Aynadaki Evren

MADDENİN AYNADAKİ GÖRÜNTÜSÜ GİBİ DAVRANAN ANTİMADDEYİ ANLAMAK, EVRENİN KARŞIMIZA ÇIKARDIĞI CEVAPLANAMAMIŞ SORULARA YANIT BULMAMIZI SAĞLAYABİLİR.

unnamed

Uzay Yolu dizisinde yıldızlararası yolculuk yapan gemiler ışık hızında yol alıyordu. Bunun için warp sürücüsünü kullanıyor, onu da madde ile antimaddenin bir araya gelerek ortaya çıkardığı enerjiyle çalıştırıyorlardı. Hatta neredeyse tüm çığır açan teknolojilerini antimaddenin gücüne borçlu olduklarını söyleyebiliriz. Dan Brown’ın aynı adlı romanından uyarlanan Melekler ve Şeytanlar filmindeyse Tom Hanks’in canlandırdığı Profesör Langdon, Vatikan’ı her an patlamaya hazır bir antimadde bombasından kurtarmaya çalışıyordu. Bilimkurgu dünyasında maddenin bu anlaşılmaz haline sıkça rastladık. Ama gerçek dünyada henüz onu teknoloji geliştirmek için kullanabilecek aşamaya ulaşmış değiliz. Belki de bu yüzden antimadde hala birçoğumuza bilimkurguya ait bir temaymış gibi görünüyor. Oysa son derece gerçek.

1928 yılında İngiliz fizikçi Paul Dirac elektronların hareketlerini açıklamak için bir takım kuantum denklemleri üzerinde çalışıyordu. Denklemleri çözünce bu hareketi açıkladı ve 1933 yılının fizik Nobel’ini aldı. Ama beraberinde fazladan bir çözüm bulduğunu fark etti. Dirac’ın denklemi elektrona benzeyen fakat onun aksine pozitif elektrik yükü taşıyan bir parçacığın da hareketini göstermişti. Fizikçi ona anti-parçacık dedi ve sonraki yıllarda pozitif yüklü olan bu elektrona pozitron adı verildi. O zamana dek hiç kimsenin aklının ucundan geçmemiş bir şeydi bu. Böylece parçacıkların zıt yüklü karşıtları olduğu anlaşıldı. 1932’de uzaydaki kozmik ışınların incelenmesi sırasında, daha önce denklemlerde kendiliğinden belirmiş olan anti-parçacık deneysel olarak da ölçüldü. Bu kez varlığı ispatlanmıştı.

Dirac, denkleminden yola çıkarak her bir parçacığın bir de karşıtı olması gerektiğini ileri sürdü. Bunda haklı olduğu zaman içinde kanıtlandı. Artık bir parçacığın ve anti-parçacığın birlikte ortaya çıktığını biliyor, antimaddeden oluşabilecek alternatif evrenlerden bahsediyoruz. Madde ve antimadde bir arada doğmuş olsalar da madde parçacıkları egemenliklerini ilan etmeyi başarmışlar. Sonuçta bir madde evreninde yaşıyoruz. Hatta bu ikisinin parçacıkları bir araya geldiğinde birbirlerini yok ettikleri için, antimaddenin evrendeki en güçlü patlayıcılardan biri olduğu da ortada. Öyle ki sadece yarım gram antimaddeyle Hiroşima’da patlayan atom bombasının etkisini yaratmak, yani takriben 15 kilotonluk enerji açığa çıkarmak mümkün.

Antimaddenin neden var olduğunu, madde karşısında nasıl yenik düşüp evreni diğer parçacıklara teslim ettiğini ya da maddeyle ilişkisini yeterince kavrayabilirsek evreni anlama yolunda büyük bir aşama kaydedebiliriz. Çünkü bu gizemli madde karşımıza çıkan en tuhaf oluşumlardan biri ve şu ana dek yapılan deneyler, onun çözebildiğimizden daha fazla sırrı olduğunu gösteriyor. Ama antimaddeyi ya da onu meydana getiren parçacıkları anlayabilmek için önce maddenin yapıtaşlarına bir göz atmakta fayda var.

ATOMUN GARİP YAPISI

Atom minyatür bir güneş sistemine benziyor; merkezde bir çekirdek ve etrafında çılgınca dönen elektronlar. Bir atomun kütlesinin neredeyse tamamını oluşturan çekirdek kısmı proton ve nötronlardan ibaret. Bu parçacıklar elektronlardan 2.000 kat daha ağır. Güneş çevresindeki gezegenlere benzeyen elektronlarsa çekirdek etrafındaki yörüngelerinde dönüyor. Çekirdekten kopmadan dönmelerini sağlayan şey, oradaki protonlar. Atomdaki elektron ve protonların sayısı aynı. Pozitif yüklü protonlar, negatif yüklü elektronları çekiyor, yörüngede kalmalarını sağlıyor. Nötronlarsa yüksüz ve tek görevleri çekirdeğin parçalarını bir arada tutmak. Onlar olmasaydı protonların elektriksel olarak itici olan gücü çekirdeğin parçalanmasına yol açardı. İçindeki bütün parçacıklara rağmen atomun yüzde 99,9999999’u boş. Bu boşluk olmasa dünyadaki her şey sadece atomun dolu kısmından ibaret olur, hepimiz ufacık bir küp şekerin içine sığacak kadar yer kaplardık.

Çekirdek çevresini saran elektronlar, o atomun başka bir atomla ilişkiye girmesi sırasında sınır çizgisini oluşturuyor. Atomdaki her bir elektron kendine özgü bir yörüngeye sahip. Hiçbir koşulda iki elektron aynı yörüngeyi paylaşmıyor. Böyle bir paylaşım mümkün olsaydı, evrendeki çeşitliliği oluşturmak için bir atomun farklı durumlarının kullanılması yeterli olur, belki de moleküler çeşitliliğe ihtiyaç duyulmazdı.. İki atom bir molekül oluşturmak üzere bir araya geldiğinde olan şeyse sadece elektronların yeniden düzenlenmesinden ibaret. Bu birleşmede her zaman iki atomun birbirinden ayrıyken kullandığından daha az enerji gerektiren bir düzenleme yapılıyor. Özetle iki ya da daha fazla atomdan oluşan bir molekülün enerjisi, onu oluşturan atomların enerjisinden daha düşük. Birleşme sonucunda açığa çıkan o fazladan enerji sayesinde olağanüstü seviyede enerji elde ediyor; örneğin roketlere itici gücünü veriyor, bir porsiyon yemekle saatler boyunca hareket halinde kalabiliyoruz.

unnamed (1)

Antimaddenin Gücü Uzay Yolu dizisindeki gibi yoğun bir şekilde antimadde üretmenin ya da biriktirmenin bir yolunu bulabilirsek, onların sahip olduğu üstün teknolojiyi de geliştirebiliriz.

unnamed (2)

Antimadde Üretimi Fermilab parçacık fiziği laboratuvarındaki Tevatron hızlandırıcısında saatte 300 milyar anti-proton üretiliyor. Bu sayı ne kadar yüksek görünse de 1 gram antimadde biriktirmek için binlerce yıl boyunca üretime devam etmek gerek. REIDAR HAHN

Proton, nötron ve elektronlar ölçeğinde durmaz, daha derine inersek karşımıza alt parçacıklar çıkar. 1930’larda bu üçlünün temel parçacıklar olduğu, maddenin yapısının tamamlandığı düşünülüyordu. Parçacık hızlandırıcı laboratuvarları açılınca deneyler bir sonraki aşamaya taşındı ve herkesi şaşırtan sonuçlar elde edildi. Önce baryonlar ve mezonlar bulundu. Ardından proton, nötron, baryon ve mezonların da kuark ve lepton isimli küçük parçacıklardan oluştuğu anlaşıldı. Baryon ve mezonlar temelde üç tip kuarktan meydana geliyor. Elektron ise bir lepton; yani alt-parçacık. Diğer leptonlar; muon, tau ve üç çeşit nötrino. Aslında madde, iki kuark ve iki lepton olmak üzere dört temel yapıtaşından oluşuyor. Elektron ve elektron nötrinosu adlı iki leptonun yanı sıra bir de proton ve nötronları oluşturan iki kuark (yukarı ve aşağı) mevcut. İşte atomun, bildiğimiz kadarıyla en küçük yapıtaşları bunlar.

Peki elektronu biliyorken, elektron nötrinoyu çok geç keşfetmiş olmamızın sebebi neydi, diye düşünüyor olabilirsiniz. Bu ve benzeri keşifler, maddenin özünde hala çözülmesi gereken bazı gizli mekanizmalar olduğunu gösterdi. Elektronları biliyoruz çünkü çekirdeğin etrafında çılgınca dönüp durduklarından onların farkına varmamak mümkün değildi. Diğeriyse maddeyle nadiren etkileşime giriyor. Genelde içinden, hiçbir şeyi değişime uğratmadan geçip gitmesiyle ünlü. Güneş’in çekirdeğinde bolca bulunuyor. Hatta siz bu satırları okurken dünya üzerinde serbestçe hareket ederek içinizden geçip giden nötrinolar yaklaşık 8,5 dakika önce Güneş’in merkezindeydi. Güneş’ten çıkması 2 saniye, oradan buraya ulaşmasıysa 8,5 dakika sürüyor. Yani nötrinoları durdurmak pek kolay değil. Aynı sebeple varlıklarını fark etmek de kolay olmadı.

Proton ve nötronları oluşturan aşağı ve yukarı kuarklar ise ayrı bir mesele. Bunlar aslında üçlü gruplar halinde bir araya geliyor. Örneğin proton iki yukarı ve bir aşağı kuarktan, nötronsa iki aşağı ve bir yukarı kuarktan oluşmakta. Bu kuarklardan herhangi birini gruptan ayırıp serbest bir kuark elde etmek mümkün değil. Çünkü bir arada kalmalarını sağlayan kuvvet öylesine güçlü ki bu üç kuark arasındaki mesafeyi artırabilsek bile bağları güçlenmeye devam ediyor. Şaşırtıcı olan başka bir şeyse şu; atomun, dolayısıyla maddenin kütlesinin neredeyse tamamından sorumlu olan proton ve nötronları oluşturan kuarklar aslında öyle hafif ki bir hileyle kütle oluşturuyor olmasalardı maddenin sadece yüzde 1’lik kısmına karşılık gelirlerdi. Maddeye kütlesini veren asıl şey bu parçacıkların ağırlığı değil, güçlü çekirdek kuvvetinin etkisiyle ışık hızına yakın bir hızda hareket ediyor oluşları. Bu hareketten doğan muazzam enerji kütle yaratıyor.

Ama dahası da var. Sebebini bilmesek de evrenin bu yapıtaşlarını üçlü gruplar halinde ortaya çıkardığını biliyoruz. Bunların her biri, dört temel parçacığın kütlesi daha fazla olan iki farklı halini içeriyor. İkinci grup daha ağır olan muon, muon nötrinosu, tuhaf kuark ve tılsım kuarktan oluşmakta. En ağır olan üçüncü gruptaysa tau, tau nötrinosu, alt kuark ve üst kuark var. Daha ağır olan iki gruptaki parçacıklar bizim gündelik yaşamımızda etkili değiller. Zaten oluşumları için öyle büyük enerji gerekiyor ki bildiğimiz kadarıyla sadece evrenin başlangıç anındaki patlamada ortaya çıkabilmişlerdi. İşte şimdi parçacıklar haritasının tamamlanmış olduğunu düşünebilirsiniz. Ama henüz erken. Çünkü hala bahsedilmesi gereken kuvvet taşıyıcı parçacıklar var. Fiziğin temel kuvvetleri, taşıyıcı parçacıkların bir sonucu olarak ortaya çıkıyor: Atomları bir arada tutan elektromanyetik kuvvet, atomun çekirdeği içinde hüküm süren güçlü ve zayıf çekirdek kuvvetleri, son olarak da hepimizin en iyi bildiği kütleçekimi. Bu dört kuvvetin her biri kendilerine özgü parçacıklarla çalışıyor. Kütleçekim kuvveti gravitonla, elektromanyetik kuvvet fotonlarla, zayıf çekirdek kuvveti vektör bozonlarıyla (W ve Z), güçlü çekirdek kuvvetiyse gluonlarla iletiliyor. Bir de Higgs bozonu var ki teoride bu parçacık diğer parçacıklara kimi zaman kütle kazandırarak birbirleriyle etkileşime girmelerini, böylece bilginin bir yerden başka bir yere iletilmesini sağlıyor.

Buraya kadar olan tabloya son bir ekleme daha yapmamız gerek: Tüm bu parçacıkların bir de karşıt parçacıkları var.

Uzaydaki Parçacık Detektörü Uluslararası Uzay İstasyonu’nda kurulu olan AMS kozmik ışımaları takip ederek evrendeki antimadde oranını ölçü yor. AMS’den gelen son haberlere göre, evrendeki antimadde oranı sandığımızdan daha fazla. NASA

ANTİMADDE FABRİKASI

Madde ve antimadde bir arada bulunamıyor ama bilim insanları evrenin başlangıcındaki büyük patlamada her ikisinin de eşit oranda ortaya çıktığını, dengenin daha sonra bozulduğunu, bir şekilde madde parçacıklarının galip geldiğini düşünüyor. Eşitlik korunsaydı madde asla var olamaz, evren bu iki gruptaki parçacıkların çarpışıp birbirlerini yok ettikleri bir savaş alanından ibaret olurdu. Çarpıştıklarında birbirlerini öyle müthiş bir patlamayla yok ediyorlar ki bu sırada, öncesinde sahip oldukları kütlelerini enerjiye dönüştürüp geriye olağanüstü bir enerji bırakmış oluyorlar. İşte bu enerjiyi kullanabilirsek, diğer bir deyişle bizler de Uzay Yolu dizisindeki gibi yoğun bir şekilde antimadde üretmenin ya da biriktirmenin yolunu keşfedersek, onların sahip olduğu teknolojiyi de yaratabiliriz. Sorun şu ki o kadar antimaddeyi nereden bulacağımızı ya da nasıl yaratacağımızı bilmiyoruz.

Parçacık hızlandırıcılardaki antimadde deneylerinde fizikçiler maddeyi en küçük yapıtaşlarına bölüp protonları çekirdekten ayırıyor, sonra onları bir vakum içine hapsediyor ve ışık hızına yaklaşacak kadar hızlandırıyorlar. Zıt yönde hızlandırdıkları protonlar birbirleriyle karşılaşıp çarpışınca çok yüksek bir enerji ortaya çıkarıyor. Açığa çıkan enerjide tuhaf şeyler görülebilir. Saniyenin milyarda biri kadar bir zaman aralığında ortaya çıkıp kaybolan parçacıklar, nam-ı diğer anti-nötron ve anti-protonlar da bu tuhaflıklardan. Ama onları uzun süre muhafaza etmek ve bir yerde biriktirmek pek de kolay değil. Normal madde için böyle bir sorun yok ama antimadde yaratıldığı anda yok oluyor. Çünkü maddenin ezici üstünlük gösterdiği bir evrendeyiz. Bu ikisinden hangisi çoksa diğeri ortadan kaybolmaya mahkum. Dolayısıyla Melekler ve Şeytanlar filmindeki gibi bir antimadde bombası yapmak da imkânsız. Mevcut bilgi ve teknolojimiz çerçevesinde konuşacak olursak, sadece birkaç gram antimadde biriktirebilmek için dünyadaki tüm hızlandırıcı laboratuvarlarını bir arada kullanıp birkaç bin yıl boyunca hiç durmadan çalışmak gerek. Ama bu hiç üretemediğimiz anlamına da gelmiyor.

ABD’deki Fermilab parçacık fiziği laboratuvarı ve CERN’ün bilim insanları, 2000’lerin başlangıcından bu yana antimadde parçacıkları üretiyor. Fermilab’ın raporları, saatte 300 milyar anti-proton üretildiğini gösterdi. Bu sayı ne kadar yüksek görünse de üretimi 1 gram seviyesine taşımak için binlerce yıl boyunca devam etmeleri gerek. Ama yılmıyorlar. “Anti-protonlarla çalışmaya başladıktan sonra sıradan madde üzerinde çalışmak çok sıkıcı gelmeye başladı. Öyle benzersiz ve ciddi sorunlarla karşılaşıyoruz ki sıkılmak mümkün değil” diyor Fermilab Antiproton Kaynağı deneyinden Steve Werkema.

DOĞAL KAYNAKLAR

Antimaddeyi bulabileceğimiz tek yer parçacık laboratuvarları değil. Zaten keşifleri kozmik ışımalar sayesinde gerçekleşmişti. Dünya’yı çepeçevre saran ve Güneş’ten ya da evrenin diğer yerlerinden gelen zararlı radyasyona karşı bizi koruyan bir kalkan gibi davranan Van Allen Kuşağı’nda 160 nanogram anti-proton olduğu görüldü. Benzer bir oranın tüm gezegenlerin manyetik alanı içinde bulunabileceği tahmin ediliyor. Hatta ölçümler Satürn çevresindeki anti-proton miktarının 260 nanogram civarında olabileceğini gösterdi. Bu keşiflerden sonra, antimaddeyle evrenin hiç ummadığımız bölgelerinde bile karşılaşma ihtimalimiz olduğunu anladık.

Evreni gamma ışımaları ölçeğinde gözleyen Fermi Uzay Teleskopu da garip bir bulguya imza attı. Teleskobun ölçümleri, uzaydan bize doğru gelen değil, aksine Dünya atmosferinden uzaya saçılan antimadde parçacıkları olduğunu gösterdi. Florida Teknoloji Enstitüsü’nden Joseph Dwyer bu keşfe imza atan fizikçilerden. “Tespiti yaptığımız noktada atmosferdeki fırtınaların oluşturduğu elektrik alanının, elektronu yüksek enerji seviyesine çıkardığını fark ettik. Bunlar gamma ışımaları yaymaya başladıklarında elektronun karşıt parçacığı olan pozitronlar ortaya çıktı. Anladık ki pozitronlar, şimşek ve yıldırımların elektriksel özellikleri üzerinde önemli bir role sahip.”

Evreni, özellikle galaksimizin merkezini izleyip antimaddenin izini süren başka teleskoplar da var. Bunlar gamma ışımalarını takip ediyor, izledikleri bölgelerdeki antimadde yoğunluğunu ölçüyorlar. Ölçümler, galaksi merkezinde orantısız bir şekilde bir araya toplanmış olan antimadde yumağı olduğunu ortaya koydu. Bu arada Uluslararası Uzay İstasyonu’nda kurulu olan parçacık detektörü AMS de aynı amaç için kozmik ışımaları takip ediyor. AMS’den gelen son haberlere göre, evrendeki antimadde oranı sandığımızdan daha fazla. Ve kozmik ışımalar dışında antimadde yayan başka kaynaklar da olabilir. Sonuçları yorumlayan fizikçiler, bu bolluğun ardında karanlık maddenin olduğunu düşünüyor. Çünkü evrenin yüzde 27’isine yakın bölümünü karanlık madde oluşturuyor ve onun da hem madde hem antimadde parçacıkları olabilir.

unnamed (3)

Manyetik Kalkan Münih Teknik Üniversitesi’ndeki manyetik alan kalkanı antimaddenin sırlarını aydınlatmak için tasarlandı. Fizikçiler burada nötronları inceleyerek madde ile antimadde dengesinin nasıl bozulduğunu araştırıyor.

MÜNİH TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

NEDEN MADDE EVRENİ?

Evrenin neden antimadde değil de madde üzerine kurulu olduğu sorusu henüz cevaplanamadı. Ama Almanya’daki Münih Teknik Üniversitesi’nde bu soruyu yanıtlamak için çalışan dev bir makine var. 10 metrekareye yayılan dört tonluk metal oda lazerlerle çevrili. Dünyanın en iyi manyetik koruma kalkanlarına sahip. Hatta güneş sistemindeki en zayıf manyetik alanı barındırıyor. Manyetik alan kalkanı, manyetik alanlardan gelen arka plan etkilerini devre dışı bırakıp yüksek duyarlılıkla ölçüm yapması için tasarlandı. Bu düzeyde bir ölçüm kalitesini parçacık hızlandırıcılarda bile elde etmek mümkün değil. Kalkanı kullanarak nötronlar üzerinde araştırma yapan fizikçiler antimaddenin sırlarını aydınlatmayı hedefliyor. Nötronlar yüksüz parçacıklar olsa da pozitif ve negatif yüklü kuarklardan oluşuyor. İki karşıt yük birbirini sıfırladığı için biz nötronları elektriksel açıdan yüksüz olarak görüyoruz. Ancak araştırmayı yürüten fizikçiler, nötronda bu yükün dengeli biçimde sıfırlanmadığını, pozitif ve negatif yüklü zayıf kutupları olabileceğini düşünmekte. Çok zayıf da olsa böyle bir elektriksel yük mevcutsa, parçacıklara özgü yeni bir tuhaflık keşfetmiş oluruz. Bu da dengeyi bozan bir durum olduğundan, evrenin neden antimadde değil de madde üzerine kurulu olduğunu açıklayabilir. Araştırmayı yürüten Peter Fierlinger, “Bu asimetrinin evrenin ilk zamanlarında güçlü bir etki oluşturduğunu, dengeyi bozup maddeden ibaret bir evren yarattığını düşünüyoruz,” diyor. Araştırmaya katılan Kentucky Üniversitesi fizikçilerinden Wolfgang Korsch ise deneyin eldeki kuramları test etmek için de kullanılabileceğini hatırlatıyor; “Manyetik kalkan Standart Model’i test etmemizi sağlayacak. Elde ettiğimiz sonuçlar kuramın tahminlerinden farklı çıkarsa artık onun ötesine; yeni fiziğe yönelmemiz gerektiğini göreceğiz.”

Peter Higgs tarafından öne sürülen Standart Model, modern fiziğin en önemli kuramlarından. Parçacık hızlandırıcılarda bu kuramın önerdiği model kullanılarak deney yapılıyor. Modern deneylerin bazılarında Standart Model’in açıklayamadığı bazı keşifler yapıldı ama CERN’in ALPHA deneyinde elde edilen veriler onu destekleyen bir tablo sunmaya devam ediyor. Kuram, tüm antimadde parçacıklarının, karşıtı olduğu madde parçacığının zıt yüküne sahip olması gerektiğini söylüyor. Fizikçiler ALPHA deneyinde anti-hidrojen üretip parçacığın elektriksel yükünü tam da tahmin edilmiş olduğu gibi ölçtüler. Bu deneyin hata payı şu ana dek yapılan deneylerden çok daha düşük. Dolayısıyla elde edilen sonucun doğru olduğu düşünülüyor. Deneyde ölçülen hidrojen atomu, incelenmesi en kolay olan atom. Çünkü sadece 1 proton ve 1 elektrondan ibaret. Bu iki parçacık zıt yüklere sahip olduğundan hidrojenin elektriksel yükü nötr. Bu durumda anti-hidrojenin de pozitif yüklü bir pozitron ve negatif yüklü bir anti-proton içermesi gerek. Deney bunun doğru olduğunu, anti-hidrojenin de aynı sebeple yüksüz olduğunu gösterdi. Deneyi yürüten Jeffrey Hangst elde ettikleri sonucu şöyle özetliyor; “Açıkçası farklı bir sonuç görmeyi bekliyorduk. Şimdi karşımıza şu soru çıkıyor: Evren de nötr olabilir mi?”

EVRENİN AYNADAKİ GÖRÜNTÜSÜ

Evrenin karşısında dev bir ayna olduğunu düşünün. Öyle ki bu ayna sadece maddenin en küçük yapıtaşları olan parçacıkları gösteriyor olsun. Bildiğimiz aynalarda olduğu gibi bunda da görüntü ters yansıyor. Örneğin pozitif yüklü bir parçacık olan proton bu aynada negatif yüklü, belli bir yönde dönen elektronlarsa tam tersi yönde dönüyormuş gibi görünür. İşte madde parçacıklarının karşıtları tam olarak böyle davranıyor. Diğer bir deyişle; anti-parçacıkların bir araya gelerek oluşturduğu antimadde atomlarından oluşuyor olsaydık da tıpkı şu anki gibi görünüyor olurduk. Farkı sadece atomlar seviyesine inip baktığımızda görebilirdik.

Aslında antimaddeden tamamen yoksun değiliz. Örneğin basit bir muz bile bir potasyum izotopu olan potasyum 40 içerdiği için pozitron yaymakta. Bir muzun, bir parçacık hızlandırıcısının ya da kozmik ışımaların radyoaktif bozunum sonucunda antimadde parçacıklarını ortaya çıkarabiliyor oluşu, bir antimadde evreninin de var olabileceğini akla getiriyor. Ancak tabii madde evreniyle antimadde evreni bir şekilde birbirine dokunacak olsa her ikisi de olağanüstü bir patlamayla yok olurdu.

Antimaddenin varlığı, evrenin ne kadar garip davrandığının bir kanıtı gibi adeta. Onu anlama konusunda önümüzde hala kat etmemiz gereken uzun bir yol olduğunu da hatırlatıyor. Bazı sorular hala cevapsız çünkü kozmosun nasıl şekil bulduğunu açıklayan kuramlarımızın hepsinde eksik bir şeyler var. Fizikçiler daha derine baktıkça evrenin sandığımızdan çok daha karmaşık olduğunu kabul etmek zorunda kaldılar. Parçacık hızlandırıcılar sayesinde yapılan deneyler, tam ve bütün olduğundan pek şüphe duymadığımız temel bileşen haritasının da eksik olduğunu gösterdi. CERN’ün antimadde deneyleri için kurulan ALPHA Anti-Hidrojen Lazer Fiziği Laboratuvarı araştırmacılarından Jeffrey Hangst, “Madde ve antimadde sözcüklerinin doğruluğu bile tartışılır. Çünkü sadece antimaddeden ibaret bir evren oluşması mümkün. Üstelik bu evrenin görünürde bizimkinden hiçbir farkı olmazdı. Her ikisi de tamı tamına aynı şekilde davranan iki farklı madde türünden oluşmuş evrenlerden bahsediyoruz. İşte bu noktada doğanın neden illa birini seçmek zorunda olduğunu anlamakta zorlanıyoruz” diyor.

“YUKARIYA DOĞRU DÜŞÜYOR”

Başladığı günden bu yana tüm antimadde deney ve araştırmaları şu temel önermeden yola çıkılarak yapıldı: “Başlangıçta madde ve antimadde parçacıkları birbirine eşitti.” Dolayısıyla bu ikisinin eşit oranda ortaya çıkması gerektiğini düşünüyoruz. Ama o zaman akla şu soru takılıyor: Madem öyle, madde parçacıkları nasıl üstün duruma geldiler? Ve oyunu kaybeden antimaddeye ne oldu? İşin aslı şu; ne olduğunu, bu simetrinin nasıl bozulduğunu bilmiyoruz. En iyi tahminler, bir şekilde madde parçacıklarının ufak da olsa belirli bir üstünlük kazandığını, böylece bozulan dengenin bir daha kurulamadığını söylemekte. Şu ana dek evreni ve maddeyi açıklamak üzere öne sürülen teorilerin hiçbiri bu konuda daha ileri gidip bir açıklama öne sürmüş değil.

ALPHA deneyinden bir başka fizikçi, Joel Fajans, kütleçekim kuvvetinin madde ve antimaddeyi farklı şekillerde etkilediğini düşünenlerden. Fajans, başlangıçta eşit oranda ortaya çıktıkları bilgisinin de hatalı olabileceğini söylüyor. Ona göre, taşıdığı bu sırlar nedeniyle antimaddeyi anlamak, evreni anlamakla eşdeğer. Maddenin sırlarının tamamını çözebilmek için önce antimaddenin karşımıza çıkardığı bu büyük bilinmezlik duvarını aşmak gerek. Deneylerde ortaya çıkarılan antimadde parçacıkları çok kısa bir süre için araştırılabildiği, ardından hemen yok oldukları için onu yeterince tanıma fırsatı elde edemiyoruz. Fajans’a göre, antimadde, yerçekimi karşısında aşağıya düşmek yerine yukarıya doğru düşüyor olabilir. Fizikçi bu fikri CERN’in ALPHA laboratuvarında teste tabi tuttu. Bunun için üretilen anti-hidrojen atomları incelenmek üzere hapsedildi. Elde edilen sonuçlar antimaddenin kütleçekim kuvvetine nasıl karşılık verdiğini net olarak ortaya koyamadı ama araştırılmaya devam ediliyor.

CERN’deki AEGIS deneyinde de bu fikir test edilmek istendi. Antimaddenin kütleçekim kuvvetine nasıl karşılık verdiğini anlamak isteyen fizikçiler kimsenin aklına gelmeyen bir yönteme başvurdular. Anti-parçacıklar hemen kaybolduğu için, veriler tüm dünyadan yüzlerce fizikçiye açıldı ve elde edilen sonuçlar bir araya toplandı. Böylece parçacık çok kısa bir zaman aralığı için ortaya çıkmış olsa bile veri analizi, kalabalık bir fizikçi grubu tarafından gerçekleştirilmiş oldu. Bu ilk denemede, bundan sonraki analizlerin de aynı şekilde yapılabileceğinin görülmesi dışında net bir sonuç elde edemediler ama sonraki denemeler için hala umut var. Siz de bu deneye destek vermek istiyorsanız http://crowdcrafting.org/project/antimatter adresinden yayınlanan veri analizine katkıda bulunabilirsiniz.

NE KADAR YALIN, O KADAR İYİ

Fizik bilimi, doğayı basitçe açıklayabilme amacıyla çıkılmış bir yolculuk. Parçacıklar dünyasıysa bu amacı zorlaştırmak için elinden geleni yapan bir kaos ortamına benziyor. Onların mikro dünyasını araştıran fizikçilerin neyle karşı karşıya olduklarını anlamaları bile 50 yıldan fazla sürdü. Atoma ve dolayısıyla maddeye kütlesini veren parçacıkların aslında bu kütlenin yüzde 1’ini karşılayabilecek düzeyde olduğunu keşfetmemizse işleri biraz daha karıştırdı. Öyle görünüyor ki o muazzam büyüklükteki gezegenler, yıldızlar ve hatta dev galaksiler bile yüzde 99 oranında enerjiden ibaret. Öyleyse nasıl oluyor da bu şaşırtıcı kütlesizliğe ve maddenin çoğunun boşluktan ibaret oluşuna rağmen her şey bu kadar sert ya da ağır olabiliyor? Bu sorunun cevabı elbette Einstein ünlü e=mc2 denkleminde saklı. Denklem, maddenin enerji, enerjinin de aslında madde olduğunu söylüyor. Peki ya bunca boşluk bir araya gelip maddeye nasıl şekil verebildi? İşte bunun olmasını sağlayan şey fiziğin dört temel kuvveti. Boş uzay bile aslında boş değil, temel kuvvetlerin birbiriyle iç içe geçtiği, kuantum düzeyde şaşırtıcı derecede harekete sahip bir doku. Öyleyse temel kuvvetlerin nasıl ortaya çıktığını anlamak da en az antimaddeyi anlamaya çalışmak kadar önemli olabilir.

Bunu açıklamak üzere oluşturulmuş Standart Model, modern fiziğin vardığı nokta itibariyle parçacık ve temel kuvvetlerin ilişkilerini göstermek için yeterli bir kuram olmaktan çıktı. Örneğin, neden gittikçe daha da ağırlaşan parçacıklardan oluşan üç farklı grup olduğu sorusuna yanıt veremiyor. Evreni basitçe açıklama düsturundan hiçbir zaman kopmayan fizikçiler, bu dört temel kuvvetin aslında tek bir süper kuvvetin farklı biçimleri olduğunu düşünüyor. Süper kuvvet, Büyük Patlama’dan bir süre sonra evrenin sıcaklığı düşmeye başlayınca bölündü ve şimdi bildiğimiz kuvvetleri ortaya çıkardı. Zaten deneyler elektromanyetik kuvvet ve zayıf çekirdek kuvvetinin tek bir kuvvetin iki parçası olduğunu doğruluyor. Standart Model yetersiz kalınca, birleştirme ve basitleştirme çabası Süpersimetri adlı yaklaşımın ortaya atılmasıyla sonuçlandı. Yaklaşıma göre, lar yani bozon olmayan tüm temel parçacıklar, kuvvet taşıyıcı bozonların birer yansımasından başka bir şey değil. Sorun şu ki fermiyonların hiçbiri bozonların eşdeğer parçacıkları gibi görünmüyor. Bu nedenle Süpersimetri’yi savunan fizikçiler, süpersimetrik eşlerin parçacık deneylerinde ölçebileceğimiz sınırları aşacak kadar büyük kütleye sahip olduğunu öne sürdüler. Bu yaklaşım doğru mu, bilmiyoruz. Ama doğruysa bozon ve fermiyonlar temelde aynı parçacıklar olarak görülebilir. Ama yine bir sorun var; fizikçiler bu önermeyi yaparken parçacıkların noktalara benzediğini dile getiriyor. Bir nokta, kendisine hangi açıdan bakılırsa bakılsın nokta gibi görünür. Peki nasıl oluyor da farklı şekillere bürünebiliyor? Bu sorunun cevabı da sicim kuramından geldi. Sicim kuramı, parçacıkların nokta, daha derinde onları oluşturan sicimlerinse farklı titreşimlere sahip oluşumlar olduğunu ve her bir titreşim örüntüsünün farklı bir parçacığa karşılık geldiğini söylüyor. Kemanın telleri gibi titreşen sicimler, titreşimleri hızlandıkça ağırlığı artan parçacıkları ortaya çıkarmakta. Ama bu sicimler evrenin bizim için koyduğu ölçüm sınırlarının altında; Planck ölçeğinde yer alıyor. Özetle varlıklarını ispatlama şansımız yok.

Sonuçta mevcut kuramlar henüz dört temel kuvvetin özünde tek bir kuvvet olduğunu ispatlayabilmiş ya da antimaddeyi açıklayabilmiş değil. Ama yapılan hesaplamalardan bildiğimiz bir şey var. Madde ve antimadde parçacıklarının başlangıçta eşit sayıda ortaya çıktığı doğruysa, bir zaman sonra çarpışıp birbirlerini yok etmelerinin sonucunda her iki grubun da sayısı hızla azaldı. Antimadde dengeyi bozacak kadar azaldığında, madde parçacıkları da başlangıçtakine kıyasla milyarda bir oranına düşmüştü. Yani bugün gördüğümüz tüm o galaksi, yıldız ve gezegenler, yok olmaktan kurtulan bu parçacıklardan oluştu.

Stanford Üniversitesi tarafından yürütülen SLAC hızlandırıcı deneyleri ve uluslararası bir organizasyon olan KEK Yüksek Enerji Araştırmaları laboratuvarlarında parçacıklar kendi karşıtlarıyla çarpıştırılarak bu dengenin nasıl bozulduğu, maddenin hangi koşullarda üstün geldiği araştırılıyor. Her birinden yüz milyar taneyi bir araya getirip elektron ve pozitronları zıt yönlerde hızlandıran araştırmacılar, zıt parçacıkların her karşılaşmalarında farklı sonuçlar elde edilebileceğini gördü. Örneğin bazen çarpışıyor, bazen de birbirlerine çok yaklaşmadan yollarına devam ediyorlar. Çarpıştıklarında açığa çıkan enerjiyle yeni bir parçacık ve karşıt parçacık ikilisi oluşuyor; B mezonu ve B-bar mezonu. Mezonlar da kuark ve anti-kuark çiftlerinden ibaret. Ancak saniyenin trilyonda biri gibi kısa bir anda radyoaktif bozunuma uğrayıp yok oluyorlar. Çünkü diğer parçacıklara oranla çok daha fazla kütleye sahipler. Bozunup ortadan kaybolurken de duruma göre değişiklik gösterip, birbirinden farklı parçacıkların ortaya çıkmasına sebep olabilirler. SLAC fizikçileri oda boyutlarında bir detektör inşa edip mezonların yok olmasıyla ortaya çıkan bu hafif parçacıkları da inceledi. Veriler KEK laboratuvarlarından elde edilen sonuçlarla bir araya getirildi ve örneğin B mezonu ile karşıt parçacığının bozunma sürelerinin birbirlerinden farklı olduğu görüldü. Bu sonuç, ABD Brookhaven Ulusal Laboratuvarı fizikçileri James Cronin ve Val Fitch’in 1964’te elde ettiği bulguyu doğruluyor. Cronin ve Fitch, madde ile antimadde arasında, ancak derine inilip bakılınca görülebilecek bir fark olduğunu, fizikte yük-parite simetrisi olarak bilinen durumu ihlal ettiklerini ileri sürmüştü. Araştırmalarına devam eden SLAC fizikçileri, B-bar mezonu bozunduğunda bir elektronun ortaya çıktığı, karşıtının bozunmasıyla da bir pozitron yaratıldığını gördüler. Şimdi onlara CERN ve Fermilab deneyleri de destek veriyor. Özetle proton ve hidrojen atomlarından sonra artık mezonlar üzerinde de deneyler yapabiliyor, antimaddenin sırlarını açığa çıkarmak için teknolojinin sınırlarını gün be gün zorlayarak yeni yöntemler geliştirmeye devam ediyoruz.

10 MADDEDE ANTİMADDE

1 Antimadde, evrendeki tüm maddeyi yok edebilirdi

Evrenin başlangıcında madde ve antimadde oranı eşitti. Parçacıklar her karşılaştıklarında birbirlerini yok ettiler. Fizikçilere göre, madde diğerine oranla sadece 1 adet fazla parçacıkla üstün gelmeyi başardı. Daha doğrusu, her bir milyar parçacık çiftine karşılık bir tane fazladan madde parçacığı. Fizikçiler bunun nasıl olabildiğini bilmiyor.

2 Ona sandığımızdan daha yakınız

Kozmik ışımalardan Dünya’ya ulaşan az miktarda antimadde parçacığı atmosferimize ulaşmayı başarıyor. Ayrıca şimşek ve yıldırımlar da antimadde yaratıyor. Bunlara ek olarak hem muz hem de insanlar düzenli olarak antimadde üreten birer fabrika gibi. Tabii çok az miktarlarda. Bu durum potasyum-40 nedeniyle oluyor. Bozunması halinde pozitron yayıyoruz ama antimadde maddeyle karşılaştığı anda yok olduğu için bunlar hemen kayboluyor.

3 Parçacık hızlandırıcıların ürettiği antimadde 1 gram bile değil

Şu ana dek parçacık hızlandırıcılarda üretilebilmiş pozitron miktarı sadece 18 nanogram. Bunun 15’ini Fermilab, 1’ini CERN, kalanını da Almanya’daki DESY laboratuvarı üretti. 18 nanogramın sağlayacağı enerji bir fincan kahveyi ısıtmaktan öteye geçemiyor. Yani şimdilik antimadde bombası diye bir şeyin yaratılabilmesi imkânsız.

4 Antimadde kapanı diye bir şey var

Antimadde üzerinde çalışabilmek için fizikçilerin onu korumaya alması, yani maddeyle karşılaşıp yok olmaktan kurtarması gerekiyor. Bunun için Penning tuzağı denilen bir yöntem kullanıyorlar. Anti-parçacık yüklüyse bu kapan onu yakalayıp içine hapsediyor, böylece bir süre boyunca korunuyor.

5 Antimadde yerçekimi karşısında farklı davranıyor olabilir.

Fizikçiler antimaddenin kütleçekim kuvvetiyle farklı bir etkileşime girdiğini, bunun sonucunda yukarıya doğru düştüğünü düşünüyor.

6 Parçacıkları hızlandırmak mı, yavaşlatmak mı?

Her ikisi de. Anti-proton Yavaşlatıcı adlı laboratuvar, öncesinde hızlandırılmış_ olan parçacıkları yakalayıp yavaşlatıyor, araştırmacıların onu incelemesine olanak tanıyor.

7 Nötrinonun karşıtı da nötrino olabilir.

Nötrinolar neredeyse yüksüz olan parçacıklar. Bu sebeple maddeyle de nadiren etkileşime giriyorlar. Bazı fizikçiler nötrinoların anti-parçacığının da yine nötrino olduğunu düşünüyor.

8 Antimaddeyi tıpta da kullanıyoruz.

PET taraması (Pozitron Emisyon Tomografisi) adından da anlaşıldığı üzere vücudun yüksek çözünürlüklü görüntülerini elde etmek için bir antimadde parçacığı olan pozitronu kullanıyor. Ayrıca CERN araştırmacıları, antimaddenin kanser tedavisi için yeni bir umut ışığı yakabileceğini gösterdi. Bu, hedef alınan tümörlere enerji atımları gönderilmesiyle gerçekleştirilmekte.

9 Antimaddeyi araştırarak karanlık maddeyi anlayabiliriz. Tersi de mümkün

Evrenin uzak bölgelerinde rastlanan kozmik ışımalar, şaşırtıcı derece yoğun antimadde üretiyor. Bunun karanlık maddeyle bir bağlantısı olduğu düşünülmekte. Pozitron miktarının fazlalığı, karanlık madde parçacıklarının çarpışması sonucunda ortaya çıktıklarını işaret etmekte.

10 Antimaddeyi kullanıp yıldızlararası yolculuğa çıkma hayalinden vazgeçmedik

Bir gün uzay araçlarımız madde ile antimaddenin bir araya gelince yarattığı enerjiyi kullanabilir. NASA’ya göre antimaddeyi yakıt olarak kullanacak aracın Mars’a ulaşması için gereken miktar 1 gramın milyonda biri kadar. Böyle bir roket teknolojisi geliştirmek de teorik olarak mümkün. Daha fazlasını üretebilecek duruma gelirsek evrenin uzak bölgelerine de yolculuk yapabiliriz.

ANTİMADDENİN PEŞİNDE

unnamed (4)

1905

E = mc2

Albert Einstein Özel Görelilik Kuramı’nı yayınladı ve fizikçilere, üzerinde çalışmaları gereken birçok soru hediye etti.

1912

Kozmik Işımalar

Avusturyalı fizikçi Victor Hess kozmik ışımaları keşfetti.

1926

Büyük Çarpışma

Erwin Schrödinger ve Werner Heisenberg kuantum teorisine şekil verdiler. Ortaya yeni bir sorun çıktı: Bu teori, Einstein’ın ünlü kuramıyla birleştirilemiyordu.

1928

Dirac’ın Ünlü Denklemi

Paul Dirac bu iki kuramı birleştirip elektronların hareketlerini açıklamak istedi. Schrödinger’in dalga denklemini kullandı ve bu hareketi görelilik çerçevesine uyarlamaya çalıştı. Denklemleri ona antimadde diye bir şeyin var olduğu gösterdi.

1932

Pozitron’un Keşfi

Kozmik ışımaları araştıran Amerikan fizikçi Carl Anderson laboratuvarında garip bir parçacık keşfetti. Bu pozitron, yani elektronun karşıtı olan anti-parçacıktı.

1934

Lawrence’ın Büyük İcadı

unnamed (5)

Fizikçi Ernest Lawrence siklotron denilen bir icat yaptı ve nükleer parçacıkların hızlandırılmasını sağlayacak olan teknolojiyi elde etti. Böylece parçacık hızlandırıcı laboratuvarlarının kurulması gündeme geldi.

1954

İlk Parçacık Hızlandırıcı

unnamed (6)

Dünyanın ilk parçacık hızlandırıcısı Bevatron, California Berkeley Üniversitesi’nde, Ernest Lawrence önderliğinde kuruldu. Bugün hala Lawrence-Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nda hizmet veriyor. Burada protonları birbiriyle çarpıştıran fizikçiler anti-protonların izini sürdüler.

1955

Anti-Proton

Bevatron Laboratuvarı anti-protonları ortaya çıkardı. Keşfe imza atan fizikçiler Emilio Segré ve Owen Chamberlain 1959 Nobel Fizik Ödülü’nü paylaştı.

1956

Anti-Nötron

Bevatron fizikçilerinden Bruce Cork anti-nötronları keşfetti.

1964

Simetri İhlali

ABD Brookhaven Ulusal Laboratuvarı fizikçileri James Cronin ve Val Fitch madde ve antimadde parçacıkları arasında büyük bir fark olduğunu anladılar. İkilinin çalışması, yük-parite simetrisinin bazı durumlarda ihlal edildiğini gösterdi. Bu simetrinin ihlali, evrendeki madde ve antimadde parçacıklarının eşit sayıda olmadığını göstermiş oldu.

1965

CERN’ün Karşıt Parçacıkları

Atomu oluşturan 3 parçacığın (elektron, proton, nötron) karşıtları bulunmuştu. Bunların antimaddenin yapıtaşı olan anti-atomu oluşturdukları düşünülüyordu. Proton ve nötronların bir araya gelmesi çekirdeği oluşturduğu için, karşıtlarından oluşan bir anti-çekirdek aranıyordu. CERN fizikçileri döteryum üzerinde çalışıp bir anti-döteryum çekirdeği üretmeyi başardı.

1978

Antimadde Stoku

CERN’de, anti-protonlardan oluşan antimadde örneğinin 85 saat boyunca korunarak depolanması sağlandı.

1981

Maddenin Karşıtıyla Çarpışması

İlk kez proton ve anti-protonlar birbirleriyle çarpıştırıldı.

unnamed (7)

1995

Anti-Hidrojen

CERN’deki hızlandırıcı deneylerinde anti-hidrojen üretildi. Böylece ilk defa antimadde parçacıkları bir araya getirilerek bir anti-atom üretilmiş oldu.

2002

Soğuk Atomlar

Fizikçiler ilk soğuk antimaddeyi yarattı. Soğuk olması, atomların yavaş hareket ettiği anlamına geliyor. Bu sayede, maddeyle karşılaşıp birbirlerini yok etmeden önce üzerlerinde çalışma fırsatı doğuyor.

2011

Madde ile Antimaddenin Farkı

Soğuk anti-hidrojen atomları 16 dakika boyunca korunarak incelendi. Bu başarı sayesinde hidrojen atomlarıyla kıyaslanmaları sağlandı.

2013

Antimadde ve Kütleçekim Kuvveti

Bilim insanları antimaddenin kütleçekimiyle ilişkiye girdiğini düşünüyor. Bu duruma “çekim kesme etkisi” ya da anti-kütleçekimi deniyor.

Popular Science Türkiye – TUNA EMREN · Mayıs 2016

Paylaş !
Son Yazılar
Bir cevap bırakın
Captcha Captcha güncellemek için resime tıkla