yüzeyleri boyunca, yaklaşık 200.000 amper büyüklüğünde güçlü bir elektrik akımını manipüle ederek oluşturulan manyetik alanları kullanır.

Bu esasında parçacıklar için bir mercek görevi gören devasa bir mıknatıstan ibaret” diye açıklıyor fizikçi Bob Zwaska.

Boynuzlar birbirlerinden çok az farklı şekillerde bulunurlar. Fakat dışarıdan genellikle, boruların ve diğer yardımcı donanımların karmaşık bir ağını filizlendiren, metal bir silindir gibi görünürler. İç tarafta ise, içteki bir iletken silindir ışının içerisinden geçebilmesi için boş bir tünel bırakır.

İçerideki ve dışarıdaki iletken levhalar üzerinde zıt yönlerde elektrik akımı hareket etmesinden dolayı, bu iletkenler arasında bir manyetik alan meydana gelir. Işının merkez ekseni boyunca hareket eden bir parçacık, iletkenler arasındaki manyetik alandan kaçarak tünele doğru sıkışır ve yol boyunca bu doğrultuda kalır. İletkenler arasındaki alana doğru kaçan her maceraperest parçacık, tekrardan merkeze doğru kovalanır.

Boynuzun elektrik akımı, nötrinolara bozunacak olan pozitif yüklü parçacıkları ışın doğrultusunda akıtıp, karşıt nötrinolara bozunacak olan negatif yüklü parçacıkları da dışarı atacak şekilde hareket eder. Akımı tersine çevirmek seçimi de tersine çevirir ve karşıt madde ışınları oluşturur. Deneylerde her iki ışın da kullanılabilir ve her iki ışına ait veriler karşılaştırılabilir. Nötrinoları ve karşıt nötrinoları araştırarak, bilim insanları evrendeki madde ve karşı madde asimetrisinden nötrinoların sorumlu olup olmadığını belirlemeye çalışırlar. Benzer şekilde deneylerde nötrinoların hedeflenen enerji aralıkları da, manyetik alanın gücü veya boynuzun şekli veya konumu değiştirilerek kontrol edilebilir.

Nötrino boynuzunu yapmak ve çalıştırmak da aynı zamanda uğraştırıcı olabilir. Boynuz, akımı sürekli eşit tutacak şekilde dikkatlice tasarlanmak zorundadır. Ve içteki iletken, parçacıkların yolunu engellemekten kaçınmak için, mümkün olabildiğince ince olmak zorundadır. Ve inceliğine rağmen, boynuz akımdan kaynaklanan ve kendisini parçalara ayırabilecek yüksek derecede sıcaklık ve basınca da dayanmak zorundadır.

“Bu tıpkı, boynuza yılda 10 milyon defa çekiçle vurmak gibi.” diyor Hylen.

Boynuz içerisinde oluşan değişik seviyelerdeki basınçtan dolayı, boynuzun tasarımının çok hassas derecede, rodelaların kullandığı özel şekle varana kadar dikkatli yapılması gerekir. Ve Fermilab yüksek enerjilerde nötrino deneyleri yürütebilecek hassas bir döneme girdiği için, titiz bir boynuz tasarımına ihtiyaç henüz ortaya çıkmış durumda.

“Boynuzlar aynı zamanda hem elektriksel, hem de yapısaldır. Onların olağanüstü derecede titiz bir şekilde yapıldığından emin olmak için çok fazla çaba sarf etmemiz gerekiyor.” diye anlatıyor Zwaska.

Kapak Görseli: Fermilab’da bulunan NuMI nötrino boynuzu

Kaynak
*Bilimfili - " Nötrinolar Nasıl Üretilir ve Işınlanır?"
http://bilimfili.com/notrinolar-nasil-uretilir-isinlanir/

İleri Okuma
http://phys.org/news/2016-08-funneling-fundamental-particles.html