Büyük Patlamada 13 milyar yıldan fazla bir süre önce madde de eşit miktarda madde ve antimadde oluşmuş olsaydı, buluşma sırasında biri diğerini yok edecekti. Bugünün evreni enerjiyle dolu olacaktı. Ama madde halen var.
Bu gerçek, atomaltı parçacıklar ile bunların antipartikülleri arasındaki simetriyi açıklayan Standart Model denklemleri hakkında yanlış bir şey olduğunu göstermektedir.
Fiziksel Gözden Geçirme Mektupları’nda yayınlanan bir çalışmada, Enerji Bakanlığı’nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı tarafından yönetilen bir deney olan MAJORANA DEMONSTRATOR’un işbirlikçileri, arka plan radyoaktivitesinden hassas, ölçeklenebilir 44 kilogram germanyum detektör dizisini koruyabildiğini gösterdiler.
Bu başarı, nötrinoların yapısını incelemek için, yaklaşık bir ton detektör ile çok daha büyük bir gelecek deneyi geliştirmek ve önermek için çok önemlidir. Bu elektriksel olarak nötr parçacıkların, madde ile sadece zayıf bir şekilde etkileşime girerek, algılamalarını son derece zorlaştırır.
ORNL’den John Wilkerson ve Kuzey Carolina Üniversitesi’nden, Chapel Hill “Antimadde üzerindeki maddenin fazlalığı bilimdeki en etkileyici gizemlerden biridir” dedi. Wilkerson, 27 kurum ve 6 ülkeden 129 araştırmacının katıldığı MAJORANA DEMONSTRATOR’a liderlik ediyor.
Nötrinolüs Çift-Beta Çürümesi
Wilkerson “Deneyimiz atom çekirdeğinde“ nötrinolüs çift-beta çürümesi ”denen bir fenomeni gözlemlemeye çalışıyor. Gözlem, nötrinoların kendi antipartikülleri olduğunu ve evren anlayışımızı derinden etkilediğini gösterecektir. Ayrıca, bu ölçümler nötrino kütlesinin daha iyi anlaşılmasını sağlayabilir. ” dedi.
ABD Nükleer Bilimler Danışma Komitesi’nin Enerji Bakanlığı ve Ulusal Bilim Vakfı’na verdiği 2015 raporunda, nötrenolüssüz çift beta bozunumunu tespit etmek için ABD liderliğindeki bir ton ölçeğinde deney, nükleer fizik topluluğunun en önemli önceliği olarak kabul edildi.
Neredeyse bir düzine deney, nötrinolüs çift-beta bozunumu aradı. Gelecekteki birçok deney önerildi. Başarının anahtarlarından biri, nötrinolüslü çift beta bozunumunun sinyalini taklit edebilecek arka plandan kaçınmaya bağlıdır.
Bu MAJORANA DEMONSTRATOR’un önemli başarısıydı. Uygulaması Eylül 2016’da Güney Dakota’da, Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi’nde yaklaşık bir mil yeraltında tamamlandı. Deneyi neredeyse bir milin altında görmek, işbirlikçilerinin arka plandaki parazitleri azaltmak için attığı adımların ilki oldu.
Diğer adımlar arasında dünyanın en saf bakırından yapılan kriyostat ve kozmik ışınlar, radon, toz, parmak izleri ve doğal olarak oluşan radyoaktif izotoplardan kaynaklanan parazitleri ortadan kaldırmak için altı katmanlı karmaşık bir kalkan bulunuyordu.
Deneyde önde gelen bir bilim adamı olan ORNL’den David Radford “Nötrinolüs çift-beta bozunumu için arama yapacaksanız, radyoaktif arka planın aradığınız sinyale karşı koymayacağını bilmek son derece önemlidir.” diyor.
Atom çekirdeğinin parçalanması için birçok yol vardır. Yaygın bir bozulma modu, çekirdeğin içindeki bir nötronun bir elektron (bir “beta”) ve bir proton haline gelmesi için bir antinötrino ürettiği zaman meydana gelir.
MAJORANA İşbirliği
İki nötrino çift beta bozulmasında, iki nötron iki proton, iki elektron ve iki antinötrinos üretmek için eşzamanlı olarak bozulur. Bu süreç gözlenmiştir. MAJORANA İşbirliği, hiç gözlemlenmemiş benzer bir çürüme sürecine delil arar.
Kuvvetli etkileşimlerde yer almayan elektronlar, müonlar veya nötrinolar gibi lepton-atomaltı parçacıkların sayısının korunması, Standart Fizik Modeline yazılmıştır. Radford, “Bunun için gerçekten iyi bir neden yok, sadece durum böyle gözüküyor.
Ama lepton sayısı korunmazsa, çok erken evrende olduğunu düşündüğümüz süreçlere eklendiğinde, bu, antimadde’den neden daha fazla madde olduğunu açıklamaya yardımcı olabilir.” dedi.
Birçok kuramcı, lepton sayısının korunmadığını, nötronun ve karşıt lepton sayılarına sahip olduğu kabul edilen antinötrinoların, farklı şekillerde gerçekten aynı parçacık eğrileri olduğuna inanırlar. İtalyan fizikçi Ettore Majorana, bu kavramı 1937’de kendi antipartikülleri olan parçacıkların varlığını tahmin ederek tanıttı.
MAJORANA DEMONSTRATOR, germanyum kristallerini, hem çift beta bozunumu kaynağı hem de onu tespit etme aracı olarak kullanır. Germanyum-76 (Ge-76), daha küçük bir kütleye sahip olan selenyum-76’ya dönüşür.
Germanyum bozulduğunda, kütle elektronlar ve antinötrinos tarafından taşınan enerjiye dönüşür. Radford, “Tüm bu enerjiler elektronlara giderse, o zaman nötrinolar için hiç bir şey kalmaz. Bu, aradığımız etkinliği bulduğumuz açık bir tanımlayıcı.” dedi.
Bilim adamları iki nötrinoya karşı nötrenolüs bozma modlarını enerji imzası ile ayırırlar. MAJORANA İşbirliği’nin ortak sözcüsü olan Washington Üniversitesi’nden Jason Detwiler, “Deneylerimizin nötrinoları saptaması yaygın bir yanlıştır.”
“Bunu söylemek neredeyse komik, ama nötrinoların yokluğunu arıyoruz. Nötrenolüs bozunumunda, serbest bırakılan enerji her zaman belirli bir değerdir. İki nötrino versiyonunda, serbest bırakılan enerji değişir. Fakat her zaman nötrrinoless çift beta bozunmasından daha küçüktür. ” dedi.
Germanyum Çekirdeğinin Bozulması
MAJORANA DEMONSTRATOR, Ge-76’nın nötrenolüssüz çift beta bozunum yarı ömrünün, evrenin yaşından 15 kat daha büyük, en az 1025 yıl olduğunu göstermiştir. Yani tek bir germanyum çekirdeğinin bozulmasını beklemek imkansız.
Güney Carolina Üniversitesi’nden sözcü olan Vincente Guiseppe, “1026 çekirdeği daha kısa bir zaman diliminde izlemek yerine, uzun bir süre bir çekirdeği izleme imkânsızlığını elde ediyoruz” diye açıkladı.
Guiseppe, Ge-76’da nötrinoless bir çift beta bozunumu tespit etme şansının nadir olduğunu, her 100.000 iki-nötrino çift beta bozunumu için 1’den fazla olmayacağını belirtti. Büyük miktarlarda germanyum atomu içeren dedektörlerin kullanılması, nadir bozulmaların görülme olasılığını arttırır.
Haziran 2015 ile Mart 2017 arasında, bilim adamları nötrinolüs çürümesinin enerji profiliyle, henüz gözlemlenmemiş olan bir süreç gözlemlediler (bu, detektördeki az sayıdaki nükleer çekirdek dikkate alındı). Bununla birlikte, iki nötrino bozunmasının enerji profili ile birçok olayı görmeye teşvik edildiler. Dedektörün doğrulanması gözlenen çürüme sürecini tespit edebilirdi.
MAJORANA İşbirliği’ın sonuçları, GERDA (GERmanium Detector Array için) adlı, İtalya’da aynı fenomeni incelemek için tamamlayıcı bir yaklaşım olan, rakip bir deneyden elde edilen yeni sonuçlarla örtüşmektedir.
Radford, “MAJORANA DEMONSTRATOR ve GERDA’nın birlikte her nötrenolüssüz çift beta bozunma deneyinin en düşük geçmişe sahip olduğunu” söyledi.
MAJORANA DEMONSTRATOR
DEMONSTRATOR, arka planların daha büyük bir dedektör inşa etmeyi haklı çıkaracak kadar düşük olduğunu göstererek ton-ölçekli bir deney için zemin hazırlamak üzere tasarlanmıştır. Tıpkı daha büyük teleskopların daha fazla ışık toplaması gibi, cansız nesnelere bakmayı mümkün kılarken, germanyum kütlesinin artması, az görülen çürümeyi gözlemleme olasılığını artırır.
Mevcut denemeden 30 kat daha fazla germanyum ile, planlanan tek tonlu deney, yılda sadece bir germanyum çekirdeğinin nötrenolüssüz çift beta bozunumunu tespit edebilecektir.
MAJORANA DEMONSTRATOR’ın iki ya da üç yıl boyunca veri almaya devam etmesi planlanıyor. Bu arada, GERDA’yla birleşme, henüz belirlenmemiş bir alandaki aşamalarda inşa edilmesi planlanan, LEGEND adlı olası bir tek tonluk dedektör geliştirmeye yönelik çalışmalarda bulunuyor.
LEGEND demonstratörü LEGEND 200 ve muhtemel bir ton ölçeği deneyine doğru adım atmak GERDA, MAJORANA ve yeni dedektörlerin birleşimi olacak. Bilim adamları, 2021 yılına kadar LEGEND 200’ün ilk aşamasında başlamayı umuyorlar.
Onaylandığında, bir tonluk deney, LEGEND 1000, bir sonraki aşama olacaktı. LEGEND İşbirliği ortak sözcüsü ( geçen seneye kadar MAJORANA sözcüsü) Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’ndan Steve Elliott “Bu birleşme, her biri en iyi teknolojileri bir araya getirerek MAJORANA DEMONSTRATOR ve GERDA’daki kamu yatırımlarından yararlanıyor.” dedi.
