Solak Evren: Elektron Neden Sol Elli?

Solak-evren-elektron-neden-sol-elliSolak evren antimadde felaketine rağmen nasıl oluştu? Neden evrende madde ile antimadde eşit miktarda yaratılmadı ve daha büyük patlama anında birbirini yok etmedi? Elektron neden sol elli ve parçacıkların neden kütlesi var? Bütün bunların cevabını 1966 yılında bilim tarihini değiştiren ünlü kobalt atomu deneyi ile görelim.

Solak evren ve yük asimetrisi

1956 yılında bir grup bilim insanı, kobalt atomuyla sıradan bir deney gerçekleştirdiklerini sanarken; evrenin oluşumundan antimaddenin kökenine ve karanlık maddeden elektronun kütlesine dek her alanda, evren hakkındaki görüşlerimizi kökten değiştiren bir keşif yaptılar: Yük asimetrisi. Biz de sol elli elektronla birlikte yük asimetrisinin nasıl ortaya çıktığı ve bildiğimiz fiziği oluşturduğunu göreceğiz.

63 yıl önce bilim insanları kobalt atomu izotoplarını aldılar ve yan yana dizerek bu izotopların, radyoaktif bozunum yoluyla daha dengeli atomlara dönüşürken, elektronları uzaya ne yönde püskürteceklerini sabırla beklemeye başladılar. Siz de yapacak daha iyi bir işleri yok muydu diye sorabilirsiniz; ama işleri buydu: Kuantum fiziğindeki elektrik yükü simetrisini test etmek istiyorlardı.

İlgili yazı: Hall İyon Roketleriyle Mars’a 60 Günde Gidin

Solak-evren-elektron-neden-sol-elli

 

Solak elektron ve zayıf nükleer kuvvet

Sonuçta elektronlar negatif elektrik yüküne sahiptir ve evren de simetriktir. Bu sebeple, bozunan kobalt atomlarının, küresel olarak her yene elektron saçması gerekir. Simetrik fizik yasalarına göre, elektronlar sağa dönerek de sola dönerek de uzaya saçılabilir. Bu dağılım rastgeledir ve dolayısıyla küresel bir saçılım üretir.

En azından 1956 yılına dek kuantum fiziğinden beklediğimiz elektriksel simetri kuralı buydu. Ancak öyle olmadı: Tersine, elektronların özellikle sol yönde uzaya saçıldığını gördüler! Sanki elektronlar sol elliydi ve evren solaktı. Belli ki elektronlar asimetrikti ve yük simetrisi kuralını çiğniyordu.

İster sol elli olun, ister sağ elli; ilk bakışta bu keşif önemsiz gelebilir. Oysa yukarıdaki sorular açısından bakarsak solak elektronlar kuantum fiziğini değiştirmemizi gerektirdi. Aslında zayıf nükleer kuvveti yeniden tanımlayarak evrendeki üç fizik kuvvetini birleştirmemizi sağladılar: Elektromanyetik kuvvet ile güçlü ve zayıf nükleer kuvveti birleştiren kuantum elektrokromodinamiği böyle ortaya çıktı.

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

Solak-evren-elektron-neden-sol-elli

Bu evrendeki elektronlar solaktır. Ancak, solak olmaları için evrenimizin kusursuz (?) kopyası ve ayna görüntüsü olan bir ayna evren olmalı ve o evrendeki elektronlar da sağ elli olmalı. Sebep enerjinin korunumu yasası.

 

Peki neden öyle?

Sonuç olarak solak elektron sonuçları tek bir atoma özgü değildi ve bizi evrenin doğasıyla ilgili olan görüşlerimizi temelden değiştirmeye zorladılar. Bu kadar basit bir deneyin bu kadar büyük devrime yol açması ise yük asimetrisi kuralını ihlal etmesinden kaynaklanıyordu. Oysa fizik kurallarının sırf simetrik oldukları için gözlemlenebilir evrenin her yerinde geçerli olduğunu görüyoruz.

Ayrıca uzay-zamanın göreli olduğunu gösteren Einstein’ın görelilik teorisi de simetri kurallarından türüyor. Örneğin, yerçekiminin bizi aşağıya, yeryüzüne doğru çekerek yürümememizi sağladığını söyleyebiliriz. Keza havaya fırlattığımız topu da yere çekeceğini söyleriz.

Öte yandan, Yer’den 410 km yüksekte dönen Uluslararası Uzay İstasyonu’ndaki mikro çekim ortamında baş aşağı duruyorsanız Dünya gezegeni altınızda değil, tepenizde olacaktır. Bu durumda, uzay istasyonundan havaya bir top atmak da aslında topu yere bırakmak anlamına gelecektir.

Einstein, günlük hayattaki bu bariz simetri gerçeğini genel görelilik altında formüle etmiştir. Öyle ki Dünya hangi yönde olursanız olun sizi kendinize doğru çekecektir. Dört boyutlu zaman kristalleri yazısında belirttiğim gibi fizik yasalarının geçerli olması için bize simetri gerekir.  

Asimetrik evren

Oysa evrende her şeyin simetrik olmadığını biliyoruz. Zaman neden geleceğe akıyor yazısında belirttiğim gibi, zamanın oku hep ileriyi gösteriyor ve biz de Benjamin Button gibi yaşlı doğup genç ölmüyoruz. Keza termodinamik yasalarına göre ısı sıcaktan soğuğa akıyor, soğuktan sıcağa değil. Ayrıca evrendeki antimadde miktarı bizi oluşturan maddeden daha az. Bunlar asimetriyi gösteriyor.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

Solak-evren-elektron-neden-sol-elli

Elektronun solak olduğunu gösteren ünlü kobalt 60 atomu deneyi şeması. 1956.

 

Neden solak bir evrende yaşıyoruz?

Fizikçiler de evrende asimetrik durumlar olduğunu biliyor; ama evrenin neden bazen asimetrik olduğunu bilmiyordu. Oysa kobalt atomu deneylerinde elektronların yük simetrisini ihlal ederek solak olduğu ortaya çıkınca; bunun elektrik yükü asimetrisinden kaynaklanabileceğini düşünmeye başladılar.

Öyleyse radyoaktiviteden sorumlu zayıf nükleer kuvvetin taşıyıcısı olan W ve Z bozonları da asimetrik olabilir miydi? Nitekim elektronlarla W ve Z bozonları zaman ileriye akarken başka ve geriye akarken başka şekilde davranıyorsa zayıf kuvvet zamanda asimetrik demektir.

İşte fizikçilerin işi bütün bu teorik soruları sormaktır ve onlar da sordular: Evrendeki elektron, muon ve nötrino gibi parçacıkların kütlelerini kazanması ile antimaddenin maddeden az olmasını, hep elektronun sol elli olmasını sağlayan bir tür solaklık mekanizmasına bağlamaya çalıştılar. Bunun için de elektrik yükü asimetrisinin ne olduğunu açıklamaya çalıştılar.

Ancak biz her biri ayrı yazının konusu olacak bu teorik detaylara girmek yerine, solak evren konusunu kobalt deneyiyle anlatalım. 🙂 Sonra evrendeki kuantum alanlarına, süpernovalardan sorumlu olan ve Güneş’in yanarken sürekli kilo vermesine yol açan nötrinolara ve maddeye kütlesini kazandıran Higgs alanına kısaca geri döneriz.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

Solak-evren-elektron-neden-sol-elli

 

Solak elektron ve fizikçilerin hayal kırıklığı

Hayal kırıklığı derken, fizikte asimetrik durumların olduğunu bilmek bir şeydir; elektronun kütle kazanması gibi durumların, aslında yük asimetrisinden kaynaklandığını söylemek bambaşka bir şeydir. Sonuçta yük simetrisini bugüne dek birçok deneyde görmüş ve birçok deney sonuçlarını yük simetrisiyle doğru öngörmüşlerdi.

İşte bu yüzden bilim insanları ünlü kobalt deneyinin başına üşüştüler ve farklı düzenekler geliştirerek bu deneyi defalarca tekrarlayıp sonuçlarını iyice anlamak istediler. Nitekim 1956’da yapılan kobalt deneyi de fizikçilerin yük simetrisinin her zaman geçerli olmadığını düşünmesinden kaynaklanıyordu; çünkü bu simetriyi kuantum fiziğinde öngörülen bütün senaryolarda test etmemişlerdi.

Senaryolar derken, elektrik yük simetrisinin, radyoaktif bozunum sırasında ortaya çıkan elektron gibi parçacıkların uzaya saçılım yönünde test edilmemiş olması gibi senaryoları kast ediyorum. Böylece 1950’lerde dünya çapında üç grup bilim insanı bu deneyi yapmaya karar verdiler. Bu gruplardan biri de kobalt atomu bozunumu sırasında elektronların daha çok sola dönerek uzaya saçıldığını tespit etti. Bu da Çin asıllı üç Amerikalı fizikçinin radyoaktif kobalt 60’la yaptığı ünlü Yang/Lee/Wu deneyidir.

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, deneydeki kobalt 60 atomları hareket halindeyse bir kuvvet oluşur ve bu da elektronların sağa dönmekten çok sola dönmesine yol açabilir. Dahası bizzat yerçekimi elektronların dönüşünü etkileyebilir.” İkisinin de cevabı hayır: 1) Wu bu deneyi sabit atomlarla yaparak yan etkileri önledi. İkincisi yerçekiminin 1 milimetreden kısa mesafelerde geçerli olup olmadığını bile bilmiyoruz ve parçacık fiziği deneylerinde yerçekimi etsini güvenle ihmal edebiliyoruz.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

Solak-evren-elektron-neden-sol-elli

Büyütmek için tıklayın.

 

Solak elektron deneyi yaptılar

Yaptıkları zaman da kobalt 60’dan gelen elektroların, küresel olarak uzaya saçılması gibi rastgele bir dağlım tespit edemediler. Bu deneyi nasıl yaptılar derseniz: Önce kobalt atomlarını sıvı helyumla mutlak sıfıra kadar soğuttular. Böylece 1) Atomların rastgele kuantum salınımları dışında hareket ederek elektronların yönünü değiştirmesini önlediler. Öyle ki rastgele salınımlar küresel olarak eşdağılımlı olduğu için çok sayıda ölçümde elektronların yönünü istatistiksel olarak değiştirmezdi.

2) Ardından, mıknatısları kullanarak kobalt atomlarını tek yönde dizdiler. Bu da yerçekimi deney sonuçlarını etkileyebilecek olsa bile bu etkiyi deney düzeneğinde görmezden gelmelerini sağladı. Sonuçta aynı yöne dizilen atomlar yerçekiminden aynı yönde etkilenecektir.

3) Son olarak elektronların dönme yönünü görmek için sarmal bobinler kullandılar. Bu bobinlerin ürettiği elektromanyetik alan da elektronların polarizasyonunu; yani dönme yönüne göre ışığı nasıl yansıttıklarını gösterdi. Sonuçta elektronların daha çok sola dönerek uzaya saçıldığı ortaya çıktı. Öyle ki elektronların saçılım yönü atomların dönüş yönüne göre değişecekti.

Bu da evrenin sağının solunun gayet belli olduğunu, yani evrenin solak olduğunu ve elektron gibi sol elli parçacıkları tercih ettiğini ortaya çıkardı. İşte bu da bizi antimaddenin kökeni ve elektronun kütlesi gibi temel teorik fizik sorularına getiriyor. Öncelikle evrenin neden solak olduğunu BİLMİYORUZ. Sadece solak olmasının fizikte ne gibi sonuçlara yol açabileceğini görüyoruz.

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

Solak-evren-elektron-neden-sol-elli

 

Sol elli elektron ve tanrı parçacığı

İkinci olarak sadece konunun anlaşılması için sol elli elektronların sola dönerek saçıldığını söylüyorum. Bunu elektronun spin aşağı ve spin yukarı durumları gibi kendi çevresinde dönme yönüyle karıştırmayın:

Sol elli olma durumu kiralite ve sarmallık ile ilgili olup basitçe sağa veya sola dönmekten farklı bir şeydir: Sol elli olmak demek, kobalt atomundan fışkıran solak elektronların, sağdan sola doğru kıvrılan sarmallar çizerek uzaya saçılması demektir (kiralite için bakınız Solak DNA yazısı).

Şimdi elektronun sol elli olmasının onu nasıl kütleli bir parçacık haline getirdiğini görelim. Bunu da Higgs parçacığının keşfedilmesiyle anlatacağız: Fizikçiler 1960’lardan beri, evrendeki parçacıklara kütlesini kazandıran bir kuantum enerji alanı, özel bir Higgs alanı olduğunu düşünüyordu. Bu alanın Higgs bozonu denilen kuvvet taşıyıcı bir parçacığa sahip olması gerekiyordu.

Aslında fizikçiler, gelişmiş deneylerle bir türlü bulamadıkları Higgs bozonuna kendi aralarında gayri resmi olarak tanrının belası parçacık dediler; ama tutucu halkın dini duygularını incitmek istemeyen gazeteciler, rating uğruna bunu tanrı parçacığı olarak adlandırdılar. 😉

Her durumda, Higgs bozonu 2012 Temmuz ayında, CERN parçacık hızlandırıcısının Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) tespit edildi. Higgs bozonu, nükleer fiziği ve temel parçacıkları tanımlayan Standart Modelde öngörüp de bugüne dek keşfedilememiş olan son parçacık olarak tarihe geçti.

İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?

Zamanın ileri akmasının sebebi olan termodinamik yasalarını bir gün kuantum fiziğinden türetebilir miyiz? Fizikçilerin beklentisi bu yönde.

 

Peki elektron nasıl kütle kazanıyor?

İşin ilginci elektron, muon, nötrino ve kuark gibi parçacıkların kütlesini kazanmasına Higgs alanı yol açıyor. Bu süreci de evrenin solak olması ve sol elli parçacıkları yeğlemesi belirliyor. Nitekim fizikte sağ elli ve sol elli elektronlar vardır; ama sadece sol elli elektronlar kütleli olabilir.

Sağ elli elektronlar burada anlatmamıza gerek olmayan; ama yine de fiziksel simetri kapsamına giren bir detay nedeniyle Higgs alanıyla etkileşime girmiyor. Oysa parçacıkların kütle kazanması için Higgs alanıyla etkileşime girmesi gerekiyor ve sadece solak parçacıklar Higgs alanı ile etkileşiyor.

Öte yandan, yük asimetrisi nedeniyle bu evrende sadece sol elektronlar var oluyor. Aslında elektronlar hem sağ elli, hem de sol ellidir. Ancak, sağ elli olanlar bu evrenin aynadaki görüntüsü olan ayna evrene ve sol elli elektronlar da bizim evrenimize ait oluyor.

Öyle ki yaşadığımız evreni belirleyen bütün fizik yasalarını ve evrendeki parçacıkların bütün davranışlarını ayna evreni de hesaba katarak yapıyoruz. Ayna evrenin gerçek olup olmadığını bilmiyoruz; ama sadece matematiksel bir evren olsa da fizik bilimi için varlığına muhtacız. Siz de ayna evreni aramak için yapılan son deneyi şu yazıda okuyabilirsiniz. Elektronların solaklığına gelince:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Elektronlar ve ayna elektronlar birdir

Aslında elektronlar hem sağ, hem de sol ellidir: Bunlar Higgs alanıyla sürekli etkileşim kurarlar ve Higgs alanıyla aralarında sürekli parçacık alışverişi yaparak sağ elli ve sol elli olma durumlarını değiştirirler. Örneğin Higgs alanıyla sağ elli elektron etkileşirse sol elli olur ve sol elli elektron etkileşirse de sağ elli olur. Elektronun sağ veya sol elli olması anlıktır ve ışıktan hızlı (?) gerçekleşen bir durumdur.

İşin ilginci, elektronun sağ elli ve sol elli olma durumları arasında sürekli geçiş yapması, elektronun beklenenden hafif olmasını da sağlıyor olabilir. Nasıl derseniz; sağ elli elektronun kütlesi ayna evrende kalacak ve sol elli olanın kütlesi de bizim evrenimizde etki edecektir.

Kısacası fizikte hem sağ elli, hem de sol elli olan elektronun kütlesi iki evren arasında bölünecektir ki bu da iyi bir şey: Elektron daha ağır olsaydı bütün yıldızlar çöküp kara delik olurdu! Böylece elektrik yükü asimetrisinin parçacıkların kütlesini kazanmasında nasıl etkili olabileceğini gördük. Şimdi yük asimetrisini karanlık madde ve antimaddeye bağlayalım; çünkü asimetri onları da etkiliyor:

İlgili yazı: Güneş Enerjisi Depolayan Termal Akaryakıt

 

Solak parçacıklar ve antimadde

Solaklık mekanizması, elektrondan 207 kat daha ağır kararsız parçacıklar olan ve zayıf etkileşimin yönettiği radyoaktif bozunum yoluyla elektronlar ile nötrinolara dönüşen muon parçacıkları için de geçerli. Benim de zayıf nükleer kuvvet, muonlar, nötrino ve elektronlardan söz etmemin bir sebebi var:

Bu parçacıklar, antimaddenin maddeden az olmasına yol açmış olabilir. Daha doğrusu bu parçacıkların yük asimetrisi nedeniyle solak olması bütün bunlara yol açmış olabilir! Sonuçta büyük patlamada eşit miktarda madde ve antimadde oluştuğunu biliyoruz. Oysa madde ve antimadde temas edince enerjiye dönüşerek yok olurlar. Öyleyse evren neden var?

Sonuçta evrendeki madde ve antimadde daha büyük patlama anında birbirini yok etmedi. Zaten yok etseydi bugün evrende sadece karanlık madde, fotonlar ve karanlık enerji var olurdu. Gezegenler, yıldızlar ve galaksiler oluşmazdı.

Özetle bunun iki sebebi olabilir: 1) Ya antimadde yük asimetrisi yüzünden hızla bozunarak maddeye dönüştü; ama aynı asimetri yüzünden madde antimaddeye dönüşmedi ve aradaki fark bugünkü maddeyi oluşturdu. 2) Ya da yük asimetrisi nedeniyle büyük patlama sırasında antimaddeden daha fazla madde oluştu. Eş miktarda madde ve antimadde birbirini yok etti; ama geriye kalan maddeyle bugünkü evren oluştu.

Solak evren ve zaman ilişkisi

Ancak, antimaddeye yol açan simetri kırılması, zamanın ileri akmasıyla dolaylı olarak ilişkili olabilir: Nitekim ünlü fizikçi Richard Feynman ta 1949 yılında, antielektron olan pozitronun, aslında zamanda geçmişe giden elektron olabileceğini söylemişti (bu fikri hocası John Wheeler vermişti). Bu da fizikte büyük sıkıntı yarattı; çünkü antimadde maddenin zamandaki ayna görüntüsü ise evrendeki madde ve antimaddenin eşit miktarda olması, dolayısıyla evrenin çoktan yok olması gerekiyordu!

İlgili yazı: Büyük Ölüm: Dünyanın En Büyük Felaketi

 

Bizi kurtaran solak madde

Oysa kobalt 60 atomu deneyinde elektronların solak olduğunu görünce madde ve antimadde arasında yük asimetrisi olduğunu da gördük. Bu da pozitronları matematiksel olarak zamanda geri giden elektronlar olarak tanımlayabilmemize rağmen, antimaddenin fiziksel olarak farklı olduğunu ve basitçe geçmişe giden elektron olarak tanımlamayacağını gösterdi.

Kısacası ayna evren, yaşadığımız evrenin kusursuz ayna görüntüsü olamaz. Keza antimaddenin basitçe zamanda geçmişe giden bir elektron olmaması, zamanın ileriye aktığını gösteren termodinamik yasalarını, zamanda simetrik olan kuantum fiziğinden türetmemize yardım edecek ipuçlarını bize sağlıyor olabilir.

İlgili yazı: Çifte Sarmal DNA Neden Sağ Elli?

 

Nasıl olur derseniz

Feynman haklı olsaydı evrende sadece bir elektron, bir proton ve bir kuark olurdu. Bunlar da sürekli zamanda geçmişe giderek kendi kendisinin antimaddesi olur ve hatta evrenin her noktasını doldururdu.

Bunun fizikte yol açabileceği karışıklıkları gelecek bölümlerde yazacağım. Ancak, zamanın oku açısından açıklayabilirim: Zamanın geleceğe akmasını termodinamik yasalarına bağlıyoruz (detaylar burada).

Öte yandan, termodinamik yasaları da istatistikseldir; yani ısının sıcaktan soğuğa akmasının nedeni, evrendeki soğuk parçacıkların sayısının sıcak parçacıklardan fazla olmasıdır. Aksi durumda ısı soğuktan sıcağa akardı. Bu bağlamda elektron (bugün de bildiğimiz gibi) kendi kendisinin antimaddesi değilse bu durum antimadde ile madde arasındaki miktar farkını açıklayabilir.

Öyle ki bizzat antimaddenin maddeden az olması, evrende zamanın neden ileriye aktığına dair bir ipucu olabilir: Sonuçta madde ve antimadde arasındaki sayı farkı, tıpkı termodinamik yasalarında olduğu gibi istatistiksel bir farktır. Öyle ki ayna evrende de antimadde maddeden fazla olabilir. Dolayısıyla bu sayı farkı, zamanın ileri akmasına yol açan termodinamik yasalarını kuantum alan kuramından türetmemize yardım edebilir. Göreceğiz.

İlgili yazı: Kuantum Darwinizm: Evren Doğal Seçilimle mi Oluştu?

 

Solak evren ve süpernovalar

Sizi bilmem ama ben bütün bunlardan gerçek Dünyayı Kurtaran Adamın yük asimetrisi olduğu sonucunu çıkarıyorum. Şimdi bu asimetrinin Dünya’yı doğuran güneş sistemini oluşturan süpernova patlamalarına nasıl yol açtığına bakalım. Sonuç olarak hepimiz patlayan yıldızların tozuyuz:

Hidrojen, helyum ve biraz da lityum dışında bütün ağır elementler yıldız çekirdeklerinde gerçekleşen nükleer füzyon reaksiyonlarıyla sentezlendi. Ancak, büyük kütleli yıldızlar süpernova halinde patlamasaydı bu elementler uzaya saçılıp güzelim dünyamızı oluşturamazdı ki süpernovaları da nötrinolara borçluyuz.

Yakıtı biten büyük bir yıldızın kendi ağırlığıyla çökerken patlamasına, bu sırada oluşan yüksek ısı ve basınçta meydana gelen nötrinolar yol açıyor. Nötrinolar olmasaydı yıldızlar sentezledikleri ağır elementleri patlayıp uzaya saçmadan kara deliğe dönüşürdü ve Dünyamızla güneş sistemi oluşmazdı.

İlgili yazı:  Gezegen Avcısı TESS 3 Yeni Öte Gezegen Buldu

Solak-evren-elektron-neden-sol-elli

 

Nötrinolar ve antimadde eksikliği

Nötrinolar öncelikle Güneş’in ısı ve ışık saçmasını sağlayan nükleer füzyon reaksiyonları sırasında oluşuyor. Bunun dışında muonların radyoaktif bozunumuyla da oluşuyor. Muonların elektron ve nötrinolara dönüşmesinde ise bu parçacıkların sol elli olması etkili oluyor. Ancak, nötrinolar aynı zamanda evrende antimaddenin neden az olduğunu da açıklayabilir.

Bunu görmek için de nötrinoların eskiden kütlesiz olduğunu sandığımızı belirtelim. Ancak, 1988 yılında nötrinoların çok az da olsa kütlesi olduğunu gördük. Oysa Higgs mekanizması bundan tek başına sorumlu olamazdı; çünkü bu durumda nötrinoların çok daha kütleli olması gerekirdi.

Bu da sorunlu; çünkü Güneş’i tutuşturan nükleer füzyon reaksiyonlarında çok sayıda nötrino oluşuyor. Öyle ki nötrinolar büyük kütleli olsaydı bütün yıldızlar kendi ağırlığıyla çöküp kara deliğe dönüşürdü. Daha doğrusu evrendeki gaz ve toz bulutları 13,4 milyar yıl önce hiç yıldız oluşturmadan direkt kara delik halinde çökerdi. Kısacası evrende hayat olmazdı.

İlgili yazı: Mars’ta Bulunan Metan Gazı Hayat İzi mi?

Solak-evren-elektron-neden-sol-elli

Solak yaratılış öyküsü.

 

Solak nötrinolar ve steril nötrino

Öyleyse nötrinoların çok hafif olmasını nasıl açıklayabiliriz? Standart Modelin bir uzantısı olan tahterevalli mekanizmasına göre, evrende bilinen üç hafif nötrinonun (elektron, muon, tau) bir de bilinmeyen gizli bir ağır nötrino eşi var. Buna steril nötrino diyoruz; çünkü diğer nötrinolar gibi ışıkla etkileşime girmiyor. Biz de bu görünmez nötrinoyu tespit edemiyor ve o yüzden steril nötrino diyoruz.

Bugüne dek steril nötrinoyu göremedik. Ancak, standart modelin bir uzantısı olan teorik tahterevalli mekanizmasına göre; daha ağır olan steril nötrino kardeşlerini özel bir şekilde etkiliyor: Açıkçası Higgs enerji alanındaki hafif nötrinoları, kendi kütlesinin yol açtığı yerçekimiyle tıpkı bir tahterevalli gibi yukarı kaldırıyor. Bu da diğer nötrinoların kütlesini azaltıyor.

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, madem öyle, bu kez de yıldızların ağır nötrino yüzünden kara deliğe dönüşmesi gerekirdi.” Evet, steril nötrinolar evrendeki nötrino sayısını ve nötrinoların toplam kütlesini artırsaydı bu doğru olabilirdi. Ancak, bu çelişkiyi çözmenin iki yolu var:

1) Bunun sebebi nötrinoların birbirine dönüşmesi olabilir: Sonuçta elektron, tau ve muon nötrinolar birbirine anlık olarak dönüşebiliyor. Belki bunlar steril nötrinoya da dönüşüyordur. O zaman nötrinoların toplam sayısı sabit kalacak ve bir miktar kütle artışı olmakla birlikte, aşırı kütle artışı meydana gelmeyecektir. Bu da yıldızların kara delik olmasını önleyecektir.

İlgili yazı: Theia Gezegeni Dünya’ya Çarpınca Ay Nasıl Oluştu?

 

Steril nötrino ve karanlık madde

Birinci sebep aslında teorik bir açıklama ve bu açıklama yıldızların ölçülen kütlesiyle uyuşmuyor. Sonuçta bizler yıldız kütlesinin ne kadarının nötrinodan oluşabileceğini biliyoruz. Normal nötrinolar steril nötrinoya ve steril nötrino da normal nötrinolara dönüşüyorsa bir yıldızın kütlesinin ne kadarının nötrinolardan oluşacağını hesaplayabiliyoruz.

Öte yandan, steril nötrinolar sadece yerçekiminden oluşuyorsa bunlar karanlık madde olabilirler! Karanlık maddenin gaz ve toz bulutları halinde toplanmadığını ve gaz bulutları gibi yıldız halinde çökmediğini biliyoruz. Bu da steril nötrinonun yıldız çekirdeğinde toplanmasını en baştan önler.

Doğrusu evrendeki galaksileri bir arada tutan ek yerçekimini sağlayan görünmez karanlık maddeyi steril nötrinolarla açıklamak müthiş olurdu! Ancak, bu hikayede çok daha fazlası var: Steril nötrinoların var olması için fizikte bildiğimiz üç nötrinonun Majorana parçacığı olması gerekiyor; yani üç nötrino sadece birbirine değil, aynı zanda kendi antinötrino parçacığına dönüşmek zorunda.

Bu durumda antimaddenin büyük kısmı antinötrinolardan oluşuyor; çünkü evrendeki maddenin büyük kısmı nötrinolardan oluşuyor. Bu antinötrinolar da sürekli olarak normal nötrinolara dönüşüyor; ancak solak oldukları için normal nötrinolar antinötrinolara pek dönüşmüyor. Öyleyse solaklığa yol açan yük asimetrisi yüzünden evrende antimadde sayısı azalıyor.

İlgili yazı: Büyük Patlamadan Kalan İlk Ses Dalgaları

Solak-evren-elektron-neden-sol-elli

 

Toparlayacak olursak

Solak evren antimadde azlığını, süpernovaları, yıldızların kara deliğe dönüşmemesini, nötrinoların hafif olmasını, steril nötrinolardan oluşan karanlık madde teorisi doğruysa bizzat karanlık maddeyi, elektronların nispeten hafif olmasını ve hayata elverişli olmasını açıklıyor.

Biz de bütün bunları 1956 yılında radyoaktif kobalt 60 atomlarıyla yapılan ve bu evrendeki elektronların sol elli olduğunu gösteren o basit kuantum deneyi sayesinde öğrenmiş bulunuyoruz. Yine de bu keşfi yapmış olmamız başımızı epey belaya soktu. Bir gizemi çözdük ve evrendeki parçacıkların başta elektronlar olmak üzere solak olduğunu anladık.

Ancak aynı zamanda, antimaddenin kökeninden steril nötrinoların varlığı ve karanlık maddeyi açıklamaya dek bir çok soruna da boğazımıza kadar battık; ama olsun! Fizik başka türlü nasıl gelişecek ki?

Peki solak elektronlar yüzünden insan DNA’sının da sol elli olduğunu biliyor musunuz? Onu da şimdi okuyabilir ve hızınızı alamayarak steril nötrino elektrikli karanlık madde mi diye sorabilirsiniz. Kuantum silgisi ile zamanı silebilir miyim olasılığını değerlendirdikten sonra, hiç tükenmeyen bilim açlığınızı Zaman Büyük Patlamayla mı Akmaya Başladı? başlığıyla bastırabilirsiniz. Okullar açılırken hepinize muhteşem bir hafta dilerim.

Sol elli elektronlar


1Question of Parity Conservation in Weak Interactions
2Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay
3Observations of the Failure of Conservation of Parity and Charge Conjugation in Meson Decays: the Magnetic Moment of the Free Muon
4Nuclear Emulsion Evidence for Parity Nonconservation in the Decay Chain π+−μ+−e+
5Rare Kano Decays (pdf)
6Parity of Pions and CP Violation in Neutral Kaon System (pdf)
7The Downfall Of Parity — The Revolution that Happened Fifty Years Ago (pdf)

Add a Comment

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir