Her Antiparçacık Antimadde Değildir

Kozan Demircan | 31/12/2020 | Bilim-Teknoloji | 2 yorum

Antimadde nedir? Antiparçacık nedir ve neden her antiparçacık antimadde değildir? Hangi parçacıklar kendi kendisinin antimaddesidir? Fizikte parçacık dediğimiz zaman madde parçacıklarını ve antiparçacık dediğimiz zaman da antimadde parçacıklarını anlarız. Evrenimiz büyük ölçüde maddeden oluşur ve antimadde süper nadir bulunan bir istisnadır. Oysa evren sadece madde ve antimaddeden oluşmaz. Bazı temel ve bileşik parçacıklar ne madde ne de antimaddedir ama bunlar bir anlamda kendi antimaddesi olabilir! Evreni oluşturan ve standart modelde tanımlanan antiparçacıkları görelim.

Antiparçacık ve simetri kırılması

Evreni oluşturan fizik yasaları gözlemlenebilir evrenin her yerinde ve büyük patlama anı hariç her zaman geçerlidir. Zaten evreni fizik bilimiyle tanımlayabilmemizin önkoşulu budur. Örneğin hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez. İki kuantum parçacığı etkileşime girdiğinde sistemin toplam enerjisi değişmez. Açısal ve doğrusal momentumu yoktan var edemez veya yok edemezsiniz. Tıpkı enerji gibi bunları ancak bir yerden başka yere aktarabilirsiniz. Oysa bu yasaların büyük patlamada kırılmış olması gerekir.

Sonuçta evren ve fizik yasaları büyük patlamayla oluştu ve ondan önce var olamazdı. Ayrıca büyük patlamadan sonraki çok kısa bir an için zayıf nükleer kuvvet ile elektromanyetik kuvvetin tek kuvvet olarak davrandığını biliyoruz ama elektrozayıf kuvvet kırılmıştır. Zayıf ve elektromanyetik kuvvet olmak üzere ikiye bölünmüştür. Buna simetri kırılması denir ve bu da bir evren oluşurken ya da kara deliklerin merkezindeki tekillik gibi istisnai durumlarda fizik yasalarının değiştiğini gösterir.

Simetri kırılması antimadde ve maddeyle yakından ilişkilidir; çünkü evrende madde var ama antimadde yok denecek kadar az. Dahası antimadde maddenin ayna görüntüsü gibidir. Neredeyse aralarında hiçbir fark yoktur ve enerjinin korunumu yasası yüzünden madde ile antimaddenin büyük patlamada eşik miktarda oluşmuş olması gerekir.

Oysa bu evren maddeden oluşuyor. Eşitliği bozan bir simetri kırılması yaşanmış ve evrendeki madde ile antimaddenin daha büyük patlamada birbirini yok etmesini önlemiş olmalı. Neden antimadde gezegenleri, yıldızları, galaksileri olmadığı sorusu fizikteki en büyük sorunlardan biridir ve bunun antiparçacıklarla bir ilgisi olabilir. Antimaddenin nadir olmasının nedeni bütün antiparçacıkların antimadde olmaması olabilir mi? Önce evreni oluşturan parçacıkları görelim

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

Antiparçacık ve nötronlar

Maddenin temel bileşenleri atom çekirdeklerini oluşturan protonlarla nötronlar ve çekirdeklerin çevresinde dönerek nötr atomları oluşturan elektronlardır. Protonlarla nötronlar bileşik parçacıklar olup farklı sayıdaki yukarı ve aşağı kuarktan meydana gelir. Bunları birbirine gluonlar bağlar. Birazdan göreceğimiz gibi kuarklar ikili, üçlü, dörtlü, beşli gruplar halinde başka bileşik parçacıklar da oluşturur ama bunların ömrü çok kısadır. Dolayısıyla bu parçacıklar günlük hayatta karşımıza çıkmaz.

Elektronlar elektrik alanı oluşturur ve elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı olan fotonlarla (ışık parçacıkları) etkileşime girerek manyetik alan oluşturur. Elektronlar, bunların kısa ömürlü ağır kardeşleri olan muonlar ve fotonlar elektromanyetik kuvvetin ana bileşenleridir. Elektromanyetik kuvvette zıt yüklü parçacıklar birbirini çeker ve eş yüklüler iter. Bunu da foton alışverişiyle yapar.

Oysa evren daha enteresan bir yerdir. Bunun sebebi de zayıf kuvvettin bir parçası olarak radyoaktif bozunum ve iyonize edici radyasyonun bir kısmını yayan nükleer radyasyondan sorumlu nötronlardır. Radyoaktif bozunum uranyum gibi kararsız elementlerin veya bunların fazladan nötron içeren izotoplarının kütle kaybedip nihayet kurşuna dönüşmesine yol açar. Elementlerin bozunması, atom çekirdeklerindeki nötronların beta bozunumu ile protona dönüşmesi demektir.

Dengesiz elementler

Bu durum elementin dengesini iyice bozar ve atom çekirdeklerinin proton-nötron grupları (alfa parçacıkları) ya da salt nötron yayarak değişmesine yol açar. Serbest nötronların doğadaki ömrü kısadır ama nötr olduğu için elektron ve protonlardan etkilenmeden atomların içine girip çekirdekle çarpışabilirler. Kısacası kararlı atomları bile sert nötron radyasyonuyla parçalayarak daha küçük ve radyoaktif elementler üretebilirler. Nükleer kaza ve savaş kaynaklı nükleer serpintinin kaynağı budur. Antiparçacıkların ne olduğunu görmek için nötronun nasıl bozunduğunu görmemiz gerekiyor:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

Her-antiparçacık-antimadde-değildir — Antimaddenin maddeye dönüşme oranı daha yüksek mi? Büyütmek için tıklayın.

Antiparçacık ve antimadde

Nötronlar iki aşağı ve bir yukarı kuarktan oluşur. Bunların elektrik yükü sırasıyla 2 x – 1/3 ve +1/3’tür. Kuark yüklerinin toplamı nötronun nötr olmasını sağlar. Çekirdekte nispeten hareketsiz duran bir nötronun kütle eşdeğeri enerjisi yaklaşık 939 megaelektronvolttur (MeV). Hız ve yön değiştiren parçacıkların ve dolayısıyla nötronların kütlesi artar (kütle, enerjiden türeyen bir özelliktir. m=E/c²). Hızla giden nötronlar bu yüzden atomu parçalayan mermi gibidir, enerjiktir.

Nötron nasıl bozunur? Aslında 1 proton, 1 elektron ve antielektron nötrinoya dönüşür. Bunların fiziksel özellikleri farklıdır. Hareketsiz bir proton +1 pozitif yüklü olup 938 MeV kütleyle nötrondan az hafiftir. Elektronun kütlesi 0,5 MeV olup -1 yük taşır ve elektron daha küçüğe bölünemez. Nötrinolar ve dolayısıyla antielektron nötrino da nötrdür. Nötrino kütlesi 0,0000001 MeV veya daha azdır:

Proton, nötron, elektron ve kuarklar kütlesini Higgs alanıyla kazanır ama nötrino kütlesinin kaynağını bilmiyoruz. Aslında kütleli olup olmadıklarından emin değiliz. Yine de hesap ederseniz nötron bozunmasıyla oluşan parçacıkların toplam kütlesi ve momentumunun (foton ve gluon gibi kütlesiz parçacıklar hariç momentum hareket halindeki kütle olarak tanımlanır) eşit olduğunu görürsünüz. Nötrondan bozunan parçacıkların kütle ve momentumu nötronun kütlesiyle momentumuna eşittir.

Antimadde nasıl oluştu peki? Sonuçta antimaddenin nadir olması için kütle-enerji eşitliğinin bozulması lazım. Momentum ve enerji korunduğuna göre fizikte iyi bilmediğimiz bir mekanizma farklı parçacık etkileşimleri yoluyla antimaddenin ömrünü kısaltmış olmalı (tabloya bakınız). Antimaddenin bozunması sırasında enerjinin korunumu ihlal edilmez ama antimaddeyi kararsız kılan bir etki olmalıdır. İşte bu antiparçacıklarla ilgili olabilir ama nasıl?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

Nötronlar nasıl bozunur?

Kuantum fiziğinde bozunuma aracılık eden bir parçacık olması gerekir. Nötronlar bu aracı parçacıkları başka kuantum alanlarıyla değiş-tokuş ederek bozunur. Radyoaktif bozunum zayıf kuvvetle gerçekleşir ve zayıf nükleer kuvveti taşıyan parçacıklara W^+- ve Z⁰ bozonları denir (fizik kuvvetlerini taşıyan parçacıklar bozon olarak adlandırılır). Nötron bozunumu W^– bozonuyla gerçekleşir. Nötronun içindeki aşağı kuarklardan biri sanal W^– bozonu yayınlayarak yukarı kuarka dönüşür.

Nötronun protona dönüşmesi sırasında kuark sayısı değişmez. Her ikisi de üçer kuarktan oluşur. Öte yandan W^– bozonu birçok şeye bozunabilir ama toplam enerji mutlaka korunacaktır. Öyle ki bozunumla ortaya çıkan parçacıkların enerjisi nötronla proton kütlesi arasındaki farktan büyük olamaz. Nötronlar bu yüzden genellikle elektron ve antielektron nötrino yayarak bozunur. Elektron eksi yükü yanında götürdüğü için nihai sonuç nötronun pozitif protona dönüşmesidir.

Bazen radyatif (ışınsal) bozunum da olur. Bu durumda nötron fazladan bir foton yayınlar. Prensipte W^– bozonunun kuark ve antikuark kombinezonu oluşturarak bozunması da mümkündür. Bozunmada ne tür kuarklar oluşacağı belirsizlik ilkesi yüzünden değişir ama genellikle bir aşağı kuark ve bir anti yukarı kuark oluşur fakat bu çok yüksek enerji ister ve nötron enerjisi bu bozunum yoluna yetmez. Şimdi diyeceksiniz ki hocam bu detayların antimaddenin nadir olmasıyla ilgisi nedir?

Kuantum ayna

Dediğim gibi antimadde parçacıklarının bozunumda farklı bir şeyler gerçekleşiyor olmalı ki antimaddenin ömrü maddeden kısa olsun ve evreni oluşturan büyük patlamadan geriye büyük ölçüde madde kalsın. Bunun simetri kırılımıyla da ilgisi var: Antimadde maddenin ayna görüntüsüdür ama arada bir fark olması gerektiğine göre “neredeyse ayna görüntüsüdür”. Bir yerlerde simetrinin kırılması gerekir ve şimdi bunu antinötron bozunumuyla görelim:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

Antiparçacık ve antinötronlar

Antinötrino iki anti aşağı kurak (+1/3) ve bir anti yukarı kuarktan (2 x -1/3) oluşur. Antinötronların kütlesi nötronlara eşit ve onlar da nötrdür. Öyle ki antinötrino için sadece nötronları oluşturan kuark türlerinin antiparçacıklarını aldık (bakın şimdi antimadde ile antiparçacık arasındaki ilişkiye geldik). Bunun için de kuarkların elektrik yükünü ters çevirdik. Negatifler pozitif oldu ve tersi…

Sadece yüklerin zıt olduğunu ve parçacıkların yük oranının (1/3) değişmediğini ölçtük. Sonuçta nötronun manyetik momenti vardır ve bu da spin (elektronun kendi çevresinde dönüşü) ve elektrik yükü gerektirir. Nötron ve antinötron manyetik momenti sırasıyla -1,91 ve +1,91 Bohr manyetondur. Bu durumda antinötronun nötr yükünü oluşturan net kuark yük bileşenlerinin şiddeti zıt yük olması dışında nötronla aynıdır.

Özetle antinötron sanal W⁺ bozonu alışverişiyle bozunur. Tabii ki sanal parçacığı göremeyiz; çünkü sanal parçacığı gerçek kılacak enerjiyi üretemeyiz ama W⁺bozunarak 1 pozitron (antilektron) ve elektron nötrino üretir (nötrondaki W^– bozonunun ürettiği parçacıkların ters yüklü versiyonları). Nitekim bu evrendeki antimaddeyi genellikle başka parçacıklara bozunan madde parçacıkları üretir.

Buradan da antinötron ve nötron arasında bir fark olmadığını görüyoruz. İkisinin de ömrü eşittir. Antinötron daha hızlı bozunmaz. Demek ki büyük patlamada antimaddenin daha hızlı yok olmasını sağlayan şey elektrozayıf kuvvetin bölünmesinden önce, bildiğimiz anlamda fizik yasaları oluşmadan az önce gerçekleşmiş olmalı. İşte bu henüz göremediğimiz farkı antiparçacık ve antimadde arasındaki farkı inceleyerek bulabiliriz. Nasıl mı?

İlgili yazı: Nükleer Radyasyon Nedir ve İnsana Ne Kadar Zararlı?

Madde ve antimadde ayrımı nedir?

Öncelikle madde ve antimadde derken sadece evrendeki fermiyonları kast ediyoruz. Bunlar da kuarklar ve leptonlardır (elektron, muon, tau ve bunların nötrinoları). Oysa bozonlar da var:

Foton (elektromanyetik kuvvet aracısı: elektrik, manyetizma, ısı, ışık, elektromanyetik radyasyon)
8 tür gluon (güçlü nükleer kuvvet aracısı: proton, nötron ve atom çekirdeklerini bir arada tutar)
3 tür zayıf kuvvet bozonu: W⁺, W^– ve Z⁰ (zayıf kuvvet aracısı ve radyoaktif bozunumdan sorumlu)
Bir veya daha fazla Higgs bozonu türü (bazı parçacıklara kütle kazandıran Higgs kuantum alanı parçacığı)

Bunların bazısı kendi kendisinin antiparçacığıdır. Yazının başında kendisinin antimaddesi mi diye sormuştuk ya, bu yanlışı düzeltelim. Bunlar (fotonlar, Z⁰ ve Higgs) kendi kendisinin antimaddesi değil, antiparçacığıdır. Neden derseniz bunlar bölünmez parçacık olmalarına rağmen nötr parçacıklardır ve spin sayıları da 1’dir.

Karşılaştırma açısından yine daha küçüğe bölünmeyen elektronların spini 1/2’dir ve net negatif yükü vardır. Oysa antimadde zıt yük değişiminde ortaya çıkar. Fotonlar, Z⁰ ve Higgs’de net yük değişimi olmadığı için bunlar antimadde olmaz. Enerjinin korunumu açısından ancak kendisinin antiparçacığı olabilir.

Buna karşın ister antimadde-madde olsun ister olmasın antiparçacıklar ve parçacıkları çarpıştırırsanız bunlar birbirini yok eder. Yalnızca yok oluş sırasında enerji, momentum, açısal momentum, toplam elektrik yükü, baryon sayısı, lepton sayısı, lepton aile sayısı gibi burada açıklamaya gerek olmayan özellikler korunacaktır. Madde ve antimadde ayrımı işte burada devreye girer:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

Antiparçacık konusunu toparlayalım

Ben kolay anlaşılması için madde-antimadde ve parçacık ayrımını zıt elektrik yükü dönüşümü olarak açıkladım fakat teknik açıklaması şöyledir: Parçacıkların baryon veya lepton sayısı pozitif ise maddedir, negatif ise antimaddedir (Düşünün ki W⁺ ve W^– bozonlarının net yükü vardır ama yine de bunlar madde-antimadde değildir). Öte yandan yukarıda saydığım fotonlar gibi parçacıkların baryon veya lepton sayısı yoksa bunlar ne madde ne antimaddedir. Kendi kendisinin antiparçacığıdır.

Sonuç olarak yalnızca fermiyonlar (kuarklar ile leptonlar) madde ve antimadde olabilir. Tabii nötrinoların Majorana fermiyonları olduğu anlaşılırsa bu tanımın güncellenmesi gerekecektir; çünkü Majorana fermiyonları kendisinin antiparçacığı olabilir (Bkz. Antimaddenin neden nadir olduğunu açıklayabilecek olan lepton türeyişi teorisi yazısı). Peki bu konu bitti mi? Hayır. Bir detay daha var:

Pionlar ve kuark-antikuark kombinezonlarından oluşan diğer mezonlar da ne madde ne antimaddedir! Sonuçta bunlar uzayda geçici olarak birleşen kuark VE anti kuark gruplarıdır. Bir elektron ve pozitronun yan yana gelmesiyle oluşan pozitronyum da ne madde ne antimaddedir. Ayrıca fizik kuvvetlerinin büyük patlama anında nasıl birleştiğini gösteren büyük birleşme teorilerinde öngörülen leptokuark parçacıkları veya süper ağır X veya Y bozonları varsa bunlar da baryon ve lepton sayısı olan parçacıklar olacaktır. Onların da madde ve antimadde versiyonları bulunacaktır.

Dahası süpersimetri teorisinde öngörülen süpersimetrik parçacıklar varsa (fotonun süpersimetrik eşi olan fotino gibi, bunlar da ne madde ne antimadde olacaktır. Hatta bazı süpersimetri teorilerine göre süpersimetrik bozonlar bile olabilir (ve skuarklar, resme bakınız). İşte bu süpersimetrik bozonların parçacık ve antiparçacıkları anlattığımın tersine aynı zamanda madde ve antimadde olacaktır. 😮

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler