Katalog

Astroparçacık Fiziğinin Avrupa’daki Güncel Durumu ve Gelecek Yol Haritası M. E. Özel, Çağ Üniversitesi Uzay ve Astronomi Ofisi, TarsusMersin [email protected] ; [email protected] Astroparçacık fiziği, bir disiplinlerarası alan olarak parçacık fiziği, astronomi ve kozmolojinin ara kesitinde bulunur. Son 20 yılda, emekleme ve çocukluk dönemini tamamlayarak teknik ve kuramsal düzeylerde olgun bir alan durumuna yükseldi. Bu alanda çalışanlar, 100 milyon dolarla ifade edilen dünya çapında ciddi projelerle uluslararası ortaklıklarla gerçekleştirilebiliyor. Böyle bir koordinasyonu Avrupa çapında gerçekleştirmek üzere bir Roadmap Coordination Committee for Astroparticle Physics Europen Coordination (ApPEC, Astroparçacık Fiziği Avrupa Koordinasyonu için Yol Haritası Komitesi) kuruldu ve önümüzdeki dönemler için bir öneriler paketi hazırlandı. Bu yazıda, alanın temel sorunları ve gündemi yanında, önerilen projelerin kısa bir özeti ile Türkiye’de yürütülen bazı astroparçacık fiziği çalışmaları özetlenecek. I. Giriş Astroparçacık fiziği, parçacık fiziği, astronomi ve şimdilerde de kozmolojinin etkin olarak katıldığı ortak bir araştırma alanıdır. Konunun yaygınlaşması, 2002’de bu konudaki ilk Nobel ödülünün verilmesi ile başlamış sayılabilir. Uzun bir süredir Güneş nötrinolarını izleyerek Güneş modellerinin denetlenmesini sağlayan R.Davis ve SN1987A süpernovası nötrinolarını gözleyen M. Koshiba, nötrino penceresini gözlemlere kesin şekilde açmış olmaları nedeniyle birlikte Nobel ödülüne layık görüldü. Bu gözlemler, dedektör fiziği, parçacık fiziği ve astrofiziğin çok başarılı bir senteziydi. Güneş nötrinosu gözlemleri nötrinoların kütleye sahip oldukları yolundaki ilk sağlam delilleri de bilim dünyasına sunuyordu. Özetle, Astroparçacık Fiziği (ApF) çalışmaları, parçacık fiziği, astronomi ve kozmolojinin ara kesitinde ortaya çıkan bir disiplinlerarası alandır.. Güneş ve süpernova (SN) nötrinoları, bu alanın Evren’i inceleme çalışmalarımızda açtığı tek pencere de değildir. Çok yüksek enerjili gama ışınlarının (ÇOYEGI) yerkonuşlu Çerenkov teleskopları ile kaydedilmeleri, bu yoldaki diğer bir gelişmedir. Yer dışı ÇOYEGI kaynağı sayısı 1989’da 1 iken 1996’da 3’e, 2006 sonlarında ise yaklaşık 40’a yükseldi. Böylece bu bölgede Evren’in şaşırtıcı zenginlikte yeni ve gizemli olaylar içerdiği ortaya çıktı. Şekil 1’de bu kaynakların konumları ve belirlenebilen türleri gözler önüne serilmekte. ApF’nin diğer sonuçları da ulaştıkları duyarlılık düzeyleri bakımından giderek artan bir keşif potansiyelini içlerinde taşmaktadırlar. Bunlar arasında en önemlileri olarak, (i) karanlık maddeyi oluşturabilecek parçacıkların aranması, (ii) protonun bozunma yarı ömrünün belirlenmesi ve (iii) nötrinoların kütlelerinin mutlak değerlerinin belirlenmesi sayılabilir. II. Temel Sorular ve Sorunlar Avrupa Parçacık Astrofiziği Yol Haritası Komitesi’nin sorular listesi(1) şunları içeriyor: Evren’in yapıtaşları nelerdir? Özellikle de karanlık madde nedir? Protonlar sonlu bir yarı ömre mi sahipler? Kozmik ışınların kaynağı nedir? Uzayın çok yüksek enerCBT 1198 / 14 5 Mart 2010 jilerdeki resmi nasıldır? Kütleçekimsel dalgalar bize Evren hakkında yeni neler söyleyecekler? Nötrinoların temel özellikleri ve bunların Evren’in evrimindeki rolleri nedir? Nötrinolar, Güneş ve Dünya’nın içi/merkezi ve SN patlamaları hakkında söyledikleri? Bu soruların herhangi birisi için elde edilecek yanıtlar, Evren’i anlayışımızda yeni gelişmelere ve yeni çalışma alanlarının doğmasına yol açacaklardır. II. 1 Karanlık Maddenin Peşinde: Karanlık enerji muammasının çözümü olarak ileri sürülen en güçlü çözüm, erkenevren dönemlerinde yaratılabilecek ZayıfEtkileşimliYüksek Kütleli Parçacıklar (Weakly Interacting Massive Particles), yani WIMP’ler. Bunlar için en doğal aday ‘Minimal Süper Simetrik Modeller’ olarak bilinen kuramların en hafif parçacığı nötralino’dur.. WIMP araştırmalarının odaklandığı süreç ise, derin yeraltı dedektörlerinde çekirdeklerin WIMP’lerle yapacağı çarpışmalardaki geritepme etkisinin ölçülmesidir. Ancak, şimdiye kadar hiçbir WIMP olayı adayı gözlenmemiştir (2). Tüm karanlık maddenin bu ekzotik türden parçacıklardan oluştuğu varsayımı ile, hedef kütlesi birkaç kg. olan deneylerle, WIMP etkin kesitinin 10**( 43) [1043] cm2 ’den büyük olduğu hesaplanabilir. Deney duyarlılıklarının birkaç yılda 10 kat, 810 yılda da 1000 kat kadar geliştirilmesi beklenmektedir. Yani, gelecek 10 yılda, karanlık maddenin süpersimetrik parçacıklardan oluşması durumunda ve ardalan (gürültü) düzeyini oluşturan sinyallerin daha etkin reddedilmesi sağlanabilirse, bu parçacıkların keşfinin oldukça yüksek olasılığı vardır. Dedektörlerin çoğunluğu, 1020 milikelvin(273C civarında) sıcaklıklarda çalışan, bolometrik (tüm enerjiyi algılayabilen) türden, iyonlaşma ve ışıldama (scintillation) etkisini, sıvı asal gazlar (Xe, Ar) kullanarak kaydeden sistemlerdir. Dünyadaki 20’den fazla Karanlık Madde deneyinin birkaç tanesinin 12 yıl içinde, binlerce tonluk hedef madde içeren ve sıfıra yakın gürültü düzeylerinde çalışan deneylere dönüşmesi beklenmektedir. II. 2 ‘Proton Bozunması’ Deneyleri: Parçacık fiziğinin Büyük Birleşim Kuramları (Grand Unified Theories, GUTs), protonun sonlu bir ömrü olduğunu öngörüyor. Bunun temelinde, Büyük Patlama ve kozmik maddeantimadde bakışımsızlığı var. Japon ‘Süper Kamiokande’ deneyi verileri, proton yaşam süresinin (10**34) [1034] yıldan uzun olduğunu göstermişti. Bu GUT kuramın tahminlerine çok yakın düşmektedir. Dedektör duyarlılıklarındaki yeni ilerlemeler, ancak 100 bin veya 1 milyon (105106) tonluk dedektörlerle mümkün görünüyor. II. 3 Evrensel Nötrino Spektrumu ve Nötrino Astronomisi: Proton bozunma deneyleri, kozmik nötrinoları da ölçebilme kabiliyetindedir. Nötrinoların GUT kuramlarınca öngörülen enerji spektrumu Şekil 2’deki gibidir. Öngörüler arasındaki Şekil 1: GeV (Milyar/Giga elektron Volt) enerjilerde Gama Işınlarında gökyüzü. Bunların bir bölümü, metinde üzerinde durulan TeV (Trilyon/Tera elektron Volt) gama ışın kaynaklarıdır. TeV kaynaklarının sayısı 1996’da sadece 3 iken bugün farklı karakterlerde 40 kadar gök cismi TeV enerjilerde gözlenebilmektedir. Bunlar arasında, etkin gökada çekirdekleri, süpernova kalıntıları, atarcalar, xışın çiftleri yanında, önemli sayıda doğası belirlenememiş kaynaklar (DBK) bulunmaktadır. Bu Samanyolu Koordinat Sistemi gösteriminde, elipsoidin ortası Samanyolu Merkezi yönünü işaret etmektedir. Samanyolu Düzlemi (+180’den 180’e uzanan hat boyunca görülen ve SM bölgesinde yoğunlaşan DBK büyük olasılıkla Samanyolu içi kaynaklardır. Yüksek enlemlerdeki kaynaklar ise, genellikle, Samanyolu ötesi ve kozmolojik uzaklıklarda oluşumlardır. güneş nötrinoları, dünya ve atmosferkökenli nötrinolar, reaktör nötrinoları ve SN 1987A’dan gelen SN patlaması nötrinoları şimdiden kaydedilmiş durumdadırlar ve gelecek kuşak bozunma deneylerinde zaten gözleneceklerdir. Diğer görülmesi kesin sayılan, fakat henüz hiçbir kaydı yapılamayan nötrino ışıma türleri arasında: (1) çok yüksek enerjili protonların 3K kozmik mikrodalga ardalan fotonları ile çarpışmalarında ortaya çıkacak olan GZK (Greisen ZatsepinKuzmin) nötrinoları ve (2) etkingökadaçekirdekleri (AGN) kökenli olan nötrinolar ve (3) 1,9K kozmik nötrinolar da vardır. Ancak, 2,7K mikrodalga ardalanının analoğu olarak öngörülmüş olan bu sonuncuların nasıl gözlenebileceği yönünde henüz pratik bir öneri yoktur. Gelecek kuşak protonbozunması deneyleri, SN’lerden beklenen nötrinoları, 1000 kat veya daha fazla oranda yüksek sayıda (her patlama için, 1987A’dan gözlenen 20 olay yerine 104105 olay olarak) kaydedeceklerdir. Güneş nötrinoları ve dünyanın içinde yaratılan nötrinoların incelenmesinden de daha detaylı sonuçlar beklenmektedir…. Halen 3 farklı nötrino algılama tekniği üzerinde çalışılmaktadır: (i) SüperKamiokanda tipi, sudan geçen parçacıkların Çerenkov ışımasını hedefleyenler (3), (ii) sıvı ışıldayıcılar (sintilatörler) kullananlar ve (iii) sıvı argon kullanan algılayıcılar. Şimdilerde sürmekte olan dedektör tasarım çalışmalarının 2010’da bir tek ortak uluslararası teklife odaklanması beklenmektedir. Bunun maliyeti 500 ila 1000 milyon Avro (M€) civarındadır. Mühendislik çalışmalarının 2012’de başlaması ve paranın 1/3’nün 2016’ya kadar harcanarak hedeflenen algılayıcıların inşasında ilk önemli adımların gerçekleştirilmiş olması hedeflenmektedir. Haftaya: Çok Yüksek Enerjilerde Evren ve Türkiye’deki çalışmalar.