Antimadde Evreni Neden Yok Etmedi?

Kuantum fiziğine göre evrende eşit miktarda madde ve antimadde olmak zorunda. Oysa bu ikisi temas ettiği anda birbirini yok ediyor ve geriye sadece radyasyon kalıyor. Peki madde ve antimadde evren oluştuğu zaman neden birbirini yok etmedi? CERN parçacık hızlandırıcısında yapılan yeni anti kuark deneyi, evrenin antimadde kıyametinden nasıl kurtulduğu sorusuna bir yanıt buldu.

Antimadde kıyameti

İş antimaddeye kalsaydı evren doğmadan yok olacaktı; çünkü madde ve antimadde eşit miktarda olsaydı, bu ikisi daha büyük patlama anında birbirini yok edecekti. O zaman da evren ölü doğacak ve sadece radyasyon içerecekti. Yıldızlar, gezegenler ve hayat oluşmayacaktı.

Kısacası evrenin varlığını madde parçacıklarının, antimadde parçacıklarından çok daha fazla sayıda olmasına borçluyuz.

Öyle ki büyük patlama anında muazzam miktarda madde ve antimadde birbirini yok etti; ama evrenimiz ilk saniyelerde büyük kayba uğramış olmasına rağmen, geriye kalan madde galaksileri oluşturmaya yetti. Buna ek olarak eser miktarda antimadde parçacığı da sağ kalmayı başardı.

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

 

Peki neden?

Sonuçta enerjinin korunumu yasasına göre enerjiyi yok edemez veya yoktan var edemezsiniz ve bu yüzden madde ile antimaddenin evrende eşit miktarda olması gerekiyor. Hatta kuantum fiziğinin kurucularından Paul Dirac bu yasadan hareketle, maddeye eşlik etmesi gereken antimaddenin varlığını öngörmüştü.

Biz de hem uzayda antimadde gördük hem de laboratuarda eser miktarda antimadde üretebiliyoruz. Tabii tümüyle antimaddeden oluşan dünyalar, yıldızlar ve galaksiler görmedik; ama en azından antimaddenin ne olduğunu biliyoruz.

Ben de antimaddenin kuantum fiziğiyle ilgili detaylarını ayrı bir yazıda anlatacağım. Ancak, en basit haliyle antimaddenin, maddenin ayna görüntüsü ikizi olduğunu söyleyebiliriz. Öyle ki madde yazı yazarken sağ elini kullanıyorsa antimadde solaktır. Tıpkı ayna görüntünüzün ters olması gibi…

Elbette kuantum fiziğinde işler bu kadar basit değil, ama bu örnek konuyu anlatmaya yeterli. Örneğin, elektron negatif elektrik yüklüdür; ama anti-elektron, yani pozitron, pozitif elektrik yükü taşır.

İlgili yazı: Öte Gezegenlerde Yaşam Aramanın 5 Yolu

 

Simetri kırılması

Bilim insanları antimaddenin, maddenin ayna ikizi olduğunu düşünüyor ve buna da simetri diyorlardı. Simetrik açıdan antimadde, maddenin ters çevrilmiş haliydi. Oysa zamanla yapılan deneyler tam olarak öyle olmadığını gösterdi. Bu doğru olsa madde ve antimadde sayısının eşit olması gerekirdi. Eh, bugüne dek antimadde kıyameti ile yok olmadığımıza göre antimadde çok nadir olmak zorunda.

Neden öyle?

Bilim insanları prensipte buna bir çözüm buldular ve dediler ki antimaddenin maddeye dönüşme olasılığı, maddenin antimaddeye dönüşme olasılığından çok daha yüksektir. İşte buna simetri kırılması diyoruz.

Bir şekilde antimadde radyoaktif parçacıklar gibi bozunarak daha kararlı bir hal almalı. Kısacası antimaddenin maddeye dönüşmesi çok daha kolay olmalı.

Neden öyle olduğunu bilmiyoruz; ama antimadde reaksiyonlarında en az 3 tür simetri kırılması olduğunu biliyoruz ve bunları göreceğiz. Ancak şu kesin: Antimadde, maddenin basit bir ayna görüntüsü değildir ve kendine has özellikleri sahiptir.

İsviçre’deki CERN parçacık hızlandırıcısı işte bu özellikleri test ediyor. Bilim insanları aslında 60 yıldır antimadde deneyleri yapıyor. Antimadde parçacıklarının başka parçacıklara nasıl dönüştüğüne, yani nasıl bozunduğuna bakarak neden nadir olduğunu anlamaya çalışıyor.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Sonunda buldular

CERN araştırmacıları ilk kez olarak mezon parçacıklarının antimezona nasıl dönüştüğünü gördüler ki bu bütün fizikçileri heyecanlandıracak kadar önemli bir gelişme. Sonuçta mezonların antimezona dönüşme sürecinin, antimezonların mezona dönüşme sürecinden farklı olduğu ortaya çıkarmış bulunuyoruz.

İşte 50 yıldır aradığımız ve nihayet gözlemlediğimiz bu simetri kırılması antimaddenin farkını ortaya koyuyor. Bunu anlamak için de antimaddenin doğada nasıl oluştuğuna bakmamız gerekiyor:

Potasyum 40 bozunumu

Özünde bütün parçacıkların anti parçacıkları ve bütün atomların anti atom karşıtları var. Bu bağlamda doğada antimadde, radyoaktif potasyum 40 atomunun bozunumu sürecinde ortaya çıkıyor. CERN araştırmacısı Marco Gersabeck’in dediği gibi “Yediğiniz sıradan muz potasyum içerir ve her 75 dakikada 1 pozitron yayar.”

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Muzda sıkıntı yok

Her 75 dakikada bir adet pozitrona maruz kalmak sizi yok etmez, ancak bu süreçte hayatta kalmanız bile antimaddenin evrende ne kadar nadir oğlunu gösterir. Yine de ilk keşfettiğimiz antimadde türü olan pozitronlar, nadir olması dışında bize antimadde hakkında pek bir ipucu vermiyor.

Bununla birlikte mezon parçacıkları ayrı bir hikaye; çünkü bir kuark ve antikuarktan oluşan mezonlar, bir anda antimezona dönüşebiliyor. Tabii antimezonlar da mezona dönüşüyor.

Ancak ilki daha olası; yani antikuarkların kuarklara dönüşme ihtimali daha yüksek. Fizikçiler bu simetri kırılmasına yük-parite ihlali (CP ihlali) diyorlar. Biz de evrendeki bu tür asimetrilere bakarak antimaddenin kökenini araştırıyoruz.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Kuark çeşnileri

Nitekim bugüne dek kuarklarda birkaç tür asimetri gözlemlenmiş bulunuyor ve kuantum elektrokromodinamiğine göre (elektrozayıf kuvvet ile güçlü nükleer kuvveti birleştiren teori) kuarkların altı çeşnisi bulunuyor (Kuarklar, nötron ve protonları oluşturan parçacıklardır).

Elbette bu çeşniler yemek çeşnisi değil ve bunun yerine kuarkların kuantum durumlarına karşılık geliyor. Nitekim doğada altı kuark çeşnisi bulunuyor (yukarı, aşağı, alt, üst, garip ve tılsım). Fizikçiler de garip ve alt kuarklarda antimadde simetri kırılması görmüş bulunuyor (Bunlar negatif elektrik yüklüdür).

Ayrıca kuantum fiziğine göre, pozitif yüklü kuarklar arasında sadece tılsım kuarkın antimadde asimetrisi bulunması gerekiyor. Ancak, tılsım kuark bozunumu çok zayıf bir antimadde dönüşümü. Bu yüzden de tılsım kuarkların antitılsım kuarka dönüşmesinde gerçekleşen bu asimetriyi görmek zor.

CERN deneyi

İşte CERN antimadde deneyleri bunu görmek için yapıldı ve bu yüzden önemli: Fizikçiler önceki deneylerde tılsım kuarklardan oluşan D mezonlarına baktı. Öyle ki 2011-18 arasında, kuarklardan oluşan protonları CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) defalarca çarpıştırdılar. Böylece tılsım kuark antimadde asimetrisini gördüler.

İlgili yazı: Kuantum Deneyi Nesnel Gerçeklik Yok Dedi

 

Ne işe yaradı?

Açıkçası antimaddenin maddeye dönüşmesinin neden daha kolay olduğunu anlamak için bütün anti parçacık asimetrilerini incelememiz gerekiyor (asimetri parçacıkların simetrik olmaması demek). Teorilerimizde bir boşluk var ve bu boşluğu deneylerle kapatmak zorundayız.

Hatta tılsım kuark asimetrisi, garip kuark ve alt kuark asimetrisinden farklı sebeplerle gerçekleşiyorsa daha iyi olur. Böylece antimaddenin evrende neden nadir olduğunu anlama şansımız artar.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Simetri kırılması

Yine de parçacıkların simetrisine, yani maddenin ayna görüntüsü ikizi olan antimaddenin asimetrik özelliklerine bakmadan bunu kavramak zor.

Bu tür simetriler de iki türlüdür: Parçacığın ayna görüntüsü vb.’ni alarak özelliklerini değiştirme, parçacığın başka parçacıklara dönüşme yollarından özellikle birini tercih etmesi ki aşağıda anlatacağım.

Bu açıdan yük-parite ihlali (CP ihlali), antimaddenin maddeye dönüşmesinin neden daha kolay olduğuna dair ipuçları taşıyor. Öyle ki bu kolaylık olmasaydı madde ile antimadde eşit sayıda bulunacak ve çoktan birbirini yok etmiş olacaktı.

İlgili yazı: Evren Bir Simülasyon mu?

 

Simetri türleri

• Yük simetrisi bir parçacığın yükünün ters çevrilmesidir. Örneğin, negatif yüklü elektronun yükünü ters çevirirseniz pozitif yüklü anti elektron, yani pozitron elde edersiniz.
• Parite simetrisi ise ayna görüntünüz gibidir. Sağ elinizi kaldırdığız zaman, aynadaki görüntünüz kendi bakış açısından sol elini kaldırmış gibi olur.
• CP-simetrisi ise bu ikisinin kombinasyonudur: Bir parçacığı kendi anti parçacığı ile değiş-tokuş ettiğiniz (Y simetrisi) ve uzaysal koordinatları ters çevirdiğiniz zaman (ayna görüntüsü, yani P simetrisi) fizik kurallarının aynı kalacağını belirtir.

Kısacası fizik yasaları antimadde için aynen geçerlidir. Örneğin, antimadde tıpkı normal madde gibi yerçekiminden ve elektromanyetik alanlardan etkilenir. Sürpriz güçlere sahip değildir; ama bildiğimiz kadarıyla karanlık maddenin anti maddesi, anti karanlık madde yoktur.

İlgili yazı: Mobil İnternette Video İzleme Rehberi

 

Zayıf nükleer kuvvet

Bilim insanları tüm evreni tek bir denklemle açıklamak için elektromanyetik kuvvet ile zayıf nükleer kuvveti elektrozayıf kuvvet olarak birleştirdiler. Ancak, bunu yaparken bir şey fark ettiler:

Bugüne dek parçacıkların ya yük simetrisine, ya da parite simetrisine uyduğunu sanıyorlardı; ama zayıf nükleer kuvvet parçacıklarından olan nötrinolarda bu simetrilerin olmadığı ortaya çıktı. Bunların yükünü ve paritesini tek tek ters çevirmek mümkün değildi.

Oysa bilim insanları antinötrinoları anlamak için çok çabaladılar. Sonuçta nötrinolar az da olsa yerçekiminden etkileniyordu. Simetriler yoluyla bunun nedenini bulmak da yerçekimini tanımlayan görelilik teorisi ile kuantum fiziğini tek denklemde birleştirmeye yarayabilirdi.

İlgili yazı: CERN Evren Yok Olmalı Demedi

 

Geldik simetri ihlallerine

Fizikçiler yük ve parite ihlallerini nötrino spininde gördüler (Spin, nötrino parçacıkların kendi çevresinde dönme yönüdür: Türkçesi fırıl). Sonuç olarak tıpkı diğer temel parçacıklar gibi nötrinoların da spini var ve bu spin sıfıra eşit değilse ya sağ elli ya da sol ellidir (saat yönü ve saatin ters yönü).

Ancak bir sorun var: Bizler hiç sağ elli nötrino görmedik. Bu nedenle de nötrinoların parite simetrisini ihlal ettiğini söyleyebiliriz.

Ayrıca doğada gördüğümüz sol elli nötrinoların elektrik yükünü de tersine çeviremiyoruz. Teoride mümkün, ama hiç ters yüklü antinötrino da görmedik. Öyleyse nötrinolar yük simetrisini de ihlal ediyor.

İlgili yazı: CERN Proton Çarpıştırıcısı 5 Yeni Parçacık Keşfetti

 

Geriye ne kaldı?

Nötrinoyu iki kez ters çevirip çift ayna görüntüsünü almak tabii: Bunun için Windows Paint programında bir fotoğraf açtığınızı düşünün. Bu fotoğrafı hem ters çeviriyorsunuz hem de ayna görüntüsünü alıyorsunuz. İşte bu mümkündür! Nötrinolar yük-parite simetrisine sahiptir (CP simetrisi).

Buna iki simetriye birden uymak diyebilirsiniz: Fizikçiler de bu nedenle doğada tek başına yük ve parite simetrisi olamayacağını, parçacıkların ikisine birden simetrik olacağını düşündüler. Böylece de elektromanyetizma ile zayıf nükleer etkileşimi birleştirip elektrozayıf kuvveti tanımladılar.

İlgili yazı: CERN Parçacık Hızlandırıcısı 10 Kat Hızlı Çalışacak

 

Peki bu ne demek?

Hiç tekniğe girmeden direkt söyleyeceğim: Nötrinolar CP simetrisine uyuyor ise bunlar kendi kendisinin antimaddesidir; yani doğadaki farklı nötrino türleri kendi kendine ve aniden antimaddeye, antinötrinoya dönüşebilir.

Aman ne iyi! Elektrozayıf kuvveti çözdük ve böylece başlangıçta her şey güzel gitti; ama sonra CP simetrisini de bir bütün halinde ihlal eden parçacıklar bulunca dünyamız şaştı. 😮

İlgili yazı: CERN için 8 Kat Güçlü Çarpıştırıcı Tasarlanıyor

 

CP ihlali

Fizikçiler yük-parite ihlalini kaon denilen bileşik parçacıkların bozunarak başka parçacıklara dönüşmesinde gördüler. Özellikle de K-uzun kaonlardaki iki bozunum süreci çok dikkat çekiciydi; çünkü bu iki farklı bozunum yolu, aslında birbirinin CP simetrisi (ters ayna görüntüsü) idi.

Örneğin bu kaonlar bozunduğunda ya antinötrinoya ya da elektron nötrinoya dönüşüyordu. Dahası kaondan son ürün parçacıklara dönüşüm sürecinde ortaya çıkan ara parçacıklar da CP simetrisine uyuyordu!

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam hani kaonlarda CP simetri ihlali vardı?” Haklısınız var. Ancak bozunum sürecinde değil, son ürün parçacık sayısında var!

Kısacası bu kaonlar bozunduğunda ortalama olarak yarısı antinötrinoya ve yarısı da elektron nötrinoya dönüşmüyor. Kaonlar bu parçacıklardan birine daha çok ve diğerine daha az dönüşüyor; yani kaonlar bozunumda tercihli yol izliyor. İşte CP ihlali budur.

İlgili yazı: İlk Kara Delikleri Karanlık Madde Oluşturdu

 

Antimadde ile ne ilgisi var?

Bilim insanları bunu görünce tamam dediler, galiba bulduk: Evrende maddenin antimaddeden fazla olmasının sebebi; antimaddenin maddeye dönüşmesinin, maddenin antimaddeye dönüşmesinden daha kolay olmasıdır. Maddenin antimaddeye dönüşmesini zorlaştıran şey de yük-parite ihlalidir (CP ihlali) olabilir!

Böylece antimaddenin nasıl oluştuğunu kısmen anlamış olduk. Neden antimadde parçacıklarında CP ihlali olduğunu bilmiyoruz, ama antimadde parçacıklarında CP ihlali olduğunu biliyoruz. Dahası o günden beri birçok farklı parçacıkta bu ihlali gördük:

Bu ihlal birçok kuark parçacığının enerji alanında, yani kuantum fiziği uyarınca kuarklara eşlik eden kuark alanlarının salınımında (dalgalanmasında) görülüyor. Biz de bunu kuark karıştırma teorisine ekledik. Sonuçta protonlar, nötronlar, kaonlar ve diğer birçok bileşik parçacık kuarklardan oluşuyor.

Peki bu ne işe yaradı hocam derseniz: Nükleer fiziği ve evrendeki temel parçacıkları tanımlayan standart modeli iyileştirdik diyebilirim. Artık parçacıkların başka parçacıklara nasıl dönüştüğünü daha iyi anlıyoruz ve bu nükleer füzyon reaktörlerini geliştirmemizi de kolaylaştırabilir.

Yetmez ama evet

Yine de evrende antimaddenin neden daha az sayıda olduğunu anlamak için kendi kendisinin antimaddesi olan, yani kendi kendine ve aniden antimaddeye dönüşen nötrinolardaki CP ihlali olaylarını da görmemiz lazım. Bakalım nötrinolarda ne tür CP ihlali türleri var? Bilim insanları bunu araştırıyorlar. Nitekim T2 deneyinde bu ihlali gördüklerini söyleyenler oldu ama bu ayrı bir konu.

İlgili yazı: Standart Mumlar ile Evrenin Genişlemesini Ölçüyoruz?

 

Asıl konu ise

Nötrinolarda CP ihlalini görmek için CERN tesislerinde yapılmakta olan son deney; çünkü bu deneyde ilk kez yerçekimini hesaba katıyoruz. Neden derseniz: Yerçekimi ile kuantum fiziğini birleştirmeyi başaramıyoruz; ama kuantum fiziğinin tanımladığı nötrinoların kütlesi var ve yerçekiminden etkileniyorlar.

Acaba antimaddenin kökeni, CP ihlaline ek olarak gerçekleşen ve yerçekimine yol açan kütleçekim kuvvetinden kaynaklanan bilinmeyen bir simetri ihlali olabilir mi? Peki nötrinolarda varsayımsal yerçekimi simetri ihlalini görmek kuantum fiziği ile yerçekimini birleştirmeye yarar mı?

Bunlar teorik fizikte çok iddialı ve spekülatif sorular; ama fizikçiler daha basit düşünüyor: Diyorlar ki yerçekimi, CP ihlalini bilmediğimiz bir şekilde etkiliyor olabilir. Bunu bilmek kuantum kütleçekim kuramı geliştirmemize yaramasa da nötrinolarda CP ihlalini görmemizi sağlayabilir. Sonuçta bugüne dek nötrinolarda CP ihlali görmedik.

İlgili yazı: Hayalet Parçacık Nötrino İle Nasıl Kuasar Keşfettik?

 

Nasıl bir deney bu?

Bilim insanları CERN’e dik bir boru yerleştirdiler ve borudan aşağıya nötrino ile antinötrino bırakmaya başladılar. Eğer antinötrinolar, nötrinolardan daha yavaş yere düşerse bu CP ihlaline işaret edecek.

Sonuçta havayı hesaba katmaz ve vakumda 1 kg kuştüyü ile 1 kg demiri aynı yükseklikten yere bırakırsak bunlar yere eşit hızda düşecektir. Peki antimadde bu kurala uyuyor mu? Vakum ortamında düşen antimadde, madde ile aynı anda yere ulaşır mı? Henüz ikisi arasında bir fark görmedik.

Ölçebildiğimiz kadarıyla ikisi de aynı anda yere düşüyor; ama bu, nötrinolarda CP ihlali olmadığı anlamına gelmiyor. Belki de ALPHA-g deney aygıtı yeterince hassas olmadığı için bu ihlali göremedik. Fizikçiler de umutlu ve denemeye devam ediyorlar.

İlgili yazı: Elektrikli Karanlık Madde ve Steril Nötrino Nedir?

 

Peki antimadde roketleri?

Madde ve antimaddeyi çarpıştırarak çalışan antimadde roketleri ışık hızının yüzde 70’i ile gidebilir. Böylece komşu yıldızlara 10 yılda ulaşabiliriz. Ancak bir sorun var: 1 gram antimadde 62,5 trilyon dolara mal oluyor (Ne de olsa antimaddeyi seri üretemiyoruz. Sadece protonları ışık hızına yakın hızlarda çarpıştıran CERN benzeri dev hızlandırıcılarda üretebiliyoruz).

Gerçi şimdi ucuzladı: Teknolojinin gelişmesiyle 1 gram antimadde üretmenin maliyetini 25 milyar dolara indirmeyi başardık. Yine de bana çok pahalı geldi. Belki de Türkiye’nin içinde bulunduğu ekonomik durum yüzünden hayat pahallığına karşı daha duyarlı olmuşumdur. 😉

Peki antimadde roketleri ile yıldızlara daha yerde patlamadan ulaşmayı başarabilir miyiz? Bunu başka yıldızlara erişmenin 5 yolu başlığıyla okuyabilirsiniz. Antimadde roketlerine güvenli bir alternatif olan füzyon roketlerini ise Helyum 3 Zaman Kristalleri ve Daedalus Füzyon Roketi yazılarında görebilirsiniz.

Ancak illa teorik fizik takılacağım derseniz sizi bekleyen yazının başlığı belli: Antimadde ile anti yerçekimi üretebilir miyiz? İyi haftalar ve keyifli okumalar.

Antimadde yerçekimi deneyi

¹CP violation in charm decays with the LHCb experiment
²New technique for antihydrogen synthesis promises answers to mysteries of antimatter