ABD’deki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki deneylerde, uluslararası bir fizikçi ekibi şimdiye kadar görülen en ağır “anti-çekirdekleri” tespit etti. Küçük, kısa ömürlü nesneler egzotik antimadde parçacıklarından oluşuyor.
Bu varlıkların ne sıklıkla üretildiği ve özelliklerinin ölçümleri, antimaddenin doğasına ilişkin mevcut anlayışımızı doğruluyor ve derin uzayda başka bir gizemli parçacık türü olan karanlık maddeyi aramaya yardımcı olacak. Sonuçlar bu ayın başlarında yayınlandı Doğa.
Kayıp bir ayna dünyası
Antimadde fikri bir asırdan daha az bir geçmişe sahiptir. 1928’de İngiliz fizikçi Paul Dirac, elektronların davranışı için rahatsız edici bir öngörüde bulunan çok doğru bir teori geliştirdi: içinde yaşadığımız istikrarlı evreni imkansız kılacak negatif enerjili elektronların varlığı.
Neyse ki bilim insanları bu “negatif enerji” durumları için alternatif bir açıklama buldular: antielektronlar veya zıt elektrik yüküne sahip elektron ikizleri. Antielektronlar 1932’deki deneylerde uygun şekilde keşfedildi ve o zamandan beri bilim insanları tüm temel parçacıkların kendi antimadde eşdeğerlerine sahip olduğunu buldular.
Ancak bu başka bir soruyu gündeme getiriyor. Antielektronlar, antiprotonlar ve antinötronlar birleşerek bütün antiatomları ve hatta antigezegenleri ve antigalaksileri oluşturabilmelidir. Dahası, Büyük Patlama teorilerimiz evrenin başlangıcında eşit miktarda madde ve antimaddenin yaratılmış olması gerektiğini öne sürüyor.
Ama baktığımız her yerde madde görüyoruz ve sadece önemsiz miktarda antimadde. Antimadde nereye gitti? Bu, bilim insanlarını neredeyse bir asırdır rahatsız eden bir sorudur.
Parçalanmış atomların parçaları
Bugünün sonuçları şu şekilde: STAR deneyiadresinde yer almaktadır Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı ABD’deki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda Deney, uranyum gibi ağır elementlerin çekirdeklerini birbirine son derece yüksek bir hızda çarpıştırarak çalışır. Bu çarpışmalar, Büyük Patlama’dan sonraki ilk birkaç milisaniyede evrenin koşullarını kısaca taklit eden küçük, yoğun ateş topları yaratır.
Her çarpışma yüzlerce yeni parçacık üretir ve STAR deneyi hepsini tespit edebilir. Bu parçacıkların çoğu pion adı verilen kısa ömürlü, kararsız varlıklardır, ancak ara sıra daha ilginç bir şey ortaya çıkar.
STAR dedektöründe parçacıklar, manyetik bir alan içindeki gazla dolu büyük bir kabın içinden hızla geçer ve arkalarında görünür izler bırakır. İzlerin “kalınlığını” ve manyetik alanda ne kadar büküldüklerini ölçerek bilim insanları, izlerin hangi tür parçacığın ürettiğini hesaplayabilirler. Madde ve antimadde zıt yüke sahiptir, bu nedenle yolları manyetik alanda zıt yönlerde bükülecektir.
‘Antihiperhidrojen’
Doğada atomların çekirdekleri proton ve nötronlardan oluşur. Ancak, nötronlardan birinin bir hiperonla (nötronun biraz daha ağır bir versiyonu) değiştirildiği “hipernükleus” adı verilen bir şey de yapabiliriz.
STAR deneyinde tespit ettikleri şey, antimaddeden yapılmış bir hipernükleus veya bir antihipernükleustu. Aslında, şimdiye kadar görülen en ağır ve en egzotik antimadde çekirdeğiydi.
Daha spesifik olmak gerekirse, bir antiproton, iki antinötron ve bir antihiperondan oluşur ve antihiperhidrojen-4 adını taşır. Üretilen milyarlarca pion arasında, STAR araştırmacıları sadece 16 antihiperhidrojen-4 çekirdeğini tanımladı.
Sonuçlar tahminleri doğruluyor
Yeni makale, bu yeni ve en ağır antinükleusları ve diğer hafif antinükleusları normal maddedeki benzerleriyle karşılaştırıyor. Hipernükleusların hepsi kararsızdır ve yaklaşık bir nanosaniyenin onda biri kadar bir sürede bozunurlar.
Hipernükleusları karşılık gelen antihipernükleuslarla karşılaştırdığımızda, aynı yaşam sürelerine ve kütlelere sahip olduklarını görüyoruz; bu da Dirac’ın teorisinden beklediğimiz şeydir. Mevcut teoriler ayrıca daha hafif antihipernükleusların daha sık, daha ağır olanların ise daha nadir üretildiğini tahmin etmede iyi bir iş çıkarıyor.
Gölge bir dünya da mı var?
Antimadde ayrıca başka bir egzotik madde olan karanlık maddeyle de büyüleyici bağlara sahiptir. Gözlemlerden, karanlık maddenin evrene nüfuz ettiğini ve normal maddeden beş kat daha yaygın olduğunu biliyoruz, ancak onu doğrudan tespit edemedik.
Karanlık maddeye dair bazı teoriler, iki karanlık madde parçacığı çarpışırsa birbirlerini yok edeceklerini ve bir madde ve antimadde parçacıkları patlaması üreteceklerini öngörür. Bu daha sonra antihidrojen ve antihelyum üretir ve adı verilen bir deney Alfa Manyetik Spektrometre Uluslararası Uzay İstasyonu’ndakiler bunu bekliyor.
Uzayda antihelyum gözlemleseydik, bunun karanlık madde mi yoksa normal madde tarafından mı üretildiğini nasıl bilirdik? Pekala, STAR’dan gelen bu yeni ölçüm gibi ölçümler, normal madde çarpışmalarında ne kadar antimadde üretildiğine dair teorik modellerimizi kalibre etmemizi sağlar. Bu son makale, bu tür kalibrasyon için çok sayıda veri sağlar.
Temel sorular hala cevapsız
Geçtiğimiz yüzyılda antimadde hakkında çok şey öğrendik. Ancak, evrende neden bu kadar azını gördüğümüz sorusuna cevap bulmaya hâlâ yaklaşamadık.
STAR deneyi, antimaddenin doğasını ve nereye gittiğini anlama arayışında tek başına olmaktan uzaktır. Bu tür deneylerdeki çalışmalar LHCb Ve Alice de Büyük Hadron Çarpıştırıcısı İsviçre’de madde ve antimadde arasındaki davranış farklılıklarının işaretlerini arayarak anlayışımızı geliştireceğiz.
Belki de 2032’de, antimaddenin ilk keşfinin yüzüncü yılı geldiğinde, evrendeki bu ilginç ayna maddenin yerini anlamada bazı ilerlemeler kaydetmiş olacağız; hatta bunun karanlık madde bilmecesiyle nasıl bağlantılı olduğunu bile öğrenmiş olacağız.
Ulrik Egede bir fizik profesörüdür Monash ÜniversitesiBu makale şu kaynaktan yeniden yayınlanmıştır: Konuşma Creative Commons lisansı altında. Oku orijinal makale.