Işınlanma İdi: Fizikçiler Teleskobu Deniz Altına Gömdü, Einstein’ın Görelilik Kuramını Sınadı

Algılayıcı bir birimin içindeki görünüm; yakındaki bir birim algılayıcının sarı şamandarının net biçimde göründüğü manzara.

(Image credit: Edward Berbee/Nikhef)

Fransa kıyılarının daha bir mile (1,6 kilometre) altında denizin derinlerine indirilen parçacık algılayıcı bir teleskop, Einstein’ın göreliliğinin temel ilkelerinden birini sınamış ve içinde herhangi bir zayıflık bulamamıştır.

Oscillation Research with Cosmics in the Abyss (ORCA) adlı algılayıcı, nörinolar olarak adlandırılan ve yakalaması zor parçacıkları algılayır. Doktora öğrencisiyken Alba Domi, teleskopun inşasına yardımcı olan iki tekneden birine binerek Akdeniz’e açılmış; algılayıcının ilk birimlerinden bazılarını, Toulon, Fransa açıklarında dalgaların yaklaşık 1,5 mile (2,4 kilometre) altında deniz tabanına indirmiştir.

Şimdi, o ilk algılayıcı birimlerden elde edilen veriler, Einstein’ın göreliliğinin kurucu ilkelerinden birini sınamak için kullanıldı: doğa yasalarının, hangi yöne baktığınızdan veya ne kadar hızlı hareket ettiğinizden bağımsız olarak aynı göründüğü fikri.

Latest Videos From

Live Science

Ekip, Lorentz değişmezliği olarak adlandırılan bu ilkenin bozulduğunu gösteren herhangi bir bulgu bulamadı. Ancak yalnızca planlanan boyutunun çok küçük bir kısmına sahip bir algılayıcıyla, çok daha büyük ve çok daha uzun süredir yürütülen deneylerle yarışır sınırlar belirlediler.

Sonuçlar Çarşamba (4 Kasım) günü Journal of Cosmology and Astroparticle Physics dergisinde yayımlandı.

Zamanspasta bir çatlak mı?

Fizik, iki başarılı teoriye dayanır: Albert Einstein’ın 100 yıldan fazla önce ortaya attığı genel görelilik ve atomaltı fiziğin Standart Modeli.

“Genel görelilik evreni kozmik ölçekte iyi biçimde açıklar; parçacık fiziinin Standart Modeli ise mikroskobik ölçeği, gerçekten tek tek parçacıkları ve nasıl davrandıklarını açıklar,” dedi çalışmanın ortak yazarlarından Erlangen-Nürnberg’de ileri düzey fizik alanında doktora yapan Lukas Hennig.

Her iki teori de Lorentz değişmezliğini doğru kabul eder. Ancak Big Bang’in ilk anları gibi uç koşullarda bu iki teori birbirleriyle uyumlu değildir. İşte bu durum, onları birleştiren bir kuantum yerçekimi teorisini arayan onlarca yıllık bir çabayı beslemiştir. İnce teori sürümleri ve döngülü kuantum yerçekimi gibi bazı aday teorisler, uzay-zamanın en küçük ölçeklerde gizli bir “taneli” yapıya sahip olabileceğini ve Lorentz değişmezliğinin — “evrenimiz hakkında kurduğumuz en temel varsayımlardan birinin” ihlal edilmiş olabileceğini öne sürmektedir, Hennig sözleriyle.

Bu tür bir ihlal son derece küçük olurdu. Onu yakalamak için fizikçilerin, uzun mesafalar kat edebilen ve yol boyunca hiçbir şeyle neredeyse etkileşime girmeyen bir proba ihtiyaçları vardır. İşte nötrinolar burada devreye girer.

Şekil değiştiren hayaletler

Nötrinolar, her saniye Dünya’nın içinden geçen, kütlesi neredeyse sıfır ve sıfır elektrik taşıyan parçacıklardır. Neredeyse hiçbir şeyle etkileşime girmezler ve üç türde bulunurlar: elektron, muon ve tau nötrinoları. Nötrinolar yol alırken, fizikçilerin nötrino salınımı olarak adlandırdığı öngörülebilir bir düzen içinde bir türden diğerine dönüşürler.

Tespit ünitesinin Dyneema ipine bağlanmış bir optik modül.

(Görsel kredisi: KM3NeT İşbirliği)

Lorentz değişmezliği bozulmuş olsaydı, bu salınım değişirdi ve etki nötrinolar ne kadar uzağa giderseler o kadar belirginleşirdi. Bu nedenle ekip, dünyanın başka yerlerinde koz ışınlarının atmosfere çarpmasıyla oluşan ve ardından Dünya’nın içinden geçerek deektöre ulaşan nötrinoları inceledi. Test edilen nötrinolardan bazıları Dünya’nın tüm 7.900 mile (12.700 km) genişliğini geçti.

ORCA, KM3NeT nötrino teleskopunun bir parçasıdır. Her tespit ünitesi deniz tabanına sabitlenmiştir ve içinde 31 ışık sensörü barındıran 18 cam küre içerir. Bir nötrino sudaki bir parçacıkla çıştığında, sensörlerin yakaladığı soluk mavi bir ışık parlar. Her küredeki çok sayıda sensör, ekibin ışığın hangi yönden geldiğini belirlemesine yardımcı olur, Domi açıkladı.

Yeryüzü kendisi bir süzgeç işlevi görüyor. Araştırmacılar yalnızca gezegenin içinden yukarı doğru hareket eden parçacıkları seçti ve aksi halde sinyali boğacak olan atmosferden gelen diğer parçacık selini eleyebildi. “Yalnızca nötrinolar geçebilir,” dedi Hennig.

Bu kurulum, Antarktika buzlarının içine gömülü Nobel ödüllü dedektör IceCube’un kurulumundan farklı. “Buz, sudan daha fazla ışığı saçıyor ama diğer yandan su, buzdan daha fazla ışığı soğuruyor,” dedi Domi; bu da her ekibin bir nötrino enerjisini ve yolunu yeniden inşa etme şeklini değiştiriyor.

Küçük ama güçlü

Araştırmacılar 2020 ve 2021 arasında yaklaşık 17 ay içinde toplanan 5.828 nötrino kullandı. Salınımın standart fizikle uyumlu olduğunu buldu. Bu, Lorentz ihlalinin var olması durumunda, bunun ekibin belirlediği sınırlardan daha zayıf olması gerektiği anlamına gelir.

Bu sınırlar kuramsallar için önem taşıyor. Bir model “Lorentz değişmezliğinin ihlalini [yeni sınırlardan daha güçlü biçimde] öngörüyorsa, veri onu eler. Bu durumda, bu modelin doğru olmadığından oldukça emin olabilirsiniz,” dedi Hennig.

Ekip, aynı zamanda muon nötrino ve tau nötrino’yu farklı muamele edecek türden bir ihlale dair ilk doğrudan sınırları belirledi.

Dedektörün birkaç temel ölçüdeki sınırları, 12 yıla ait veri kullanan Japonya’nın Super-Kamiokande’si ve tam diziliminden iki yıla ait veri kullanan IceCube ile rekabet eder düzeyde.

• Yeryüzünde bulunan en enerjik nötrino, Akdeniz’in dibinde algılandı
• Uzmanlar, Pasifik Okyanusundan bir nötrino dedektörü inşa etmeyi öngörüyor
• Zamânın başlangıcından kalma görmezden gelinen bir parçacık, evrendeki her şeyin neden var olduğunu açıklayabilir

“Yalnızca altı birimle rekabet eder sonuçlar elde ettiğimiz için şaşırdım,” dedi Hennig. Bugün suda 44 birim bulunuyor ve işbirliği, 2030’a kadar 108 birimi devreye almayı planlıyor.

En iyi deneylerin henüz önümüzde olduğunu belirten Domi, Lorentz ihlali etkilerinin uzaklık ve enerjiyle arttığını, dolayısıyla uzak kozmik kaynaklardan gelen nötrinoların “bu tür araştırmaları yapmak için aslında en iyi adaylar” olduğunu söyledi. Araştırmacı ekip, ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) adlı ORCA’nın kardeş dedektörünü kullanarak aramayı tekrarlamayı planlıyor; Sicilya kıyılarında konumlanan ve bu yüksek enerjili kozmik yolcuları yakalamak üzere tasarlanan dedektör.

Eğer uzay-zamanın bir tanecikli yapısı varsa, bu parçacıklar o yapının etkisini hisseden ilk parçacıklar arasında yer alabilir.

Adriani ve ark. (2026). KM3NET/ORCA’ın ilk altı tespit ünitesini kullanarak Lorentz değişmezliği ihlali için atmosferik nötron sınırlamaları. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. https://doi.org/10.1088/1475-7516/2026/11/012

Albert Einstein hakkında ne kadar bilginiz olduğunu Bize ait Albert Einstein bilgi yarışmasıyla öğrenin!