Bilimin yanıt aradığı en büyük gizemlerden birisi anti madde. Bu gizemi çözmek için İsviçre Cenevre merkezli CERN’de (Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi) anti madde konusunda tarihi deneyler yapılıyor. Peki anti madde nedir? Nasıl üretilir? Evrenin keşfinde anti madde hangi öneme sahip? Haydi gelin biraz parçacık fiziği aleminde birlikte bir yolculuğa çıkalım
Parçacık fiziği bilimin en derin alanlarından bir tanesi. Anti madde ise parçacık fiziğin en büyük gizemlerinden. CERN’de ki bilim adamları anti madde gizemini çözmeye uğraşıyor.
Bunun için tarihi birçok deneyler yapıldı. Son yapılan deneyde ise bir anti madde olarak üretilen anti hidrojen atomlarından oluşan anti hidrojen demeti üretildi. Bunun ne anlama geldiğini anti maddenin ne olduğunu ve nasıl üretildiğini belirttikten sonra yazımızın ikinci bölümünde açıklayacağız.
Bunun için tarihi birçok deneyler yapıldı. Son yapılan deneyde ise bir anti madde olarak üretilen anti hidrojen atomlarından oluşan anti hidrojen demeti üretildi. Bunun ne anlama geldiğini anti maddenin ne olduğunu ve nasıl üretildiğini belirttikten sonra yazımızın ikinci bölümünde açıklayacağız.
Anti madde nedir ve anti madde fikri nasıl ortaya çıktı?
Herşey 1900’lü yılların başında Albert Einstein’ın ortaya çıkardığı özel görelilik teorisi ile uzay – zaman ve kütle – enerji arasındaki ilişkiyi açıklamasıyla başladı. Işığın hem dalga hem de parçacık halinde yayılmasının anlaşılmasından sonra Erwin Schrödinger ve Werner Heisenberg sayesinde kuantum teorisi keşfedildi. Ancak kuantum teorisinin Einstein’in teorisinin ışık hızına yakın bir hızda hareket eden küçük parçacıklarda uygulanamadığı anlaşıldı.
Bunun üzerine İngiliz fizikçi ve matematikçi Paul Dirac yeni bir denklem ortaya koydu. Hem görelilik hem de kuantum teorisini bir araya getiren bir denklem yazdı ve bunu ışık hızına yakın bir hızda hareket eden bir parçacık olan elektron üzerinde uyguladı. Hatta bu denklem ona 1933 Nobel Fizik Ödülü’nü getirdi. Ancak bir problemi vardı. Bu denklem bir elektron üzerinde uygulandığında, biri pozitif enerjili diğeri negatif enerjili elektronlar olmak üzere iki adet çözümü vardı. Normalde elektron negatif yüklü olduğu için bu durum bilim adamlarına ters gelmişti.
Dirac bunu her parçacığın kendisiyle aynı olan zıt yüklü karşıt bir parçacığı olduğunu öne sürmesiyle açıklamıştı. Yani elektronun karşıt yüklüsü pozitif yüklü bir elektrondu. Bu tür maddeleri anti madde olarak adlandırdı.
Yani anti madde dediğimiz şey, elektriksel yük olarak atom parçacıklarının kuantumun mekaniksel özelliklerinin zıt hali. Örnek olarak elektron -1 yüklü, proton +1 yüklü. O zaman anti elektron +1 yüklü olacak, anti proton ise -1 yüklü olacak. Yani her temel parçacık için onunla aynı kütleye ve spine sahip fakat zıt yüklü bir parçacığı var. Parçacıklar için karşıt maddelerinde her özellikleri aynı olma zorunluluğu yok. Aynı olan en önemli özellikleri karşıt maddesiyle yapısı yani kütlesi, spini gibi özellikleridir. Başka özellikleri farklı olabilir ancak aynı kendisi gibi davranır.
Atomu oluşturan üç ana parçacığın karşıt maddesi nasıl bulundu?
Dirac’ın öne sürdüğü karşıt madde söyleminden sonra anti madde çalışmaları başlandı. Öncelikli olarak hedef, atomun yapı taşları olan elektron, proton ve nötronun karşıt maddeleri bulmaktı. Böylece parçacıklardan atomlara, atomlardan maddelere geçilip karşıt madde elde edilebilir miydi?
Önce 1932 yılında bilim adamları kozmik parçacıklar üzerinde deneyler yaparken pozitif yüklü elektronla aynı kütleye sahip bir parçacık buldular. Bunun elektronun karşıt maddesi olduğuna karar verdiler çünkü her özelliği elektronla neredeyse aynıydı ve yükü pozitifti. Bu yüzden elektronun karşıt maddesine anti elektron değil de pozitif yükünden dolayı pozitronadı verildi. Daha sonra 1955 yılında ise anti proton elde edildi.
Peki her parçacığın zıt yüklü karşıt bir maddesi varsa yüksüz olan nötronun karşıt maddesi ne?
Etrafımızdaki insanları tanımlarken boy, kilo, göz rengi, saç rengi gibi birçok kelime kullanırız. Parçacıklarda böyledir. Parçacıklar da tanımlanırken kütle, spin, isospin, lepton numarası gibi özellikleri kullanılır. Bu parçacıkların anti maddeleri ile bazı özellikleri aynıdır (kütle, spin vb.), bazı özellikleri farklıdır (elektriksel yükü, lepton numarası vb.).
Nötronun elektriksel yükü yok. Ancak şu var ki nötron temel bir parçacık değildir. Üç adet kendisinden daha küçük kuark dediğimiz parçacıklardan oluşuyor ve kuarklar elektriksel yüke sahiptirler. Aslında proton ve elektronlarda kuarklardan oluşuyor ve elektriksel yükleri yukarı ve aşağı kuarkların toplamından pozitif ve negatif yüklü oluyor. Çünkü dediğimiz gibi kuarklar elektriksel yüke sahip. Tabi bunu detaylı anlatmak için daha fazla parçacık fiziği bilgisi vermemiz gerekiyor. O yüzden bu bölümü kafa karıştırmadan hızlıca geçerek nötrona gelelim;
Bir nötron; 1 yukarı kuark ve 2 aşağı kuarktan oluşur. Bir anti nötron ise 1 anti yukarı kuark ve 2 anti aşağı kuarktan oluşuyor. Bu yüzden nötronun da karşı bir maddesi var yani anti nötron.
1956 yılında ise bu şekilde nötronun karşıt parçacığı anti nötron elde ediliyor.
Etrafımızdaki insanları tanımlarken boy, kilo, göz rengi, saç rengi gibi birçok kelime kullanırız. Parçacıklarda böyledir. Parçacıklar da tanımlanırken kütle, spin, isospin, lepton numarası gibi özellikleri kullanılır. Bu parçacıkların anti maddeleri ile bazı özellikleri aynıdır (kütle, spin vb.), bazı özellikleri farklıdır (elektriksel yükü, lepton numarası vb.).
Nötronun elektriksel yükü yok. Ancak şu var ki nötron temel bir parçacık değildir. Üç adet kendisinden daha küçük kuark dediğimiz parçacıklardan oluşuyor ve kuarklar elektriksel yüke sahiptirler. Aslında proton ve elektronlarda kuarklardan oluşuyor ve elektriksel yükleri yukarı ve aşağı kuarkların toplamından pozitif ve negatif yüklü oluyor. Çünkü dediğimiz gibi kuarklar elektriksel yüke sahip. Tabi bunu detaylı anlatmak için daha fazla parçacık fiziği bilgisi vermemiz gerekiyor. O yüzden bu bölümü kafa karıştırmadan hızlıca geçerek nötrona gelelim;
Bir nötron; 1 yukarı kuark ve 2 aşağı kuarktan oluşur. Bir anti nötron ise 1 anti yukarı kuark ve 2 anti aşağı kuarktan oluşuyor. Bu yüzden nötronun da karşı bir maddesi var yani anti nötron.
1956 yılında ise bu şekilde nötronun karşıt parçacığı anti nötron elde ediliyor.
Madde parçacıklarının anti maddesi bulunduğuna göre bu parçacıkların karşıtlarından bir anti çekirdek elde edilebilir mi?
Elektronun karşıt parçacığı pozitron ile atomun çekirdeğini oluşturan iki parçacık; proton ve nötronun karşıt parçacığı bulundu. Bundan sonra anti çekirdek elde etmek için deneyler yapılmaya başlandı. Bunun için referans olarak döteryum atomu hedef alındı. Çünkü döteryum çekirdeği bir proton ve bir nötrondan oluşuyordu. Yani anti döteryum çekirdeği bir anti proton ve anti nötrondan oluşturulmak istendi. CERN’de ve Brookhaven Ulusal Laboratuarı’nda gerçekleştirilen deneylerde başarılı sonuçlar elde edildi ve karşıt çekirdek elde edildi.
► Karşıt çekirdek elde edildi. Karşıt elektronla karşıt çekirdek birleşip karşıt atomu oluşturabilir mi?
Bu zaman dilimine geldiğimizde ise CERN’de yapılan deneyler sonrasında tarihi bir başarı elde edildi. 1995 yılında CERN’de Low Energy Antiproton Ring (LEAR) adı verilen özel bir makine sayesinde anti protonlar yavaşlatılarak bir pozitron (anti elektron) ve bir anti proton arasında bağ kurulup ilk karşıt hidrojen atomu elde edildi. Buna anti hidrojen atomu dendi.
Elektronun karşıt parçacığı pozitron ile atomun çekirdeğini oluşturan iki parçacık; proton ve nötronun karşıt parçacığı bulundu. Bundan sonra anti çekirdek elde etmek için deneyler yapılmaya başlandı. Bunun için referans olarak döteryum atomu hedef alındı. Çünkü döteryum çekirdeği bir proton ve bir nötrondan oluşuyordu. Yani anti döteryum çekirdeği bir anti proton ve anti nötrondan oluşturulmak istendi. CERN’de ve Brookhaven Ulusal Laboratuarı’nda gerçekleştirilen deneylerde başarılı sonuçlar elde edildi ve karşıt çekirdek elde edildi.
► Karşıt çekirdek elde edildi. Karşıt elektronla karşıt çekirdek birleşip karşıt atomu oluşturabilir mi?
Bu zaman dilimine geldiğimizde ise CERN’de yapılan deneyler sonrasında tarihi bir başarı elde edildi. 1995 yılında CERN’de Low Energy Antiproton Ring (LEAR) adı verilen özel bir makine sayesinde anti protonlar yavaşlatılarak bir pozitron (anti elektron) ve bir anti proton arasında bağ kurulup ilk karşıt hidrojen atomu elde edildi. Buna anti hidrojen atomu dendi.
Anti hidrojenin bulunması evrenin keşfi açısından çok önemli. Çünkü hidrojen, evrenin yaklaşık olarak kütlece %75’ini oluşturuyor. Anti hidrojen elde edildiğine göre acaba tamamen karşıt maddeden oluşan yeni bir evren var mı?
Yazımızın ikinci bölümünde CERN’de elde edilen antihidrojen atomu ile ilgili yeni gelişmeleri anlatacağız.
Hidrojen en basit atomlardan birisidir. Çünkü çekirdeğinde sadece proton ve etrafında yörüngesinde dönen bir elektron var. Anti madde elde etmek için en kolay yollardan birisi anti hidrojen elde etmek. Hem yapısı basit hem de evrenin kütlece %75’ini oluşturuyor. CERN’de Alpha Deneyi’nde bir anti proton ve pozitrondan (anti elektron) oluşan anti hidrojen atomları elde edildi.
Bilim adamları olmayan bir şeyi, anti maddeyi nasıl üretebiliyorlar?
İlk yazımızda da bahsettiğimiz gibi herşey Einstein’in görelilik kuramını bulmasıyla başladı. Formül bildiğimiz gibi E = mc2 .Yani kütle enerjiye, enerjide kütleye çevrilebiliyor. O zaman örnek olarak bir protonu (normal madde) ışık hızına çıkarıp durağan bir şeye çarptırırsak, bu çarpışma sonucu ortaya büyük bir enerji çıkar. Bu enerji daha sonra kütleye dönüşüyor. Yani madde, anti maddeye dönüşecek. Protondan anti proton çiftlerine, elektron pozitron çiftlerine dönüştürülebiliyor.
İlk yazımızda da bahsettiğimiz gibi herşey Einstein’in görelilik kuramını bulmasıyla başladı. Formül bildiğimiz gibi E = mc2 .Yani kütle enerjiye, enerjide kütleye çevrilebiliyor. O zaman örnek olarak bir protonu (normal madde) ışık hızına çıkarıp durağan bir şeye çarptırırsak, bu çarpışma sonucu ortaya büyük bir enerji çıkar. Bu enerji daha sonra kütleye dönüşüyor. Yani madde, anti maddeye dönüşecek. Protondan anti proton çiftlerine, elektron pozitron çiftlerine dönüştürülebiliyor.
Anti hidrojen atomları nerede ve hangi koşullarda üretiliyor?
İlk olarak anti hidrojen atomları CERN’de Alpha Deneyi’nde elde edildi. 38 adet anti hidrojen atomu belirli bir ortamda hapsedilerek (bir manyetik alan içerisinde) incelendi.
İlk olarak anti hidrojen atomları CERN’de Alpha Deneyi’nde elde edildi. 38 adet anti hidrojen atomu belirli bir ortamda hapsedilerek (bir manyetik alan içerisinde) incelendi.
Anti maddeler neden kapana kıstırılarak inceleniyor?
Anti maddenin bir sihri var. Normal madde ile temasa geçtiğinde yok oluyor ve dışarıya enerji açığa çıkıyor. Yani bu atomlar elde edildiğinde anında havadaki normal hidrojen atomlarıyla temasa geçtiğinden yok oluyor. Bu yüzden çok güçlü bir manyetik alaniçerisinde vakumlu bir ortamda anti hidrojen atomları üretilip, inceleniyor. Alpha Deneyi’nde 38 anti hidrojen atomu dediğimiz manyetik alan içerisinde üretildi ve saniyenin 1/10’u kadar bir sürede incelendi. Bu süre bilim adamları için anti hidrojen atomlarını inceleme konusunda yeterli bir süre.
Daha sonra bilim adamları yine CERN’de yaptıkları deneylerde anti hidrojen atomlarını yalıtılmış ortamda 1000 saniye kadar hapsedebildiklerini açıkladılar.
Anti-hidrojen atomları güçlü bir manyetik alan içerisine hapsedilerek inceleniyor.
Bilim adamları neden anti hidrojen atomlarını inceleme ihtiyacı duyuyorlar?
Hepimiz büyük patlama sonrası oluşan evrende yaşıyoruz. Madde ve anti madde aynı oranda önceden vardı. Ancak büyük patlama sonrası evrende sadece madde kaldı. Anti maddeye ne olduğunu bilim adamları şuan için çözemiyor.
Bilim adamları anti hidrojen atomlarının aslında davranışlarını inceliyorlar. Çünkü anti maddeye büyük patlamadan sonra ne olduğunu kimse bilmiyor. Bilim adamları anti maddenin davranışlarına bakıyor ve normal madde ile yani bir anti hidrojen atomu ile bir hidrojen atomunu karşılaştırma amacındalar. Belki de bu karşılaştırmalar sonucu evrende neden tamamen normal madde olduğu anlaşılacak.
Hepimiz büyük patlama sonrası oluşan evrende yaşıyoruz. Madde ve anti madde aynı oranda önceden vardı. Ancak büyük patlama sonrası evrende sadece madde kaldı. Anti maddeye ne olduğunu bilim adamları şuan için çözemiyor.
Bilim adamları anti hidrojen atomlarının aslında davranışlarını inceliyorlar. Çünkü anti maddeye büyük patlamadan sonra ne olduğunu kimse bilmiyor. Bilim adamları anti maddenin davranışlarına bakıyor ve normal madde ile yani bir anti hidrojen atomu ile bir hidrojen atomunu karşılaştırma amacındalar. Belki de bu karşılaştırmalar sonucu evrende neden tamamen normal madde olduğu anlaşılacak.
CERN’de ki bilim adamları anti madde konusunda hangi deneyleri gerçekleştirdiler?
İlk olarak Alpha Deneyi’nde anti hidrojen atomları incelenmişti. Daha sonra inceleme süresi arttırılmıştı. 2013 yılında ise CERN’de ATRAP (Antihidrojen TRAP) deneyinde anti protonların hızını yavaşlatan bir makinede anti protonların manyetik alan içerisinde dünyanın en ince ölçümünü yaptı. Bu ölçümlerde anti protonların kütlesi, spini ve davranışlarını daha önceki incelemelerinden kat ve kat daha hassas olarak ölçümler aldılar. Bu olay ileride diğer anti madde ve anti parçacıkların incelenmelerinde etkin rol oynayacak.
İlk olarak Alpha Deneyi’nde anti hidrojen atomları incelenmişti. Daha sonra inceleme süresi arttırılmıştı. 2013 yılında ise CERN’de ATRAP (Antihidrojen TRAP) deneyinde anti protonların hızını yavaşlatan bir makinede anti protonların manyetik alan içerisinde dünyanın en ince ölçümünü yaptı. Bu ölçümlerde anti protonların kütlesi, spini ve davranışlarını daha önceki incelemelerinden kat ve kat daha hassas olarak ölçümler aldılar. Bu olay ileride diğer anti madde ve anti parçacıkların incelenmelerinde etkin rol oynayacak.
Son olarak geçtiğimiz günlerde CERN’deki ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) deneyinde bilim adamları ilk anti hidrojen demetini ürettiler. Bu olay anti hidrojenlerin spektroskopisini (tayfölçümü) ölçme konusunda büyük bir adım.
Anti madde konusunda anlattığımız gibi CERN’de yapılan en önemli deneyler Alpha, ATRAP ve ASACUSA deneyleri. Bu deneyler gelecek adına anti maddenin gizemini öğrenmede bilim tarihindeki yerlerini alacaklar.
Peki bu deneylerin sonucunda evrene dair ne öğreneceğiz?
Evrende anti madde yok. Neden yok? Büyük patlamadan sonra ne oldu da anti madde yok oldu? Anti maddeye büyük patlamadan sonra ne olduğunu öğrenirsek büyük patlama ve evrenin keşfinde büyük adımlar atılabilir.
Bir diğer varabileceğimiz nokta yerçekimi. Evrene dair standart model bazı sorulara cevap getirebilmiş. Ama yerçekimine tam olarak bir cevabı yok. Sadece bu konu hakkında Einstein’in genel görecelik kuramı sorulara cevap getirebilmiş. Maddenin yerçekimine karşı nasıl davrandığını biliyoruz. Havaya bir top attığımızda aşağıya düşüyor. Peki ya bir anti madde nasıl davranırdı? Anti maddenin yerçekimine karşı nasıl davrandığı da bilimin merak uyandırıcı sorularından.
Kaynak:
home.web.cern.ch
fnal.gov
en.wikipedia.org
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder