Beşinci Element ve Karanlık Foton

Beşinci element var mı? Macar fizikçiler karanlık maddeyi görünmez yapan beşinci fizik kuvvetini keşfettiklerini duyurdu. Üstelik “beşinci element” diyebileceğimiz bu kuvvetin taşıyıcısı olan parçacığı da karanlık ışığı oluşturan “karanlık fotonları” ararken buldular.

Karanlık foton

Astrofizikçiler Samanyolu kütlesini ölçtükleri zaman, galaksimizin barındırdığı yıldızları yerçekimiyle bir arada tutacak kadar ağır olmadığını gördüler. Galaksinin merkezinde yer alan 4 milyon güneş ağırlığındaki süper kütleli kara delik bile hafif kalıyordu ve karanlık madde teorisi de buradan çıktı:

Fizikçiler karanlık maddenin toplandığı yerlerde yerçekiminin arttığını ve bunun da yüz milyarlarca yıldız barındıran galaksilerin oluşmasını sağladığını düşünüyor.

Adına gelince; karanlık madde elektromanyetik kuvvet ve dolayısıyla ışıktan etkilenmiyor. Bu nedenle tıpkı görünmezlik pelerini giymiş Harry Potter gibi göze görünmüyor.

İlgili yazı: İnternetinizi uçuracak en iyi 10 modem

 

Karanlık madde parçacıkları

Fizikte öne sürülen farklı karanlık madde türleri için karanlık madde kara delik mi yazıma bakabilirsiniz. Ancak, fizikçilerin en popüler teorisinde öngörülen egzotik karanlık madde parçacıklarının bugüne kadar keşfedilemediğini söylememiz gerekiyor.

Egzotik karanlık maddenin sadece yerçekimi ve nükleer radyasyondan etkilendiği sanılıyordu; ama son 15 yılda yapılan araştırmalarda WIMP denilen bu karanlık madde parçacıklarının izini bulmadık ve bilim insanları da karanlık maddenin atom boyundaki mikro kara deliklerden oluştuğunu düşünmeye başladı.

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Oyunbozan

Tam fizik camiası egzotik karanlık maddeden vazgeçip normal maddenin çökmesinden oluşan mikro kara delikler fikrine kendini alıştırmaya başlamıştı ki karanlık fotonu araştıran Macar fizikçilerden şaşırtıcı bir açıklama geldi:

Beşinci element

Attila Krasznahorkay ve ekibi karanlık fotonları ararken fizikte bilinmeyen yeni bir parçacık bulduklarını söylediler. Yeni parçacığın fizikteki beşinci kuvveti taşıdığını ve beşinci element temsilcisi olduğunu düşünüyorlar.¹

Resimde görüldüğü gibi Evren’deki fiziksel etkileşimleri kontrol eden 4 fizik kuvveti var: Bunlardan ilki kara deliklerden sorumlu olan ve galaksileri oluşturan yıldızları bir arada tutan kütleçekim kuvveti. Einstein’ın görelilik teorisinden beri yerçekiminin üstadı olduk ve sonunda çarpışan kara deliklerin ürettiği kütleçekim dalgalarını keşfettik.

İkinci kuvvet elektromanyetizma ve mikrodalga fırınlarını, radyo dalgalarını, kablosuz internet bağlantısını ve evet, yaz sabahlarını aydınlatan gün ışığını bu kuvvete borçluyuz. İnsan vücudunun yapıtaşları olan hücreleri bir arada tutan atomları da güçlü nükleer kuvvete borçluyuz. Atomu parçalayınca bu muazzam güç açığa çıkıyor ve nükleer patlama oluyor.

Nükleer radyasyon (radyoaktif bozunma) ise zayıf nükleer kuvvetin işi ve biz de son 40 yılda çok çalışarak bu dört fizik kuvvetinin üçünü nükleer fiziği tanımlayan standart modelde birleştirmeyi başardık. Sadece yerçekimini kuantum fiziğine bağlayan bir kuantum kütleçekim kuramı geliştiremedik.

İlgili yazı: HAARP Depreme Yol Açar mı?

 

Neden 4 kuvvet?

Gerçekten de neden 5 değil? Örneğin Macarlar haklıysa şiirsel bir şekilde beşinci element diyebileceğimiz beşinci fizik kuvvetini keşfetmiş olacağız. Ancak bu kez baştan söyleyelim; beşinci fizik kuvveti bildiğimiz fizik yasalarına aykırı değil ve bu yeni kuvveti mevcut fizik yasalarına bağlayabiliriz.

Her şeyin teorisi

Bilim insanlarının hayali bütün evreni tek bir fizik denklemi ile açıklamak. Hatta bunun için büyük patlamadan bu yana sürekli soğuyan Evren’in ısı haritasını bile çıkardılar. Çizimde görüldüğü gibi Evren’in sıcaklığı büyük patlama anına yaklaştıkça artırıyor (adı üstünde, patlama).

Sıcaklık arttıkça önce elektromanyetik kuvvet ve zayıf çekirdek kuvveti “elektrozayıf kuvvet” halinde birleşiyor. Sonra güçlü nükleer kuvvet ikiliye katılıyor ve filmi geri sarıp Evren’in doğumuna gelmeden hemen önce, kuantum fiziğinin tanımladığı bu üç kuvvet geçerliliğini yitirip yerçekimiyle birleşiyor!

 

Büyük patlamanın sırrı

Öyle ki büyük patlama anında evren kuantum fiziğinin alanına girecek kadar küçük bir noktaydı ve fizikçiler sırf bu yüzden yerçekimini atom ölçeğinde tanımlayan bir kuantum kütleçekim kuramı geliştirmek istiyor.

Ancak, kuantum fiziğini ortaya çıkaran üç kuvvetin büyük patlamadan önce yerçekimiyle birleşip anlamını yitirdiğini görüyoruz. Bu sıkıntılı durum bize fizikte daha işin başında olduğumuzu gösteriyor.

İlgili yazı: Mars Ay Kadar Büyük Olmayacak

 

Beşinci element karanlık foton mu?

Fizikçiler bu sorunu çözmek için yerçekiminin spin durumu denilen bir kuantum özelliğinden, yani kuantum fiziğinden etkilenip etkilenmediğini görmek istediler. Bunun için de yerçekimini atom boyunda test eden bir deney yaptılar (Popular Science Türkiye Eylül sayısındaki yazımda okuyacaksınız).

Onlar bu tür sorunlarla uğraşırken Macarlar da laboratuarda karanlık foton arıyorlardı; ama karanlık foton bulmak yerine, karanlık maddeyi karanlık yapan beşinci fizik kuvvetini bulduklarını açıkladılar.

Kafalar karışmadan belirtelim: Her şeyin teorisi için bugün bilinen 4 fizik kuvvetinin büyük patlama anında nasıl tek kuvvet halinde birleştiğini göstermemiz gerek. Bunun için de kuantum kütleçekim kuramı geliştirmemiz lazım ve biz buna çabalarken Macarlar beşinci kuvveti keşfettiklerini söylediler. Oysa daha dördünü bir araya getiremiyoruz. Beşini nasıl birleştireceğiz?

İlgili yazı: Işıktan Yaratılan Kara Delik Kugelblitz

 

Beşinci elementin kısacık tarihi

2015 yılında Attila Krasznahorkay liderliğindeki bir grup Macar fizikçi, karanlık maddenin kendi elektromanyetik kuvvetini taşıdığı düşünülen karanlık fotonları araştırıyordu. Karanlık foton başlı başlı başına bir gariplik:

Karanlık maddeye ışıktan etkilenmediği için karanlık diyoruz. Sonra da bizim göremediğimiz karanlık elektromanyetizmadan sorumlu karanlık fotonları arıyoruz. Yetmiyor: Uzayda tümüyle karanlık maddeden oluşan görünmez galaksiler, güneşler ve gezegenler olduğunu düşünüyoruz.

Bu da fizikçilerin doğanın sırlarını aydınlatmak üzere art arda birbirinden ilginç teoriler geliştirdiklerini gösteriyor. Fizik deneme yanılma yoluyla ilerlediği için bunda sorun yok. Öte yandan, birçok fizikçi karanlık galaksileri en az bizim kadar garipsiyor. Bu yüzden karanlık fotonlara pek itibar etmiyor.

İlgili yazı: Klima Özellikli Antirefle Güneş Paneli

 

Beklenmedik buluş

Oysa fizik çoğu zaman beklenmedik keşiflerle ilerler ve Macarlar bu kez iki beklenmedik keşif yaptıklarını söylediler: 1) Beşinci element babında beşinci fizik kuvveti ve 2) Bu kuvvetin karanlık maddeye “karanlık olma” özelliği kazandırdığı.

Ne buldular, nasıl buldular?

Fizikçiler lityum-7 atomlarından oluşan ince bir film tabakasını fotonlarla bombalıyordu. Aslında 27 km’lik CERN kadar büyük olmasa da bir tür masaüstü parçacık hızlandırıcısı kullanarak parçacıkları atomlarla çarpıştırıyor ve küçük patlamada etrafa saçılan parçalara bakarak karanlık fotonları arıyorlardı.

Lityum-7 foton bombardımanına maruz kaldığında kararsız berilyum-8 atomuna dönüşüyor. Berilyum-8 zayıf nükleer kuvvet uyarınca bozunurken, yani enerji kaybederek daha hafif ve kararlı bir çekirdeğe dönüşürken bozunma ürünleri dediğimiz küçük parçacıklar salıyor.

Biz de bütün bu parçacıkları nükleer fiziğin temeli olan standart modele göre izliyoruz. Hangi atom hangi parçacıkla çarpışırsa nasıl parçalanacağını biliyoruz. Nükleer fizik diyor ki Berilyum-8 gibi radyoaktif bir izotop bozunursa elektron-pozitron çiftleri yayar (elektron ve anti elektron çiftleri).

Hatta burada eklemeye gerek olmayan bir detay sebebiyle bu parçacıklar daha geniş bir açıyla uzaya saçılıyorsa daha az sayıda elektron-pozitron çifti görmemiz gerek. Peki, bozunma sırasında salınan parçacıkların azalması beşinci element için ne anlama geliyor?

İlgili yazı: Mars’a Giden Ölümsüz Plazma Roketleri

 

Berilyumun radyoaktif bozunumu

Macarlar Berilyum-8’in yaydığı parçacıklara baktılar ve 140 derecelik geniş açıda (geniş saçılım açısında) olması gerektiğinden daha fazla elektron-pozitron çifti yayıldığını gördüler. İşte bu noktada kuantum fiziği devreye girdi ve beşinci kuvvetin keşfedilmesinde rol oynadı.

Kuantum fiziğine göre parçacıklar hem dalga hem parçacık olarak davranıyor. Örneğin, foton parçacığına eşlik eden bir foton enerji alanı (foton dalgası) var. Elektron, proton, nötron dalgası da var.

Doğadaki fizik kuvvetleri de bu parçacık dalgalarını etkileyen, etkileyip sağa sola yönlendiren, parçacıkları sünger gibi emip yeniden yayınlayan ya da parçalayan enerji alanları yayıyor. Örneğin elektromanyetizma güçlü bir enerji alanı oluşturuyor.

Bu durumda siz de laboratuardaki masaüstü parçacık hızlandırıcısında olması gerektiğinden daha çok sayıda parçacık görürseniz (bu durumda elektron-pozitron çiftleri) buna yol açan yeni bir fizik kuvveti olduğunu düşünebilirsiniz. İşte Macarlar bu yüzden beşinci fizik kuvveti keşfettik dediler.

İlgili yazı: Kuantum internet Gizlilik ve Şifrenizi Koruyacak

 

Yeni bozona merhaba

Bozon fizik kuvvetlerini taşıyan ve onların enerji alanlarını oluşturan parçacıklara verilen ad. Örneğin, Higgs bozonu maddenin durağan kütle kazanmasını sağlıyor ve foton bozonu da elektromanyetik kuvveti taşıyor.

Öyleyse beşinci kuvvetin de kendine has bir bozonu olması gerekiyor. Fizikçilere göre bu yeni bozon elektromanyetizmadan bile kısa menzilli. Öyle ki sadece birkaç atom çekirdeği mesafesinde etkili oluyor.

Atom çekirdekleri ile bu çekirdeklerin yörüngesinde dönen elektronlar arasındaki mesafeyi ölçeklediğimiz zaman aralarında neredeyse Güneş-Dünya mesafesi kadar boşluk olduğunu düşünürsek beşinci kuvvetin taşıyıcısı olan bozonun ne kadar kısa menzilli olduğunu görüyoruz. Karanlık maddeye karanlık özelliği kazandırmasının sebebi de kısa menzilli olması. Şimdi nasıl olduğunu görelim.

İlgili yazı: Kalp Nakli İçin Canlı Vatoz Robot

 

Protofobik X bozonu

Şansımıza fizikçiler çocuklarına bilimsel isimler vermiyor. Yoksa protofobik ismi okulda alay konusu olurdu; ama bilimsel terim olarak bu oldukça anlaşılır bir isim ve yeni keşfedilen bozonun atom çekirdeğindeki protonları etkilemediğini ifade ediyor.

X de bunun bilinmeyen bir bozon olduğuna işaret ediyor. Protofobik X bozonu sadece elektronları ve atom çekirdeklerindeki nötronları etkiliyor.

İlgili yazı: NASA Titan Uydusuna Denizaltı Gönderiyor

 

En güzeli CERN’e gerek yok

Popular Science Türkiye’nin bu ayki sayısında anlattığımız CERN parçacık hızlandırıcısı bilim için muazzam bir araç. Onlarca ülkeden binlerce fizikçinin toplu araştırma yapmasını sağlıyor. Ancak, CERN aynı zamanda lüks restoran gibi meşgul bir yer ve kendi araştırmanız için aylar önceden yer ayırtmanız gerekiyor.

Protofobik X bozonu ise çok düşük enerjili bir parçacık ve bu bozonu görmek için üniversite laboratuarlarındaki sıradan test aletleri yeterli.

Kısacası bu bozon için fizikçiler kısa sürede binlerce test yapabilir ve Macarların yanılıp yanılmadığına bakabilir; çünkü tahmin edebileceğiniz gibi bilim dünyası beşinci element fikrine şüpheyle yaklaşıyor. Beşinci fizik kuvvetine inanmaları için kesin deney sonuçları gerekiyor.

İlgili yazı: DNA’nın Tutkalı Kuantum Dolanıklık

 

Ya karanlık madde?

Fizikçiler kuantum fiziğinin gözle görebildiğimiz makroskobik dünyada etkili olmadığını biliyor. Buna rağmen dev atom bulutlarını mutlak sıfırda soğutup birbiriyle dolanıklığa sokarak (Bose-Einstein yoğuşması) kuantum dünyasını masaüstünde görmeye çalışıyorlar.

Sonuçta gezegenler ve yıldızlar gibi büyük mesafelerde etki eden yerçekimini kuantum fiziğiyle ilişkilendirmek için kuantum dünyasının makroskobik cisimleri nasıl etkilediğini görmeleri şart.

İlgili yazı: Stephen Hawking Evrenin Haritasını Çıkarıyor

 

Ama biz karanlık madde değiliz!

İnsanlar normal maddeden yapıldığı için karanlık madde gören gözlerimiz yok. Bunun yerine karanlık maddenin normal maddeyi nasıl etkilediğine bakabiliriz. Macar fizikçilere göre beşinci kuvvet karanlık maddenin normal maddeyi etkilemesini sağlıyor. Kısacası beşinci kuvvet karanlık maddeyi araştırmamızı sağlayacak.

Beşinci element diyebileceğimiz yeni bozonun bir özelliği de karanlık maddeye “karanlık olma” özelliğini kazandırması. Bunu anlamak için egzotik maddeye göz atmamız lazım: Bugüne dek elimizdeki en güçlü karanlık madde adayı zayıf nükleer kuvvetle etkileşime giren WIMP parçacıklarıydı.

Bunları bir türlü bulamadığımız için hayal kırıklığına uğradık ve bazı fizikçiler karanlık madde mikro kara deliktir teorisini geliştirdi. Oysa beşinci fizik kuvveti WIMP’lerin neden ışıkta görünmediğini ve neden sadece yerçekimi ile zayıf nükleer kuvvetten etkilendiğini açıklayabilir. Dolayısıyla egzotik karanlık maddenin gerçek olduğunu kanıtlayabilir.

Nitekim beşinci element peşindeki fizikçilerden Jonathan Feng, “Yeni deneylerle kanıtlanırsa beşinci kuvvetin keşfi evren hakkındaki anlayışımızı tümüyle değiştirecek ve böylece görünmez Evren’e ilk kapıyı aralamış olacağız” diyor. Cesur yeni fiziğe hazır mısınız? 😉

Karanlık foton TEDx konuşması

¹Protophobic Fifth-Force Interpretation of the Observed Anomaly in Be⁸ Nuclear Transitions