Albert Einstein çıktığı günden beri kütleçekim hakkında bildiklerimize yön veren genel görelilik kuramını ortaya attığında, antimaddenin var olduğunu bilmiyordu. Bir asırdan uzun süre sonra bilim insanları, kütleçekimin anti maddeyi (içimizdeki ve etrafımızdaki parçacıkların yakalanması zor ayna versiyonları) nasıl etkilediğini hâlâ tartışıyor. Diğer bir ifadeyle bir antimadde parçacığı aşağı doğru mu düşüyor yoksa yukarı doğru mu çıkıyor?
Fizikteki genel kanı, aşağı düşmesi gerektiği yönünde. Genel göreliliğin zayıf özdeşlik yasası olarak bilinen bir ilkesine göre kütleçekim, bir şeyin madde mi yoksa antimadde mi olduğunu umursamamalı. Ufak bir grup uzman ise antimaddenin yukarı çıkmasının, evrenimize hükmediyor olabilecek gizemli karanlık maddeyi açıklayabileceği görüşünde.
Şimdiyse parçacık fizikçileri, antimaddenin aşağı doğru düştüğünü gösteren ilk doğrudan bulguya ulaşmış durumda. CERN merkezli uluslararası bir araştırma takımı olan Antihidrojen Lazer Fiziği Aygıtı (ALPHA) ortaklığı, kütleçekimin antimadde üzerindeki etkisini ilk defa ölçmüş. ALPHA grubu, çalışmasını geçtiğimiz hafta Nature bülteninde yayımladı.
Evrendeki her parçacığın, özdeş kütle ve zıt elektrik yüküne sahip bir antimadde yansıması bulunuyor. Doğada gizlenen bu evirtik maddeler, onlarca yıldır kozmik ışınlarda tespit edilip tıbbi görüntüleme faaliyetlerinde kullanılıyor. Fakat anlamlı miktarda antimadde üretmek kolay değil çünkü bir madde parçacığı ile onun zıttı karşılaştığında, ikisi de kendini yok edip saf enerjiye dönüşüyor. Bu yüzden antimaddenin, maddenin tümüyle dikkatli şekilde kuşatılması gerekiyor. Bu da antimaddeyi düşürmeyi veya herhangi bir şekilde kurcalamayı çok daha zor hale getiriyor.
Danimarka’daki Aarhus Üniversitesinde çalışan ve ALPHA grubunun üyesi olan fizikçi Jeffrey Hangst, “Antimaddeyle ilgili her şey zor” diyor. “Onunla çalışmak zorunda olmak hiç güzel değil.”
Kütleçekimin de atomlar ve atom altı parçacıkların mikroskobik ölçeğinde son derece zayıf olması, durumu daha da zorlaştıran bir diğer etmen. 1960’lı yıllarda fizikçiler ilk önce kütleçekimin pozitronlar veya anti elektronlar üzerindeki etkisini ölçmeyi düşünmüşler. Bunlar, pozitif yerine negatif elektron yükü olan maddeler. Aynı elektrik yükü pozitronları ufak elektrik alanlarına karşı savunmasız hale getirirken, elektromanyetizma ise kütleçekim kuvvetini gölgede bırakıyor.
Bu sebeple kütleçekimin antimadde üzerindeki etkisini doğru şekilde ölçmek isteyen araştırmacılar, nötr bir parçacığa ihtiyaç duymuş. Berkeley – California Üniversitesinde çalışan ve ALPHA grubunun bir diğer üyesi olan fizikçi Joel Fajans, belki de tek ufkun antihidrojen atomu olduğunu söylüyor.
Antihidrojen, anti periyodik tablonun ilk ve en temel elementi. Tıpkı standart hidrojen atomunun bir proton ve bir elektrondan oluşması gibi temel antihidrojen atomu da bir negatif yüklü antiprotondan ve yörüngede dönen bir pozitrondan meydana geliyor. Fizikçiler antihidrojen atomlarını daha henüz 1990’larda oluşturmuşlar ve bazılarını 2010’a kadar hapsedip saklayamamışlar.
“Nasıl yapacağımızı öğrenmemiz, sonrasında onu nasıl tutacağımızı öğrenmemiz, sonra da onunla nasıl etkileşim kuracağımızı öğrenmemiz gerekiyordu” diyor Hangst.
Bu engellerin üstesinden geldiklerinde, nihayet antihidrojenin özellikleri üzerinde (kütleçekim altındaki davranışı gibi) çalışma yapabilmişler. ALPHA grubu yeni makale için, antihidrojenin zamanından önce yok olmaması amacıyla hiç madde içermeyen dikey bir tüpün etrafında dikey bir boşluk odası tasarlamış. Bilim insanları tüpün bir kısmını süperiletken bir manyetik “şişe” ile sararak, antihidrojeni kullanmaya ihtiyaç duyulana kadar yerinde tutan manyetik bir alan oluşturmuşlar.
Bu aparatı yapmak nihayetinde yıllar sürmüş. “Kendimizi yaptığımız şeyi bildiğimize ikna etmek için hiç anti madde kullanmadan sadece manyetik alanı yüzlerce saat inceledik” diyor Hangst. Antihidrojeni tutacak kadar güçlü bir manyetik alan üretmek için cihazı -452 derece Fahrenhayt’ta soğuk tutmaları gerekmiş.
ALPHA grubu daha sonra manyetik alanı azaltarak, şişenin üstünü ve altını açıp bu antihidrojen atomlarını tüpün duvarlarına çarpana dek serbest bırakmış. Sonrasında bu atomik yok oluşların nerede gerçekleştiğini, antimaddenin tutulduğu konumun üstünde mi yoksa altında mı meydana geldiğini ölçmüşler. Atomların yaklaşık yüzde 80’i, kapanın birkaç santimetre altına düşmüş; yani aynı düzenekteki sıradan bir hidrojen atomu bulutunun yapacağı şekilde. (Diğer yüzde 20 ise öylece fırlayıp gitmiş.)
“Deneyi yapmak çok eğlenceliydi” diyor Fajans. “İnsanlar bu probleme yüz yıldır kafa yoruyordu… Artık kesin bir cevabımız var.”
Dünya çapındaki diğer araştırmacılar şimdi bu sonucu tekrarlamaya çalışıyor. Bunlar arasında, yine antihidrojen atomlarına odaklanan diğer iki CERN ortağı GBAR ve AEgIS de var. ALPHA takımı da elde ettiği sonucu daha güvenilir hale getirmek için kendi deneyini kurcalayıp test etmeyi ümit ediyor.
Örneğin makalenin yazarları, antihidrojen atomlarının kütleçekimle beraber aşağı yönlü ne kadar hızlandığını hesapladıklarında, fizikçilerin sıradan hidrojen atomlarından bekledikleri hızın yüzde 75’ine ulaşmışlar. Fakat bu gözlemleri daha kesin bir sonuç bulmak için tekrarladıklarında aradaki uyuşmazlığın kaybolacağını düşünüyorlar. Manchester Üniversitesinde çalışan ve ALPHA grubunun bir diğer üyesi olan William Bertsche, “Bu sayı ve belirsizlikler, aslında deneyimizdeki kütleçekimin neye benzeyeceğiyle ilgili en iyi tahminimizle tutarlılık sergiliyor” diyor.
Fakat kütleçekimin maddeyi ve antimaddeyi farklı şekillerde etkilemesi de muhtemel. Böyle bir anormallik, zayıf özdeşlik yasasına (dolayısıyla tümüyle genel göreliliğe) şüphe düşürür.
Bu asli sorunun çözüme kavuşturulması, evrenin doğuşuyla ilgili daha fazla cevaba da yol açabilir. Antimadde, fizikçilerin çözülmemiş en büyük gizemlerinden birinin merkezinde yer alıyor. Fizik kanunlarımız açık biçimde büyük patlamanın eşit miktarda madde ve antimadde oluşturması gerektiğini buyuruyor. Eğer böyleyse, evrenimizin bu iki yarısı doğduktan kısa süre sonra kendilerini yok ederdi.
Ancak bunun yerine maddeyle dolu bir evren olduğunu ve onu dengeleyecek, fark edilebilir miktarda antimadde bulunmadığını görüyoruz. Ya büyük patlama açıklanmamış miktarda madde üretti ya da bilinmeyen bir şey meydana geldi. Bilim insanları bu kozmik bilmeceyi baryogenez problemi şeklinde adlandırıyor.
“Hidrojen ve antihidrojen arasında bulanacağınız herhangi bir farklılık, baryogenez probleminde son derece önemli bir ipucu olacaktır” diyor Fajans.
Yazar: Rahul Rao/Popular Science. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
