Evren Neden Var? Nötrinolar ve Leptonlar Açıklayabilir

Madde ile antimadde birbiriyle temas edince enerjiye ve başka parçacıklara dönüşerek yok oluyor. Ancak, evren büyük patlamayla oluştuğunda eşit miktarda madde ve antimadde üretti. Peki öyleyse evren neden var? Neden madde ve antimadde daha evrenin ilk anında birbirini yok etmedi? Kendi kendisinin antimaddesi olan nötrinolar ve lepton türeyişi teorisi bu soruyu yanıtlayabilir.

Nötrinolar ve lepton türeyişi

Madde ve antimaddenin kökenini önceki yazıda anlatmıştım. Ancak, yaşadığımız evrende maddenin bol, antimaddenin ise nadir olduğunu ve büyük patlama anında aradaki bu farkın, maddenin baskın çıkmasını sağlayarak bildiğimiz evrenin yok olmasını önlediğini söyleyebilirim. Peki neden madde antimaddeden fazla? Bu sorunun yanıtı nötrinolar ve lepton türeyişi teorisinde yatıyor olabilir.

Nitekim evrendeki madde fazlalığını açıklamanın iki yolu var ve ikisi de aynı kapıya çıkıyor: 1) Antimaddenin ömrü kısa olabilir ve radyoaktif bir parçacık gibi bozunarak maddeye dönüşüyor olabilir (Pozitronun elektrona dönüşmesi gibi). 2) Antimaddenin ömrü kısa olabilir ve bozunarak yok olabilir. Bu durumda pozitron başka parçacıklar ve enerjiye dönüşerek yok olacaktır.

Her iki durumda da evrenimizde madde yaygın, antimadde nadir olur. Yine de antimaddenin kafadan bozunduğunu düşünmeyin. Belirli bir antimadde parçacığının nasıl bozunacağı ve hangi parçacıklara dönüşerek ne tür enerji yayacağı, kuantum fiziğinden türeyen standart modelde belirlenmiştir. Bilim insanları da işte bu yüzden standart modele uygun antimadde teorileri geliştiriyorlar.

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

 

Nötrinolar ve leptonlar

Lepton türeyişi bu senaryoları standart modele göre birleştiriyor. Örneğin elektron ve pozitronlar evrenin bugünkü enerji değerlerinde birbirine dönüşmez. Aksi halde vücudunuzdaki elektronların yarısı aniden pozitrona dönüşebilir ve bu da antimadde patlamasıyla yok olmanıza neden olurdu (Sizinle birlikte bulunduğunuz ilçenin yarısını imha etmenin yanı sıra, bu aynı zamanda elektrik yükünün korunumu yasasını da ihlal ederdi 😉 ).

Ancak, evrenin daha başlangıç aşamasında madde-antimadde patlamasıyla neden yok olmadığını görmek için önce şu iki soruyu yanıtlamak gerekiyor: Nötrino ve leptonlar nedir? Lepton türeyişi nedir ve bu teori evrende maddenin baskın olmasını nasıl açıklar? Nötrinolarla başlayalım:

Nötrinolar standart modeldeki temel parçacıklar arasında fermiyon grubuna giriyor ki bunlar yarı tam sayı spini olan parçacıklardır (kendi çevresinde yarı tam spinle dönerler: n+1/2, 4½, 7/2, −13/2, 8,5 gibi). Nötrino aynı zamanda fermiyonların alt grubu olan bir leptondur; yani proton ve nötronları birleştirerek atom çekirdeklerini oluşturan güçlü nükleer kuvvetten etkilenmez.

Elektrik yükü nötr olan nötrinolar (Türkçesi küçük nötr parçacıklar) pratikte elektromanyetik kuvvetten de etkilenmez. Bunun yerine, sadece radyoaktif bozunumdan sorumlu olan zayıf nükleer kuvvet ve yerçekimine yol açan kütleçekim kuvvetinden etkilenir. Ayrıca nötrinoların kütlesi ve boyu da çok küçüktür ve iri cüsseli protonların yanında tüy sıklet cüce gibi kalırlar.

Hayalet nötrinolar

Bu nedenle maddenin içinden hayalet gibi geçip giderler: Örneğin vücudumuzdan saniyede 100 trilyon nötrino geçiyor ama biz fark etmiyoruz bile; çünkü elektromanyetik kuvvetten etkilenmiyorlar. Tabii nötrinolar elektronları baypas ederek direkt atom çekirdeklerine çarpabilirler; ama atomların yüzde 99’u boşluktur ve nötrinolar çok küçüktür. Bu sebeple bir atoma doğrudan çarpma ihtimalleri de düşüktür (diğer parçacıkların tersine, atomun yanından geçmeleri etkileşime yeterli olmaz).

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Nötrinoları saptamak zordur

Güneş’in enerji çıktısının yüzde 2’sini üreten nötrinoları Dünya’daki detektörlerle saptamak bu yüzden çok zordur. Nötrinolar atom çekirdeklerini değiştirecek kadar yüksek enerjiye sahip olmadıkları için bunları ancak dolaylı yollarla saptayabiliriz. Öte yandan nötrinolar lepton türeyişi teorisinin temelini oluşturan parçacıklardır:

Nitekim lepton türeyişi evren nasıl oluştu ve neden hiçlik yerine bir şeyler var gibi en temel varoluş sorularını soruyor. Ancak, bu aynı zamanda son derece karmaşık bir parçacık fiziği teorisi. Dolayısıyla detayları gelecek bölümlere bırakarak bu yazıda lepton türeyişini yalnızca antimadde açısından göreceğiz:

Madem evren büyük patlama sırasında oluşurken eşit miktarda madde ve antimadde ortaya çıktı öyleyse kayıp antimadde neredeye gitti? Evrenler arası yolculuk eden hırsız hiper uzaylılar çalmadığına göre, bunu bilimsel olarak açıklamanın bir yolunu bulmamız gerekiyor.

Lepton türeyişi işte buna yanıt arıyor; ama bu henüz test edilmemiş bir teori. Bu nedenle doğru olup olmadığını bilmiyor, ama doğru olduğunu düşünüyoruz. Nitekim ABD Illinois’deki Fermilab parçacık hızlandırıcısı, özel bir nötrino ışını ile bu teoriyi test etmeye hazırlanıyor. Öyle ki DUNE (Yeraltının Derinliklerindeki Nötrino Deneyi) detektörü yakın gelecekte antimaddenin kökenini araştıracak.

İlgili yazı: Vücudumuz ve Beynimiz Mars’a Yolculuğa Hazır mı?

 

Nötrinolar ne zaman oluştu?

Lepton türeyişinin köken şartları evrenin ilk saniyesinin trilyonda birinden daha önce ortaya çıktı. Leptonların antimaddenin nadir olmasından sorumlu olduğunu öngören lepton türeyişi teorisi de bu sürede yaşananları açıklamaya yöneliktir. O anda evren, CERN parçacık hızlandırıcısının en güçlü bileşeni olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda üretebileceğimizden bile çok daha sıcaktı.

Bu yüksek enerji de çok önemli; çünkü o zaman evrendeki fizik yasaları bugünkü fiziksel etkileşimlerden çok daha farklıydı. Açıkçası 4 temel fizik kuvvetinin aşırı yüksek ısıda birleştiği bambaşka bir evren vardı.

Örneğin, parçacıklara kütlesini kazandıran Higgs enerji alanı sıcaklığa çok duyarlıdır. Evren de ilk saniyenin o ilk kısacık kesrinde o kadar sıcaktı ki Higgs alanı değeri 0’dı; yani parçacıkların kütlesi yoktu ve elektronlar dahil, hepsi ışık hızında gidiyordu. Higgs parçacığı bile kütlesizdi!

Bunu maddenin sıvı ve gaz haline benzetebiliriz: Kaynar suyun buharlaşarak sıvıdan gaz haline geçmesine fizikte faz değişikliği diyoruz. İlk saniyenin ilk kesrinde de evren bambaşka bir kafada, başka bir fazdaydı. O zaman aralığında sadece kütle değil, elektrik yükü bile yoktu ki nerede kaldı elektrik yükünün korunumu yasası! İşte bu, antimaddenin oluşumu açısından çok önemlidir:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Neden derseniz

Nötrinoların kendi kendisinin antimaddesi olabileceğini düşünüyoruz da ondan. Oysa elektrik yükünün korunumu yüzünden maddenin antimaddeye dönüşemeyeceğini söylemiştik. Peki nötrinolar nasıl kendisinin antimaddesi olabilir? 1) İlk evrende fizik yasalarının farklı olması ve 2) Nötrinoların elektrik yükünün nötr olması (yani simetrik parçacıklar olmaları) yüzünden. Öyleyse lepton türeyişinin ve antimaddenin evrende nadir olmasının 4 şartı şudur:

1 – Sağ elli ağır nötrinolar (steril nötrino) var.

2 – Nötrino ve antinötrinolar aynı şeydir (Majorana nötrinoları).

3 – Steril nötrinolar antinötrinolara bozunurlar (bilinmeyen bir sebeple).

4 – Sphaleron süreci (sadece süper sıcak evrende antimaddeyi maddeye çevirir).

Oldukça karmaşık değil mi? Bir sonucun sebebini bilmiyorsak en doğru açıklama genellikle en basit açıklamadır diyen felsefedeki Occam’ın Usturası fikrine de aykırı görünüyor. Sonuçta bu teoride, görünüşte birbirine aykırı olan 4 ayrı varsayımda bulunuyoruz. Öyleyse bu dört maddeye kısa notlar ekleyerek görünüşteki aykırılıkları giderelim:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Nötrinolar için antimadde notları

A – Steril nötrinolar sıcak evrende bile kütlelidir; çünkü kütlesini Higgs alanından değil, sadece sıcak evrende etkin olan başka bir enerji alanından alır (yine varsayım).

B – Kuantum fiziği denklemlerinde nötr parçacıklar olan nötrinoları kendi kendisinin antimaddesi olarak yazmak mümkündür (Bunu tau, muon ve elektron nötrinoların birbirine ne hızda ve ne oranda dönüştüğüne bakarak test edebiliriz. Test sonuçlarını ayrıca yazacağım).

C – Steril nötrinolar belki de kütlesini başka yerden aldığı için bilinmeyen bir sebeple antinötrinolara bozunuyor, ama nötrinolara bozunmuyor.

D – Sphaleron süreci, sadece Higgs alanı enerji değerinin 0 olduğu süper sıcak evrende antinötrinoları nötrinolara çeviriyor ama tersini yapmıyor.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Nötrinolar için bonus not

Bugünkü evrende proton ve nötronlara baryon diyoruz (bunlar üçer kuarktan oluşan bileşik parçacıklardır). Baryon sayısı da bu parçacıkların sayısına karşılık geliyor. Mesela iki nötron ve iki protondan oluşan helyum 4 çekirdeğinin baryon sayısı dörttür. Anti proton vb. için de tersi geçerlidir.

Örneğin, iki antiproton ve antinötrondan oluşan teorik bir antihelyum 4 çekirdeğinin baryon sayısı da -4’tür. Ayrıca evrendeki parçacık etkileşimi ve bozunumlarında baryon sayısı değişmez. Mesela 4 proton, 1 antiproton ve 1 antinötronu bir araya getirirsek toplam baryon sayısı +4 – (-2) = 2 olacaktır.

Bu mantık leptonlar için de geçerlidir ve elektron leptondur. 1 nötrino ve 1 elektron bir araya gelirse toplam lepton sayısı 2, 1 pozitron ve 1 antinötrino bir araya gelirse toplam lepton sayısı -2 olur. Keza iki grubu yan yana getirirseniz (antimadde patlamasının yanı sıra) toplam lepton sayısı +2 -2 = 0 olur.

Baryon ve lepton sayısı korunur derken ayrıca şunu kast ediyoruz: Evrendeki parçacık etkileşimleri sırasında toplam baryon ve lepton sayısı da değişmez. Kısacası doğal süreçlerle 1 antimadde parçacığı oluşuyorsa onu telafi etmek için mutlaka bir madde parçacığı da oluşacaktır. Antimaddenin nadir olmasına yol açan Sphaleron sürecini anlamak için baryon-lepton sayısı korunumunu bilmek şarttır.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Nötrinolar ve büyük patlama

Süper sıcak evrende antimaddenin oluşumu açıklamaya kalktığımız zaman ve lepton türeyişi teorisine göre, baryon-lepton sayısının değil ama “baryon sayısı eksi lepton sayısının” korunduğunu görüyoruz. İşte bu kural değişikliği Sphaleron sürecinin, antimadde leptonlarını madde baryonlarına dönüştürmesine izin veriyor.

Örneğin, bebek evrende 3 antimadde leptonu varsa ama hiç madde baryonu yoksa baryon sayısı – lepton sayısı 0 – (-3) = 3 oluyor. Öte yandan, bebek evrende 3 madde baryonu varsa ve hiç antimadde leptonu yoksa sonuç yine aynı oluyor! 3 – 0 = 3.

Lepton türeyişi denklemlerinde ortaya çıkan bu kural değişikliği, sıcak evrendeki antileptonların otomatik olarak normal baryonlara dönüşmesine yol açıyor. Öyleyse evrende antimaddenin az olmasının sebebini lepton türeyişiyle şöyle açıklayabiliriz:

İlgili yazı: Biyonik Böbrek ile Diyaliz Derdine Son

 

Antimaddenin türeyişi

1) Dört fizik yasası yerine tek fiziksel etkileşimin geçerli olduğu bebek evrende, nötrinoların ağır kuzenleri olan sağ elli steril nötrinolar dışında kütleli parçacık yoktu. 2) Bunlar aynı zamanda kendi kendisinin antimaddesiydi, ama bilinmeyen bir sebeple antinötrinolara dönüşmeyi seçtiler.

3) Bunlar da normal baryonlar ve antileptonlara bozundular (sıcak evrende ikisinin de kütlesi yoktu). Böylelikle leptonlardan çok antilepton oluştu ve evrende madde ile antimadde dengesizliği ortaya çıktı.

Bu aşamada antimadde fazlaydı! Ancak, antileptonlar Sphaleron süreciyle baryonlara dönüştüler ve sonuçta evrende madde fazlalığı oluştu. Kısacası evrende başlangıçta eşit miktarda olan madde ve antimaddenin varlığını koruyup birbirini yok etmesi önlenmiş oldu.

Evren yeterince genişleyip madde-enerji yoğunluğu azaldığında Higgs alanı 0’dan büyük bir değer aldı, parçacıklar kütle kazandı ve bildiğimiz baryon-lepton sayısının korunumu kuralı ortaya çıktı. O zaman da maddenin tekrar antimaddeye dönüşmesi imkansız oldu. Bütün bunların sonucunda standart modele uygun olarak madde ağırlıklı olan evren meydana geldi.

İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?

 

Nötrinolar için en güzel hikaye

Ancak, lepton türeyişi teorisinin (bildiğimiz evrenin baryonlardan ziyade leptonlar sayesinde oluştuğu teorisi) doğru olduğunu gösteren bir kanıt yok. Fermilab fizikçileri DUNE deneyi ile bu teoriyi test edecek. Ben de DUNE nötrino ışınlı parçacık hızlandırıcısını ayrı bir yazıda anlatacağım.

Peki maddenin kütlesi nasıl ortaya çıktı? Onu da kütle enerjiye dönüşür mü, solak elektron ve zayıf nükleer kuvvet yazılarında okuyabilirsiniz. Kış havalarının yurdu sardığı şu günlerde sağlığınıza dikkat ederek güzel bir hafta sonu geçirmeniz dileğiyle iyi tatiller.

Antimadde nerede?