Katalog

www.iku.edu.tr BİLİM KÜLTÜR VE EĞİTİM TC İSTANBUL KÜLTÜR ÜNİVERSİTESİ Astroparçacık Fiziğinin Avrupa'daki Güncel Durumu ve Gelecek Yol Haritası M. B. 0/e/, Çağ Üniversitesi Uzay ve Astronomı Ofisi, Tarsus-Mersin [email protected]; [email protected] Astroparçacık fîziği, bir disiplinler-arası alan olarak par- çacık fiziği, astronomi ve kozmolojinin ara kesitinde bulunur. Son 20 yılda, emekleme ve çocukluk donemini tamamlaya- rak teknik ve kuramsal düzeylerde olgun bir alan durumuna yükseldi. Bu alanda çalışanlar, 100 milyon dolarla ifade edi- len dünya (,-apında ciddi projelerle uluslararası ortaklıklarla gerçeklestirilebiliyor. Boyle bir koordinasyonu Avnıpa çapında gerçekieştirmek üzere bir Roadmap Coordination Gımmittee for Astroparticle Physics Europen Coordination (ApPEC, Astroparçacık Fiziği Avnıpa Koordinasyonu için Yol Haritası Komitesi) kuruldu ve önümüzdeki dönemler için bir öneri- ler paketi hazırlandı. Bu yazıda, alanın temel sorunlan ve gün- demi yanında, önerilen projelerin kısa bir özeti ile Türkiye'de yürütülen bazı astroparçacık fiziği çalışmaları özetlenecek. I. Giriş Astnıparv.ıcık fizigi, par<,-acık fizigi, asrronoıni ve «jinıdi- lerde de kozmolojinin ctkin olarak katıldıgı ortak bir araşnrıııa alaıiklır. Konunun yayKinla$ınası, 2002VIt- bıı kunıulaki ilk Nobel (Hİüliinün verilmt-si ile başjaınış sayılabilir. Uzıın bir siiredir (îıines, nötrinolarını izleyerek Güneş modcllcrtnin de- nctlenmesini saglayan R.Davis ve SN 1987A süpemova.sı nöt- rinolarını k'ozleycn M. Koshiba, nötrino penceresini f»özlemlere kesin şekildc a^iııış olıuaları nedeııiyle birlikte Nobcl ödü- lüne layık «orüklij. Rıı jjözlcınler, dcdcktör fizijSi, paı\*ıcık fizifîi ve asrrofizi- ğin (,ok bajjarılı bir senteziydi. C uineç nötrimvsıı (^izk-nılcri nöt- rinoların kürleye salıip oldukları yolundaki ilk sağluııı delil- leri ile biliın dünyasına sıııuıyordu. İWle, Astroparçacık Fiziği (ApF) ı^ılışmaları, paıy.ıuk fiziği, astronomi vı- koznıolojinin ara kesitinde ortaya (,ikan bir disiplinlerarası alandır.. (îünes, ve süpernova (SN) nötrinoları, bu alanın Evren'i iiKL'leıne c.'alışmalarımızda a<,Ti£ı tek pencere dc dcğildir. Çok yüksek enerjili gaına ışınlarının (ÇOYEGI) ycr-konu^lıı Çcrenkov lelcskopları ile kaydedilıncleri, bu yoldaki diğcr bir Kelijinedir. Yer dışı ÇOYEIÎI kaynağı sayısı 198yda I iken 19%'da Ve, 2006 sonlarında ise yaklajık 40'a yülcsclJi. Böyleıe bu bcilnedt Evren'in jaşııtıcı zenginliktt; yeni ve gizemli olay- lar i(,frdij5ı ortaya ı,iktı. Şekil l'de bu kaynakların konumla- rı ve İH;lirlenebilen türleritfözlerönüne serilınckte. ApF'nin diger sonıujarı da ulajtıkları dııyarlılık dtizeyleri bakııııındaıı jjiderekartanbirkeşifporansiyılinı i(,-|erimle taş- maktadırlar. Bıınlar arasında en önemlileri olarak, (i) karanlık maddeyi olu^turabilecek par<,;ıcıkların ar.ınıııa.sı, (ii) proto- nun bozunma yarı ömrünün belirlenmesi ve (iii) nötrinolu* rın kütlelerinin mııtlak değerlerinin belirlenmesi sayılabilir. II. Temel Sorular ve Sorunlar Avnıpa Par\acık Asrrofizifii Yol Haritası Konıitesi'nin so- rular listesi( 1) şunları içvriyor: -Evren'in yapıtuşları nelerdir.' C^zellikle de karanlık madde nedir.' -Protonlar sonlu bir yarı ömre ıni sabipler.' -Kozmik ışınların kaynağı nedir.' Uzayın «,t>k yüksek cner- jilerdeki rt-smi nasıldır? -Kütle-^vkiııısel dal^alar bize Hvrt'n lıakkında ycni nt-lt'r söyleyecekler.' -Nötritıoliirın temel ı'cellikleri ve bıınların Evretı'in ev- rimindt-kı rollı-ri ıu-dir.' -Nötrinolar, (lüııeg vc l'Hinya'nın i(,i/nıerkezi vc SN pat- lamaları lıakkında .soylalıklcri.' Rıı soruların lıerban^i birisi i(,in elde edileıek yanıtlar, Evren'i anlayısınıızda yeni Kelişınclm- ve yeni v<ılı^ına alan- brının doKinasıııa yol a^.K'aklardır. II. 1 Karanlık Maddenin Pejinde: Karanlık cııc-rjı 11111- amma.sının t,x>zııınıi olarak ileri sürülen cn nü«,-lii <,t')züm, cr- ken-evren döncmlcrindc yaratılabilı-cck Zayıf-Etkilcşjmli- Yiiksck Kütleli- Par^-.tciklar (Weakly Inter.U'tiııc Massive Particles), yani WIMP'lıT. Bıınlar i\'in en doğal aday 'Minimal SüpiT Sinu'trik Moık-llcr' olarak bilinen kııramla- rııı en lıafiı paıy.ıugı nötralino'dıır.. WIMP ara^tınııalarının (Hİaklandıgı süre<,- isc, derin yeralrı ıledektürlerinde c,vkir- dcklerin WlMP'lerle yapacajjı (,-arc>ısmalardaki fjeri-tepnıe er- kisinin (ilı,iilnıe.sidir. Ancak, şiıııdiye kadar lıi^ıir WIMP ola- yı adayı ^özlenmenıi^rir (2). Tıını karanlık maddenin bu ekzotik türdcn pan.'.uıklar- dan oluştugıı varsayımı ile, hedef kütlesi birkavk^. olan de- neylerle, WIMPetkin kesitinin IO**(- 4M |IO4 1 | cııv'den büyük olduğıı hesaplanabilir. Deney dııyarlılıklarının birkat,' yılda 10 kat, H-10 yılda da 1000 kat kadar Histirilıne.si l^k- lcnmekrcdir. Yani, j;eleıek 10 yılda, karanlık maddenin sii- pcrsimetrik pan.'acıklardan olu^maM dııruımıııda ve ard- alan (yürültii) düzcyiııi olııştııran sinyallcrin dalıa ctkin red' dedilmcsi .sajjlanabilirse, bu paı\-<ıı;ıkların kcjlinm oldtık<,-a yük- sek olasılığı vardır. Dedektorlerin ^x)ğunluğıı, 10-20 ıııilikelvin(-273(' ci- varında) sıcaklıklarda (.-.ılı^ın, bolomcrrik (riiııı cncrjiyi al- playabilen) rürdcn, iyonlajma vc ışıldaına (scintillation) et- ki.sini, sıvı asal gazlar (Xe, Ar) kullanarak kaydetlen sistem- lerdir. Dünyadaki 20'den fazla Karanlık Madde dencyinin bir- ka«,' tiuıesinin 1-2 yıl içinde, binlcrcc tonlıık heılef madde i(,v- rcn ve sıfıra yakın Kürültü düzeylerinde (,-<ılı;an dcneylere dö- niişmesi beklenınektedir. II. 2 'Proton Bozunması' Deneyleri: Par<,-acık fiziğinin Büyük Birle^im Kııramliirı ((îrand Unified Tlıeories, CîUTs), protonun sonlu bir ömrü oldugunıı öntıörüyor. Bıınun te- melinde, Büyük Patlaına ve kozmik madde-anriınadde bakı- {inuızlığı var. Japon 'Süper Kamiokande' deneyi verileri, pro- ron yasam süresinin (10**M) |10 H ] yıldan ıızun olduğunu gf\s- ternıi$ri. Bu CiUT kuranıın tahminlerine çok yakın dü;- mektedir. DedekUirduyarlılıklarındaki yeni ilerlemeler, an- cak 100 bin veya 1 milyon (10M0 6 ) tonluk dedektörlcrle mümkün (,'öriinüyor. II. 3 Evrensel Nötrino Spektrumu ve NötrinoAstronomisi: Proton bozunma deneyleri, kozmik notrinoları da ölçebilme kabiliyetindedir. Nötrinoların CilJT kuramlarınca öngürülen encrji spektrumu Şekil 2'dekı gibidir. CÖn^örüler araüindaki KULTUR MllM * • « • ". *• • . . . Şekil 1: GeV (Milyar/Giga elektron Volt) enerjilerde Gaına Işınlarında gökyüzü Bunların bir bölümii, metinde üzerinde durulan TeV (Trilyon/Tera elektron Volt) gama ışın kaynaklarıdır. TeV kaynak- larının sayısı 1996'da sadece 3 iken bugün farklı karakterlerde 40 kadar gök cismi TeV enerjilerde gözlenebilmektedir. Bunlar ara- sında, etkin gökada çekirdekleri, süpernova kalıntıları, atarcalar, x-ışın çiftleri yanında, önemlı sayıda dogası belirlenememiş kaynaklar , (DBK) bulunmaktadır. Bu Samanyolu Koordıııat Sistemi gösteriminde, elipsoidin ortası Samanyolu Merkezi yönünü işaret etmektedir. , Samanyolu Diizlemi (+180'den -180'e uzanan hat boyunca görülen 1 ve SM bölgesinde yoğunlaşan DBK büyük olasılıkla Samanyolu içi kaynaklardır. Yüksek enlemlerdeki kaynaklar ise, genellikle, j Samanyolu ötesi ve kozmolojik uzaklıklarda oluşumlardır Ktineş iKirrinolan, dünya ve atınosfer-kökenli m'ıtrinolar, re- aktör nürrinoları ve SN 19H7A'dan jjclen SN patlaması n<it- rinoları şimdidcn kaydcdilıni) ılıırıııııdadırlar ve gelecek ktı- }ak bozunma deneyleriıule zaten Közleneceklerdir. Diğer K'1 ' rülmesi kesin sayılan, fakar hetıüz lıı^ıir kaydı yapılamayan nötrino ışııııa liirleri arasında: (I) ı,X)k yüksek enerjili pro- roııların 3K kozmik mikrodal^a ardalan fotonları ile v< ır P'ü' malarında ortaya «,'ikacak olan GZK (Greisen- Zatsepin- Kuznıin) notrinoları ve (2) etkin-gtikada-\ekinlekleri (AGN) kökenli olan nötrinolar vc (J) 1,9K kozmik nötrinolar da var- dır. Ancak, 2,7K mikriKİal^ı ardalamnın analogu olarak on- Körülıni^ olan bu sonuncuların II;LSII ^özlenebileceöi yönünde lıeniiz pratik bir öııeri yoktıır. Gelecek kıışak proton-bozunması deneyleri, SN'lerden beklenen notrinoları, 1000 kat veya dalıa fazla oranda yük- sek sayıda (lıer patlama i<,in, 1987A'dan nözlenen 20 olay ye- rine I04 -10s olay olarak) kaydedeccklerdir. Güne; nötrino- lan ve dünyanın içinde yaranlan nötrinoların incelcnmcsinden de daha detaylı sonuç/lar beklenınektedir.... llalen ) farklı nötrino al^ılama rcknigi üzerinde (,-alı;ıl- maktadır: (i) Süper-Kamiokanda tipi, sııdan KC\VU par(,*a- cıkların Çcrenkov ışımasını hedefleyenler (i), (ii) sıvı ışıl- dayıcılar (sintilarörler) kııllananlar ve (iii) sıvı aryon kıılla- nan al^ılayıcılar. Şimdilerde sürmekte olan dedekrör tasarım (.•.ılıjmahırının 2010'ıla bir rek orrak uluslararası reklife (Kİaklanıııa.sı beklenınektedir. Bıınun maliyeti S00 ila 1000 milyon Avro (M€) civarındadır. Mübendislik c/alışmalarının 2O12'de ba^laması ve paranın I/Vniin 2016'ya kadar lıarca- narak hedeflcnen algılayıcıların inyısmda ilk önemli adıın- ların gerçt.-klejtirilmi; olması hedeflenmektedir. Haftaya: Çok Yüksek Enerjilerde Evren ve Türkiye'deki çalifmalar.