Bilim İnsanları Güney Kutbu’nda Kuantum Yerçekiminin Varlığına Dair Kanıt Arıyor

Bilim İnsanları Güney Kutbu’nda Kuantum Yerçekiminin Varlığına Dair Kanıt Arıyor

Güney Kutbu yakınlarında bir kilometrekarelik bir alana yayılmış binlerce sensör, fizikteki en büyük sorulardan birini yanıtlamakla görevli: kuantum yerçekimi var mı? Sensörler, uzaydan Dünya’ya gelen nötrinoları (elektrik yükü olmayan ve neredeyse kütlesiz parçacıklar) izliyor. Kopenhag Üniversitesi Niels Bohr Enstitüsü’nden (NBI) bir ekip, kuantum yerçekiminin var olup olmadığını ortaya çıkarmak için nötrino verilerinden yararlanan yöntemin geliştirilmesine katkıda bulundu.



“Eğer inandığımız gibi kuantum yerçekimi gerçekten varsa, bu fizikteki mevcut iki dünyanın birleşmesine katkıda bulunacaktır. Günümüzde klasik fizik yerçekimi gibi normal çevremizdeki olayları tanımlarken, atomik dünya sadece kuantum mekaniği kullanılarak tanımlanabilmektedir.

“Kuantum teorisi ve kütle çekiminin birleştirilmesi, temel fizikteki en önemli zorluklardan biri olmaya devam ediyor. Bu amaca katkıda bulunabilirsek çok tatmin edici olur,” diyor NBI’da Yardımcı Doçent olan Tom Stuttard.

Stuttard, Nature Physics dergisi tarafından yayınlanan bir makalenin ortak yazarıdır. Makale, NBI ekibi ve Amerikalı meslektaşları tarafından yapılan büyük bir çalışmanın sonuçlarını sunuyor. 300.000’den fazla nötrino üzerinde çalışılmıştır.

Ancak bunlar uzayın derinliklerindeki kaynaklardan gelen en ilginç türden nötrinolar değildir. Bu çalışmadaki nötrinolar, uzaydan gelen yüksek enerjili parçacıkların nitrojen veya diğer moleküllerle çarpışması sonucu Dünya atmosferinde oluşmuştur.

“Dünya atmosferinden kaynaklanan nötrinolara bakmak, uzaydan gelen kardeşlerine göre çok daha yaygın olmaları gibi pratik bir avantaja sahip. Metodolojimizi doğrulamak için çok sayıda nötrinodan elde edilen verilere ihtiyacımız vardı. Bu şimdi başarıldı. Böylece, uzayın derinliklerinden gelen nötrinoları inceleyeceğimiz bir sonraki aşamaya geçmeye hazırız” diyor Stuttard.

Dünya’da rahatsız edilmeden seyahat etmek

IceCube Nötrino Gözlemevi Antarktika’daki Amundsen-Scott Güney Kutbu İstasyonu’nun yanında yer almaktadır. Diğer birçok astronomi ve astrofizik tesisinin aksine IceCube, Dünya’nın karşı tarafındaki, yani Kuzey yarımküredeki uzayı gözlemlemek için en iyi şekilde çalışmaktadır. Bunun nedeni, nötrino gezegenimize ve hatta onun sıcak, yoğun çekirdeğine mükemmel bir şekilde nüfuz edebilirken, diğer parçacıkların durdurulacak olması ve bu nedenle sinyalin Kuzey yarımküreden gelen nötrinolar için çok daha temiz olmasıdır.

IceCube tesisi ABD’deki Wisconsin-Madison Üniversitesi tarafından işletilmektedir. IceCube işbirliğine dünyanın dört bir yanındaki ülkelerden 300’den fazla bilim insanı katılmıştır. Kopenhag Üniversitesi, nötrino çalışmaları için IceCube merkezine sahip 50’den fazla üniversiteden biridir.

Nötrino elektrik yüküne sahip olmadığından ve neredeyse kütlesiz olduğundan, elektromanyetik ve güçlü nükleer kuvvetler tarafından rahatsız edilmez ve orijinal haliyle evrende milyarlarca ışık yılı seyahat etmesine izin verir.

Kilit soru, nötrinonun özelliklerinin büyük mesafeler kat ederken aslında tamamen değişip değişmediği ya da her şeye rağmen küçük değişikliklerin dikkate değer olup olmadığıdır.

Stuttard, “Eğer nötrino şüphelendiğimiz ince değişikliklere uğrarsa, bu kuantum kütleçekiminin ilk güçlü kanıtı olacaktır” diyor.

Nötrinonun üç çeşidi vardır

Ekibin nötrino özelliklerinde hangi değişiklikleri aradığını anlamak için bazı arka plan bilgilerine ihtiyaç var. Biz onu bir parçacık olarak adlandırsak da, nötrino olarak gözlemlediğimiz şey aslında kuantum mekaniğinde süperpozisyon olarak bilinen, birlikte üretilen üç parçacıktır.

Nötrino üç temel konfigürasyona sahip olabilir – fizikçiler tarafından adlandırıldıkları şekliyle tatlar – bunlar elektron, müon ve tau’dur. Bu konfigürasyonlardan hangisini gözlemlediğimiz nötrino hareket ettikçe değişir, bu nötrino salınımları olarak bilinen gerçekten garip bir olgudur. Bu kuantum davranışı, kuantum tutarlılığı olarak adlandırılan binlerce kilometre veya daha uzun bir süre boyunca korunur.

“Çoğu deneyde tutarlılık kısa sürede bozulur. Ancak bunun kuantum kütleçekiminden kaynaklandığına inanılmıyor. Bir laboratuvarda mükemmel koşullar yaratmak çok zordur. Mükemmel vakum istiyorsunuz, ama bir şekilde birkaç molekül içeri sızmayı başarıyor vs.

Stuttard şöyle açıklıyor: “Buna karşılık nötrinolar, etraflarındaki maddeden etkilenmemeleri bakımından özeldir; dolayısıyla tutarlılık bozulursa bunun insan yapımı deney düzeneğindeki eksikliklerden kaynaklanmayacağını biliyoruz.”

Birçok meslektaşım şüpheciydi

Nature Physics’te yayınlanan çalışmanın sonuçlarının beklendiği gibi olup olmadığı sorusuna araştırmacı şu yanıtı veriyor: “Kendimizi bilim projelerinin nadir bir kategorisinde bulduk, yani yerleşik bir teorik çerçevenin bulunmadığı deneyler. Dolayısıyla ne bekleyeceğimizi bilmiyorduk. Ancak, bir kuantum kütleçekim teorisinin sahip olmasını bekleyebileceğimiz bazı genel özellikleri araştırabileceğimizi biliyorduk.”

“Kuantum yerçekimiyle ilgili değişiklikleri görme umudumuz olsa da, bunları görmemiş olmamız gerçek olduklarını hiçbir şekilde dışlamaz. Antarktika’daki tesiste bir atmosferik nötrino tespit edildiğinde, tipik olarak Dünya’nın içinden geçmiş olacaktır. Bu da yaklaşık 12,700 km anlamına gelir; uzak evrenden gelen nötrinolara kıyasla çok kısa bir mesafe. Görünüşe göre, kuantum kütleçekiminin, eğer varsa, bir etki yaratması için çok daha uzun bir mesafeye ihtiyaç var” diyen Stuttard, çalışmanın en önemli amacının metodolojiyi oluşturmak olduğunu belirtiyor.

“Yıllar boyunca pek çok fizikçi, deneylerin kuantum yerçekimini test etmeyi umut edip edemeyeceğinden şüphe duydu. Analizimiz bunun gerçekten mümkün olduğunu gösteriyor ve astrofiziksel nötrinolarla gelecekte yapılacak ölçümlerin yanı sıra önümüzdeki on yıl içinde inşa edilecek daha hassas dedektörlerle bu temel soruyu nihayet yanıtlamayı umuyoruz.”

Kaynak: https://phys.org

Derleyen: Figen Berber 

Kuantum Arayışında Şimdiye Kadarki En Küçük Yerçekimi Ölçümü Yapıldı