Anti Madde Gizemleri: Antihidrojenin Tuzaklanması ve Anti Maddenin Doğası

Dan Brown’un Melekler ve Şeytanlar isimli kitabı ve sinemaya uyarlanan filminde, bilim insanları en şaşırtıcı bilimsel problemlerden birini çözmüşlerdi: anti maddenin yakalanması ve depolanması. Gerçek yaşamda ise 2010 yılına kadar atomik anti maddenin tuzaklanması asla başarılamamıştı.

Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi’nde (CERN) çalışan fizikçiler hidrojen atomunun antimadde (karşıt madde) olarak karşılığı olan antihidrojeni tuzaklamayı/yakalamayı başardılar. Bu gelişme ise 14 milyar yıl önce evrenin oluşumundan çok az bir zaman sonra gizemli bir şekilde kaybolan madde (anti madde) üzerine yapılan deneyler için bir kilometre taşı sayılabilir.

İlk kez yapay olarak üretilen düşük enerjili antihidrojen atomları (bir antiproton çekirdeğinin yörüngesinde bir pozitron veya anti madde elektrondan oluşan atomlar) 2002 yılında CERN’de oluşturuldu. Fakat şimdiye dek, anti maddenin atomları evrenin oluşumundan sonra mikrosaniyeler içinde bir gama ışını parlamasında yok oldu ama normal madde ile evren genişlemeye devam etti.

Üstteki bir antihidrojen atomunda pozitif yüklü bir antielektron veya pozitron negatif yüklü bir antiprotonun yörüngesindedir ve bu gösterim alttaki normal hidrojen atomunun ayna görüntüsüdür.

Antihidrojen Laser Fiziği Cihazı (ALPHA) deneyi California Üniversitesi ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (LBNL) kurumlarından fizikçileri içeren uluslararası bir işbirliğidir. Bu deney ise 2010 yılında her biri bir saniyenin onda birinden biraz daha fazla sürede olmak üzere 38 antihidrojen atomunu tuzaklayabildi.

Peki, bu tür deneyler neden yapılıyor?

Antihidrojen ve hidrojen arasındaki farklılıklar, örneğin onların atomik spektrumundaki farklılıklar, fizikte parçacıkların yükleri ile ilgili parite değişimlerini açıklayan yük-parite-zamanı (CPT) simetrisini otomatik olarak ihlal mi ediyorlar, parçacıkları ve onların etkileşimlerini açıklayan bugün ki standart model çökmek üzere mi ve evrenin oluşumu sırasında eşit miktarlarda oluşan madde ve anti maddeden, anti maddenin neden bugün evrenin oldukça büyük bir kısmında olmayışı gibi soruların cevaplarını bulmak amacıyla CERN’de ve diğer parçacık fiziği araştırma merkezlerinde böyle deneyler gerçekleştiriliyor. ALPHA deneyi de bunlardan biri.

Anti madde nedir?

Anti madde normal maddenin yani biz canlıları, evrendeki pek çok gezegeni, yıldızı, galaksiyi oluşturan maddenin yük olarak karşıtı şeklinde tanımlanabilir ve ilk kez 1931 yılında fizikçi Paul Dirac tarafından öne sürüldü. Anti madde normal madde ile etkileşmesi sonucu bir enerji parlaması (foton salarak) ile tamamen yok olur. Astronomlar uzayda önemli derecede anti madde yok olması ile ilgili herhangi bir kanıt göremezken anti madde bazı radyoaktif elementlerin bozunmalarında ve dünyadaki yüksek enerji parçacık etkileşimleri sırasında üretildi. Berkeley Üniversitesi’nden fizikçiler Emilio Segre ve Owen Chamberlain 1955 yılında o zaman ki adıyla Lawrence Radyasyon Laboratuvarı’nda şimdiki adıyla Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nda Bevatron hızlandırıcısında antiprotonları oluşturmuşlardı ve anti maddenin varlığını doğrulayan bu çalışmaları ile 1959 Nobel Fizik Ödülü’nü kazanmışlardı.

2002 yılında da CERN’de pozitron bulutu ile onları kombine eden deneylerde kullanabilmek için antiprotonları yeterince yavaşlatan yavaşlatıcı denilen hızlandırıcılara benzer bir sistemde bir antiproton sayesinde antihidrojen üretildi. Uluslararası işbirliği olan ATHENA deneyi soğuk antihidrojenin ilk dedekte edildiği bildirilen deneydi.

2004 yılında ATHENA deneyi yerini ALPHA deneyine bıraktı. Sonra ALPHA ve ATRAP deneyleri antihidrojeni tuzaklamak için birbirleri ile yarıştılar. Bu yarış özellikle antihidrojen spektrumu ve yerçekimi ölçümleri amacıyla laser deneylerinde gerçekleşti. Bu sırada, son sonuçlar yayınlana dek on milyonlarca antihidrojen atomunun üretildiği ama 2010 yılına kadar hiçbirinin tuzaklanamadığı da bir gerçek.

ALPHA deneyinde antiprotonları tuzaklamak için uygulanan yöntemde ilk önce onları 20 milimetre uzunluğunda ve 1.4 milimetre yarıçapında bir bulut içine sıkıştırılır ve soğutulur. Sonra, Berkeley Üniversitesi’nden profesör Lazar Friedland tarafından geliştirilen bir teknik olan otorezonans kullanılarak bu soğuk bulutta, sıkıştırılan antiprotonlar antihidrojeni oluşturmak amacıyla iki parçacığın eşleştiği pozitron bulutuna benzer bir yerde üst üste itilir.

Tüm bu olanlar antihidrojen atomları tuzaklamaya yarayan bir manyetik metal silindirin (tüp) içinde gerçekleşiyor. Manyetik tuzak özel olarak konfigüre edilen bir manyetik alandır. Kararlı bir plazma oluşturmak amacıyla pahalı oktupol (iki elektrik veya manyetik kuadrupole sahip yük dağılımı) süperiletken manyet kullanılarak bu manyetik alan düzenlenir. Böylece manyetik olarak antihidrojenlerin tuzaklanması sağlanır.

Yakalanan ve depolanan antihidrojen atomlarının ALPHA deneyindeki tuzakta gösterimi.

Antihidrojenin tuzaklanması kolay değildir çünkü antihidrojen nötr, yüksüz bir parçacıktır. (Manyetik tüpler metal silindirler) genellikle iyonize atomlar gibi yüklü parçacıkları tuzaklamada kullanılır. Böyle yüklü parçacıklar, manyetik alan boyunca tüp merkezine geri döndüren bir elektrik alanla karşılaşıncaya dek sarmal olarak yan yana dizilirler. Ancak nötr antihidrojen bu alanlardan normal olarak etkilenmeyecektir. Fakat araştırma ekibi antihidrojen atomun çok küçük manyetik momentini manyetik alanı dik bir şekilde artırarak antihidrojen atomu tuzaklamak için bir avantaj olarak kullandılar. Manyetik ayna olarak da adlandırılan bu dik bir şekilde manyetik alanı artırma işlemi merkeze doğru alanı geri yansıtmaktadır. Çünkü manyetik moment oldukça küçüktür, antihidrojen ise oldukça soğuk, neredeyse mutlak sıfıra yakın. Bunun anlamı araştırma ekibi antiproton yavaşlatıcıdan yayılan başlangıçtaki enerjiden bir yüz milyar kadar bir faktörle antiprotonları yavaşlatmış olmalarıdır.

Bir kere tuzaklandıktan sonra deneyciler birbirinden ayrılamayan antiprotonları bir elektrik alan ile tam anlamıyla süpürürler, sonra ayna alanlar kapatılır ve tuzaklanan antihidrojen atomları normal madde ile yok edilir. Etrafı çevreleyen dedektörler proton-antiproton yok edilmesinin sonucu olan yüklü piyonlara duyarlıdır. Kozmik ışınlar aynı zamanda dedektörü tetikleyebilir ama bu yüklü pionların düz-çizgi izleri kolayca ayırt edilebildiğinden antiproton-proton yok olması deney içinde bu şekilde doğruluğu sağlanmış olur. Çok az sayıdaki antiproton tuzaktan geriye kalabilir ama onların yok olmaları antihidrojene benzer görünüyor ama fizikçilerin simülasyonları antihidrojen yok olmalarından başarıyla böyle olayları ayrılabildiğini göstermektedir. Yani deneylerden sızan anti madde yok!

2010 yılının Ağustos ve Eylül aylarında yapılan bu deneylerde 335 antiproton döngüsünden sadece 38 antihidrojen atomu tuzaklanabildi. Yaklaşık olarak birkaç 80 milyon antihidrojen atomunun üretildiği tahmin ediliyor bu sırada. Neredeyse 160 milyon antihidrojen atomundan sadece 38 atom yakalanabilinmiş. Bu oldukça düşük bir oran aslında.

ALPHA deneyi bu ilk antihidrojen atomlarını yakalama başarısından sonra bu antihidrojen atomlarının dedekte edilme oranlarını artırmaya yönelik çalışmaya devam ediyor.

Geçmişten Günümüze Anti Madde

1928 yılı öncesinde anti elektronlar Paul Dirac tarafından teorik olarak öne sürüldüğü zamanlarda antimaddenin varlığı hakkında bilgi yoktu. 1932 yılında anti elektronlar yani pozitronlar Carl Anderson tarafından kozmik ışınlarda bulundu. İlk kez antiprotonlar da o zaman için en yüksek enerjili parçacık hızlandırıcısı olan Berkeley Laboratuvarı’nın Bevatron hızlandırıcısında 1955 yılında kasten oluşturuldu.

İlk fizikçiler anti madde ve maddenin neden simetrik olmadıkları konusunda hiçbir sebep göremediler. Yani, aynı şekilde fizik yasalarına uymalarını ama eğer öyleyse, simetrik olsa idiler ya da fizik yasalarına uymuş olsalardı, madde ve anti madde büyük patlamadan sonra eşit bir şekilde dağılmaları gerekirdi ya da eşit miktarlarda yok olmaları. Her nasılsa bu böyle olmadı, madde ve anti madde bugün eşit miktarlarda değil. Bunun sebebi ise açık değil.

ALPHA deneyinde nötr anti madde tuzağının gösterimi

1960′lı yıllarda, fizikçiler atom altı parçacıkların bir şekilde bozunduğunu keşfettiler ama eğer yük eşlenmesi ve paritesi (CP) süreçte ihlal edilirse mümkün olabilirdi bu. Sonuç olarak araştırmacılar anti maddenin normal maddeden oldukça az bir farklılıkla davrandığını idrak ettiler. Hala, hatta bazı anitparçacıklar CP’yi ihlal etmelerine rağmen zamanda ileriye hareket eden sıradan (anti olmayan) parçacıkların uyduğu aynı fizik yasalarına uyarak antiparçacıklar zamanda geriye doğru hareket ediyorlar. CPT simetrisi (T zaman için kısaltma) ihlal edilmemeli.

Bu varsayımı test etmenin bir yolu bir antiproton yörüngesindeki pozitronların enerji seviyelerine karşı bir normal protonun yörüngesindeki normal elektronların enerji seviyelerini kıyaslamak olabilir. Yani antihidrojen ve normal hidrojen atomlarının spektrasını kıyaslamaktan bahsediyoruz. İşte ALPHA deneyinin en büyük amacı antihidrojen atomları ile CPT simetrisini bu spektralara göre test etmek. Dolayısıyla ALPHA deneyi aynı zamanda antihidrojen atomunun spektrasını ölçmeye de çalışıyor.

Diğer taraftan anti madde sadece laboratuvar ortamında mı üretiliyor? Doğada çarpıcı bir örnek ile anti maddenin doğal olarak oluştuğu Fermi uzay teleskobu tarafından gözlendi. Fermi uzay teleskobu geçen yıl gök gürültülü fırtınaların üzerinde antiielektronların yani pozitronların oluştuğunu gözledi. Çok yüksek elektrik alanlar oluşturan bu tür fırtınalar doğal olarak anti madde oluşturan dünya üzerindeki bilinen belki de ilk kaynak.

Kuark.org

Eline sağlık çok güzel bilgiler var,peki bu anti madde filmdeki gibi şeylere sebep olacak kadar değerli mi?Filmi pek hatırlamasam da biraz uçuktu.

filmdekilere sebep olabilir ve daha da değerli. Elde etmesi inanılmaz zor elde ettin muhafazası daha da zor.

Bi uzaylı konusunda değinilmiş hatta anlatılanlara göre uzay mekiğinin ışık hızında yer değiştirip hareket etmesi anti maddelerle ilgiliymiş. Ne kadar doğru ne kadar yanlış bilemiyorum