2026 Nobel Fizik Ödülü çok uzaklardan bilgi getiren hayalet parçacıklara

2026 Nobel Fizik Ödülünü alan Francis Louis Halzen’in asıl uzmanlık alanı teorik parçacık fiziği olsa da Halzen’i ödüle taşıyan bir deney fikri oldu: Astrofiziksel kaynaklı yüksek enerjili nötrinoların keşfini mümkün kılan IceCube Nötrino Gözlemevini tasarlayıp hayata geçirmesi.

Belçika doğumlu olan ve eğitimini orada tamamlayan Halzen, 1972’den bu yana Wisconsin Üniversitesi Fizik Bölümünde öğretim üyesi olarak çalışıyor. Aynı üniversitede öğretim üyesi ve Bilim Akademisi üyesi Baha Balantekin’e Nobel ödülünü ve Halzen’in çalışmalarını sorduk.

Halzen’le ne zamandır tanışıyorsunuz? Nobel’i kazandığını öğrenince neler hissettiniz?

Halzen’le 40 yıldır aynı bölümde çalışıyoruz. O da benim gibi teorik fizikçidir sık sık fizik konuşup tartışırız. Halzen Nobel Ödülünü alınca bölümde hepimiz çok mutlu olduk tabii, ben Ödül açıkladığında Japonya’daydım, şimdi de Kore’deyim dolayısıyla kutlamalara katılamadım henüz, uzaktan takip ediyorum.

2026 Nobel Fizik Ödülü’nü kazanan fikri ve nötrinoları biraz anlatır mısınız?

Francis’in ödül alan fikri evrenin uzak köşelerinden nadiren gelen çok yüksek enerjili nötrinoları ölçmek için ortaya attığı bir deney düzeneği aslında.

Nötrinolar elektrik yükü olmayan temel parçacıklar, isimleri zaten “nötr” kelimesinden geliyor. Elektrik yükü olmayan bir parçacığı doğrudan gözlemlemek mümkün değil. Nötrinoları gözlemenin tek yolu elektrik yükü olan bir parçacıkla çarpıştırmak. En yaygın elektrik yüklü parçacıklar ya elektronlar ya da atom çekirdekleri. Nötrinoları yakalamak için hem ucuz hem de bol elektronu ve atom çekirdeği olan bir madde bulmak gerek, su tam olarak böyle bir madde. Nötrinoları yakalamak için hem ucuz hem de bol elektronu olan bir madde bulmak gerek, su tam olarak böyle bir madde. Tabii amaç çok nadir olan etkileşimleri yakalamak olduğundan çok miktarda suya ihtiyaç var.

Nötrino geliyor, çok hızlı, elektrona çarpıyor; elektron, ışığın o ortamdaki hızından daha büyük bir hız kazanıyor. “Bu nasıl olabilir, hiçbir şey ışıktan daha hızlı gidemez” derseniz onun açıklaması da ışığın boşluktaki hızı değil o ortamdaki hızından bahsediyoruz. Bu mümkün.  Ortamdaki ışıktan daha hızlı hareket eden yüklü bir parçacık, Cherenkov ışığı diye adlandırdığımız bir radyasyon yayar. İşte bu Cherenkov ışınımını etrafa yerleştirilen fototüpler yardımıyla ölçerek nötrinoları tespit etmiş oluyoruz. Bu yapılara nötrino teleskobu da deniyor.

Cherenkov ışınımı

Cherenkov ışınımını içinde saf su bulunduran açık havuz tipi test reaktörlerinde de görmek mümkün. Reaktörün içine bakarsanız hafif bir mavi ışık görürsünüz.  Soldaki resim Argonne Ulusal Laboratuvarındaki test reaktöründen.  Buradaki Cherenkov ışınımı nötron bozunması sonucu ortaya çıkan elektronların ortamdaki ışık hızından hızlı hareket etmesi sonucu oluşuyor.

Nötrino teleskobuna geri dönersek, büyük su havuzlarından oluşan nötrino teleskopları örneğin Japonya’da mevcut. Fakat burada da şöyle bir sorun var, suda her şey eriyor, örneğin hafif radyasyon salan tuzlar eriyor ve bu yüzden su genellikle çok temiz değil. İçilecek kadar temiz bir su bile bu deneyler için yeterince temiz değil, saf suya ihtiyaç var. En ufak bir kontaminasyon bile Cherenkov ışınımı hassas bir şekilde ölçülmesini engelleyebilir. Bu nedenle Japonya’da suyu sürekli filtre ediyorlar.

Francis’in aradığı nötrinolar evrenin en ücra köşelerinden gelen çok hızlı, çok yüksek enerjili nötrinolar. Bunların sayısı çok az, belki iki yılda bir tane gelecek ve etkileşime girecek biz de göreceğiz. Onu da sudaki kontaminasyon yüzünden yakalayamama şansı var. “Nerede bu kadar temiz su buluruz?” deyince Güney Kutbu giriyor işin içine. Güney Kutbu tabii çok soğuk, yağan kar erimiyor, binlerce yıl kar yağıyor ve erimiyor, üst üste birikiyor. Zaten Güney Kutbu çok yüksektir bütün eski karlar birikmiş, basılmış durumda.

Yalnız Endüstri Devrimi sonrası yani yaklaşık son 300 yılda yağan karda kömür tozu var, fabrika bacalarından gelen partiküller var, atmosferdeki bomba test patlamalarından gelen radyasyon var ve tabii bu katmanlar işi bozuyor. 2-3 kilometre derine inip sanayileşme öncesi kara ulaştığınızda burası tertemiz. Tertemiz bol elektronlu 5-6 bin yıllık buz bu nadir nötrinoları yakalamak için ideal. Buraya fototüpleri yerleştiriyorlar.

Nasıl kazıyorlar buzu?

Kazmıyorlar, basınçlı sıcak su döküyorlar buzu eritiyorlar sonra iplere bağladıkları fototüpleri indiriyorlar. Sonra su donuyor ve fototüpler sabitleniyor. IceCube deneyi bundan ibaret.

Bu işlem Japonların yaptığı gibi suyu filtreleyip temizlemekten daha pahalıya gelmiyor.

“Francis’in aradığı nötrinolar evrenin en ücra köşelerinden gelen çok hızlı nötrinolar.” dediniz.  Başka nötrinolar da var tabii bunları biraz anlatır mısınız?

Etraf aslında nötrino dolu. Güneş’ten gelen nötrinolar var, bunların enerjisi en fazla 10 MeV kadar ve etrafta çok fazla sayıda Güneş nötrinosu var. Bu nötrinoların enerjisini Güneş’in içindeki sıcaklık belirliyor. Güneş de evrendeki diğer olaylarla karşılaştırıldığında o kadar da sıcak değil, dolayısıyla Güneş’ten gelen nötrinoların enerjisi o kadar da fazla değil.

Atmosferde oluşan nötrinolar var. Bunlar şöyle oluşuyor: Örneğin süpernova patlamasında oluşmuş çok hızlı bir proton, atmosferdeki azot, oksijen gibi moleküllerle çarpışıyor ve buradan nötrinolar çıkıyor.   Bu yüksek enerjili parçacıklara kozmik ışınlar deniyor ve kozmik ışınlar her an atmosferle etkileştiğinden çok fazla atmosferik nötrino var. Bu nötrinoların enerjisi Güneş’ten gelen nötrinoların enerjilerinin üç-dört katından bir milyon katına kadar olabiliyor.  Evrenin ilk başlangıcından kalan nötrinolar bile var. Yani nötrino çok.

Francis’in yakalamak istediği nötrinolar ise çok daha yüksek enerjiye sahip ve başka bir şekilde göremediğimiz evrenin uzak köşelerindeki “nokta kaynak”lardan geliyor. Bu nötrinoların enerjisi ise Güneş’ten gelen nötrinoların enerjilerinin bir trilyon katından daha da fazla.

Biz bu söyleşiyi yaparken de içimizden geçiyorlar değil mi?

Evet. Güneş’ten gelenler de, atmosferden gelenler de sürekli geçiyor.  Japonya’daki Kamiokande deneylerinde ve Kanada’daki SNO deneyinde bunlar ölçüldü.

Kamiokande: Super-Kamiokande‘nin öncüsü olan ve 1980’lerde faaliyete geçen ilk büyük su Cherenkov dedektörüdür. Süpernova patlamalarından ve Güneş’ten gelen nötrinoları ilk kez görüntüleyerek çığır açmıştır.

Super-Kamiokande (Super-K): Bir madenin 1 kilometre altında yer alan devasa bir saf su dedektörüdür. Nötrino salınımlarını incelemek, Güneş ve atmosferik nötrinoları gözlemlemek ve proton bozunmasını araştırmak amacıyla kurulmuştur. Nötrinonun kütlesi olduğunu keşfetmesi dolayısıyla Takaaki Kajita 2015 Nobel Fizik Ödülü kazanmıştır.

SNO veya SNO+  (Sudbury Neutrino Observatory): Kanada’da bulunan SNO deneyi, Güneş’ten gelen nötrinoların salınım yaptığını kanıtlaması nedeniyle Arthur B. McDonald 2015 Nobel Fizik Ödülü’nü kazanmıştır.

Bu deneyler yeryüzü çok kirli (düşük enerjili fotonlar, vs.) olduğundan yerin çok altında kurulmuş büyük havuzlardan oluşuyor. Bu havuzlarda binlerce ton saf su veya Kanada örneğinde ağır su var.  Bu deneyler sayesinde Güneş’ten gelen nötrinoların akısını, yani saniyede bir metrekareden kaç tane nötrino geçiyor gayet iyi biliyoruz. İnsan vücudunda kaç yılda bir nötrino çarpışması oluyor onu da tahmin edebiliyoruz, çünkü Güneş’ten gelen nötrinoların binlerce ton suda ne kadar sık çarpıştığını ölçtük. Normal insan kütlesi yaklaşık 60-70 kg olarak düşünüp oranlayabilir, insan vücudunun da %80’inin su olduğunu dikkate alarak bir kestirim yapabiliriz. Bunları kullanarak yaklaşık 30 senede bir, bir Güneş nötrinosunun içimizdeki bir elektronla çarpıştığını tahmin edebiliyoruz. Hatta derler ki “Birinci nötrino bir şey yapmaz ama ikincisi hasta eder.” ☺ Ne de olsa 60 yaşını geçmiş oluyor insan.

Yani Güneş ve atmosfer kaynaklı nötrinolar hakkında çok şey biliyoruz.

Halzen’in ilgilendiği nötrinoların başka bir şekilde göremediğimiz nokta kaynaklardan geldiğini söylediniz, neden ışık yakalayamıyoruz bu kaynaklardan?

Bu kaynaklardan ışık gelmiyor ki!  Işık yani fotonlar, elektrik yüklü parçacıklarla sürekli etkileşime girer. Bu kaynaklarda çok yüksek sıcaklıklar ve çok yoğun madde olduğundan ışık hemen çıkamıyor, çıkınca da bize yolu çok uzun olduğu için çarpışa çarpışa bütün enerjisini kaybediyor.  Yani gökyüzünün orası karanlık. Bir tek nötrinolar geliyor. Ayrıca bunlar çok enerjik nötrinolar, Cherenkov ışınımından enerjisini ölçebiliyoruz. Fakat çok da nadir olaylar bunlar. Bu nötrinoları görünce orada evrenin uzak bir köşesinde bir kaynak olduğunu öğrenmiş oluyoruz.

IceCube bugüne kadar bu çok yüksek enerjili nötrinolardan üç-dört tane yakaladı ve bunların nereden kaynaklandığına işaret etti. Bu kaynakların ne olduğu hakkında bilgi edinemiyoruz ama nerede olduklarını öğreniyoruz. Bu kaynaklardaki fiziksel mekanizmaların ayrıntılarını tahmin etmeye çalışan çok sayıda araştırmacı var.

Nötrinoların nereden geldiğini nasıl öğreniyoruz?

IceCube’ün ölçtüğü nötrinolar çok yüksek enerjili oldukları için atom çekirdeğine çarptıklarında hepsi aşağı yukarı nötrino ile aynı yönde giden, çoğu elektrik yüklü çok sayıda parçacık oluyor, buna parçacık sağanağı deniyor. Cherenkov ışınımı da bu parçacıklarin gittiği yönün etrafında bir koni içinde yayılıyor. Dolayısıyla Cherenkov ışığını ölçerseniz nötrinonun nereden geldiğini anlıyorsunuz.

Ne zaman başladı IceCube? Günümüze kadar nasıl değişti?

İlk başta adı IceCube değildi, Amanda adıyla başladı. O zaman tek atmosferden gelen nötrinoları ölçebiliyorlardı çünkü o deney çok küçüktü.

Daha sonra IceCube denilen deneyde buz kütlesini büyüttüler ve gitgide deneyin hassasiyetini arttırdılar. Büyümesi hassasiyeti artırıyor, ek fototüpler koymak hassasiyeti artırıyor. IceCube 1 kilometreküp boyunda ve bu çok nadir nötrinoları yakalama şansı çok daha yüksek. Dolayısıyla yıllar içinde hem deneyin hassasiyetini artırdılar hem de nasıl ölçebileceklerini daha iyi öğrendiler.  Ayrıca fototüpleri de belli bir enerji eşiğinin üzerinde ölçüm yapması için tasarlayıp gürültüyü azalttılar.

Deney de yemek yapmak gibidir, ilk yaptığınızda o kadar güzel olmayabilir  ama 5-6 kere yaptıktan sonra insan nasıl yapacağını, hangi yanlışları yapmaması gerektiğini öğreniyor. Deneyler de böyle.  İlk başladığında deney istediğiniz gibi olmuyor ama öğreniyorsunuz, şuraya şunu koymak lazımdı, bunu koymak lazımdı diye. Bu şekilde çok daha iyi ölçümler yapabiliyorlar.

IceCube’da neler var?

Her biri 25 cmlik bir fotoçoğaltıcı tüpe (fototüpe) ve ilişkili elektronik donanımlara sahip 5.160 adet dijital optik modülden (DOM) oluşur. DOM’lar, 86 sondaj kuyusunun içine dondurularak yerleştirilmiş ve 1.450 metre ile 2.450 metre derinlik arasında bir kilometre küplük bir alana dizilmiş dikey ‘halatlara’ bağlıdır. Bu halatlar, aralarında 125 metre mesafe olacak şekilde altıgen bir kılavuz ağ (ızgara) düzeninde yerleştirilmiştir ve her biri 60 adet DOM taşır. DOM’ların dikey olarak birbirine olan mesafesi ise 17 metredir.^[1]IceCube Neutrino Observatory websitesi

Biraz IceCube’ün bulunduğu ortamı anlatır mısınız?

Uluslararası anlaşmalara göre Antartika’da askeri üs kurmak mümkün değil, ama birçok ülkenin burada bilimsel araştırma istasyonları var. ABD’nin de var tabii. Burada başka deneyler de yapılıyor, Güney Kutbu’nda ölçecek çok şey var. Burada mevcut bir düzen olmasa IceCube deneyini kurmak da mümkün olmazdı.

Bu araştırma istasyonları şu açıdan ilginç buraya ancak yazın gidilebiliyor, Antarktika’nın yazında. Kışın uçaklar inebilir ama kalkamaz dolayısıyla çoğu araştırmacı orada ancak birkaç ay bulunabiliyor. Kışın oraya gidenler 6-7 ay orada kalmak durumundalar. IceCube deneyini yapan fizikçiler de yazın gidiyorlar. Kışın da 1-2 kişi bırakıyorlar, bu 1-2 kişi deneyi gözlüyor kolluyor.

Bu deneyin bir termini var mı? Şu kadar süre bakacağız sonra dükkânı kapatacağız gibi bir plan var mı?

Hayır, şu an öyle bir plan yok. Bu ödülün üzerine devam etmesi daha da garantilendi. Bitmesi için bilimsel açıdan hiçbir neden yok. Deney devam ederse bu nokta kaynaklardan 20-30 tane ölçebilirler ve sonra bu kaynakların bir haritasını yapmak mümkün olabilir ve buradan belki ilginç bir şeyler çıkabilir.

Ayrıca IceCube deneyi birçok başka şey ölçüyor. Güney kutbundaki buzun yapısını ölçüyorlar, atmosferik nötronların akısını ölçüyorlar, başka birçok deney yapıyorlar. Bir pastane örneğin iki yılda bir büyük pasta satarsa ayakta kalamaz, ille sürekli çörek, kuru pasta vs de satması gerekir. Burada da bu nadir olayların yanında birçok başka soru soruyor ve yanıt arıyorlar.

Nobel Fizik Ödülü, evrenin, maddenin ve doğa yasalarının anlaşılmasına olağanüstü katkı sağlayan çalışmalara veriliyor, burada olağanüstü olan katkı nedir?

Evrenin çok uzak köşelerinde son derece yüksek enerjili parçacıklar üreten kaynaklar olduğunu gördük. Ama tabii her zaman daha yüksek enerjili bir parçacık ölçmek mümkün, bu tek başına Nobel almaz. IceCube bu son derece uzaktaki kaynakların nerede olduğunu anlayabilmemizi sağlaması açısından çok önemli, Nobel’i alan da bu.