Bill Fairbank hicbir şeyi arıyor…
Colorado State Universitesi ’ndeki fizik profesoru, notrinolar olarak bilinen temel madde parcacıklar ve -notrinoların yakınlarda bulunup ya da bulunmadığı- oldukca nadir bir radyoaktif bozunma uzerine calışıyor.
Kuramsal olmasına rağmen bugune dek hic gozlemlenmemiş olan (“theorized but never — before — observed”) bu surece Notrinosuz Cift Beta Bozunumu (Neutrinoless double — Beta Decay) parcacık fiziği dunyasını sallayabilecek durumda.
Eğer keşfedilirse, evrendeki en bol fakat en az anlaşılan parcacıklar arasında yer alan notrinoların temel ozellikleri hakkındaki uzun zamandır devam eden gizemleri cozecek Colorado Eyalet Universitesi fizik profesoru Bill Fairbank laboratuvarındaki tek atomlu goruntuleme cihazı ile.
“Fotoğraf: John Eisele, Colorado Eyalet Universitesi” Fairbank ’in laboratuvarı -bir cok belgeselde defalarca goruntulendi- 2005 ’ten beri uluslararası EXO — 200 Enriched Xenon Observatory (Zenginleştirilmiş Ksenon Gozlemi) bilimsel işbirliğinin bir parcası ve ici super soğuk sıvı xenon ’la dolu bir tankın icinde notrinosuz cift beta bozunumu avlamaya calışıyor.
Nature dergisinde 29 Nisan ’da yayınlanan yeni bir buluşta, Fairbank ve ekibi “baryum etiketleme” adı verilen tek atomlu bir aydınlatma stratejisinin temelini attı. Ekibin başarısı, ilk defa katı bir soygaz icinde tek tek atomların goruntulerinin elde edilebilmiş olmasıdır.
Barium etiketleme, gelecekte nEXO adı verilen geliştirilmiş bir denemede notrinosuz cift beta bozunumunu gormek icin onemli bir teknolojiyi kanıtlayabilir. En onemlisi baryum etiketleme, bilim insanlarını, gercek olayları arka plan sahte sinyallerden ayırarak, tekli beta bozunumunun tek atomlu yan urunlerini net bir şekilde belirlemelerini sağlayacak The Enriched Xenon Observatory 200 (EXO-200), Atık İzolasyon Pilot Fabrikası ’ndaki (WIPP) bir tuz havuzunda yerin 2150 feet altında yer alan bir notrino deneyidir. Yeraltındaki yer onu kozmik ışınlardan ve diğer doğal radyoaktivite kaynaklarından izole ediyor. EXO / WIPP / SLAC EXO-200 parcacık detektoru, New Mexico, Carlsbad ’da yerin yarım mil kadar altındadır ve 370 pound (yaklaşık 170 kilogram) izotopik olarak zenginleştirilmiş sıvı halde xenon ile doludur. Bazen kararsız xenon izotopları; 2 elektron ve 2 notrinoyu serbest bırakarak radyoaktif olarak bozunur ve baryum atomuna donuşurler.
Bozulma sadece 2 elektron ve bir baryum atomu uretiyorsa, bir notrinosuz cift beta bozunumunun meydana geldiğini gosterir. Ve bu yalnızca eğer notrino kendisine eşit kutlede bir antiparcacık ise ortaya cıkabilir. Bu, bilim insanlarının bu deneyler yoluyla yanıtlamak istedikleri onemli bir soru.
Boyle bir notrinosuz bozunmanın gozlemlenmesi, guncellenmesi gereken Standart Model (Standart Model of Particle Physics) acsından da tarihi bir adım olacaktır.
Ayrıca bunun yanında, -daha once hic gercekleştirilememiş bir başarı olarak- bozunmanın olculen yarı omru; bilim insanlarına notrinoların mutlak kutlelerini dolaylı olarak olcmeleri icin yardımcı olabilecek.
Ve son olarak, eğer notrinosuz cift beta bozunması varsa, bilim insanları bu bilgiyi; neden evrenimizde bu kadar cok madde varken, buna karşılık yalnızca cok az miktarda antimadde olduğunu oğrenmek icin kullanabilecek
Şimdiye dek, EXO — 200 detektoru doğru enerjide bozunmalar uretti, ancak detektorde olculenlerin arka planında tam olarak ne olduğuyla ilgili henuz kesin bir kanıt bulunmamakta.
Fairbank, “EXO-200 ’de 3 yılda 40 bozunma olayı yaşadık” dedi. “Ancak tam olarak kac tanesinin gercek olduğunu soyleyemiyoruz.”
Gercek bir bozunma ve benzer gorunen (benzer izler bırakan) sahte bir arka plan olayı arasında ayrım yapmak; araştırmacılar icin her zaman merkezi bir problem olmuştur. Bu, herbiri birbirinin aynı olan dizili kucuk taşlar arasından ayrım yapmaya calışmak gibi bir şey.
Eğer baryum etiketlemesi, hali hazırda tasarlanan nEXO dedektorunun daha sonraki bir guncellemesinde başarıyla uygulanırsa, dedektorun notrinosuz cift beta bozunmasına karşı hassasiyeti 4 katına kadar artırılabilir.
Bu, multi — milyon dolarlık nEXO deneyi icin onemli bir yukseltme olacaktır. Olumlu bir sinyal gorulurse, bilim insanları aradıkları bozunmayı gorduklerinden emin olmak icin baryum etiketlemeyi kullanabilirler.
Baryum etiketleme calışması, Ulusal Bilim Vakfı INSPIRE programı (National Science Foundation INSPIRE program) tarafından desteklendi
Ulusal Bilim Vakfı ’ndan fizikci John Gillaspy “Bu deneylerin ne kadar hassas olduğunu duşunmek şaşırtıcı” dedi. “30 yıl onceki deneylerde, bir milyon atom icerisinden egzotik olan bir tanesine bakmayı oldukca zor olarak gorurdum. Bu yeni calışma, 10 milyon kat daha nadir olan atomları aradı. Fizik ve kimya cok yol kat etti. Fairbank ve meslektaşlarının nihayetinde bu yeni tekniği kullanarak ne bulabileceklerini duşunmekten buyuk heyecan duyuyorum. Cunku gercekliğin temel doğası hakkında bildiklerimizi ciddi anlamda sarsma potansiyeli taşıyor” dedi.
Nature ’daki yayında, Fairbank ekibi, xenon — 136 izotopunun radyoaktif bozunması sonucu uretilen baryum atomunu -“kızı” (daughter)- dondurmak icin kriyojenik bir probun nasıl kullanıldığını acıkladılar.
Ekip sonrasında katı (now — solid) xenon icindeki tekil baryum atolarını aydınlatmak icin lazer floresanı kullandı.
Araştırmaya ve deneylere birkac yıldır liderlik eden Fairbank, “Tekil baryum atomlarının goruntulerini bulduğumuzda grubumuz oldukca heyecanlıydı” dedi. Fairbank ’ın tek atomlu etiketleme tekniği, aynı zamanda nukleer fizik, optik, fotonik ve kimya gibi alanlar icin de gecerli olan mevcut diğer uygulamalara genelleştirilebilir.
EXO programı; ABD, Kanada, Cin, Almanya, Rusya, Guney Kore ve İsvicre ’deki kurumlardan bilim insanlarının uluslararası bir işbirliğidir.

Calışmanın orijinaline aşağıdaki bağlanıdan ulaşabilirsiniz.
nEXO Collaboration. Imaging individual barium atoms in solid xenon for barium tagging in nEXO. Nature, 2019 DOI: 10.1038/s41586-019-1169-4