Maddenin ayna görüntüsü antimadde nedir ve nasıl oluşur? Antimaddenin özellikleri nelerdir? Antimadde ile ilgili bilinenlerin özeti.
Antimadde
Bilimkurgu eserlerinde uzay gemileri genellikle “antimadde motorları” ile çalışır. Aslında antimadde gerçek bir olgudur ve hatta Dünya’da yapay olarak da üretilmiştir. Maddenin ayna görüntüsü olan ve eksi enerji taşıyan antimadde ile madde uzun süre bir arada bulunamaz. Birbirlerine temas ettiklerinde bir enerji parlamasıyla yok olurlar. Antimaddenin varlığı parçacık fiziği araştırmalarının derinliklerindeki simetrilerde gizlidir.
Sokakta yürürken kendi kopyanızla karşılaştınız. Bu sizin antimadde ikiziniz. Tokalaşır mısınız? Antimaddenin varlığı 1920’li yıllarda öngörülmüş ve 1930’lu yıllarda kuantum kuramı ile görelilik bir araya getirildiğinde keşfedilmiştir. Antimadde, maddenin ayna görüntüsüdür. Yani parçacıkların yükü, enerjileri ve kuantum özellikleri hep ters işaretlidir. Dolayısıyla pozitron denen bir karşı elektron, elektronla aynı kütlede ama artı elektrik yüklüdür. Benzer bir şekilde protonların ve diğer parçacıkların da kendi zıtları olan antimadde kardeşleri vardır.
Eksi enerji
İngiliz fizikçi Paul Dirac 1928’de elektron için bir denklem yaratmaya çalışırken elektronların eksi enerjileri olduğu gibi artı enerjileri olma olasılığı bulunduğunu da fark etti. Tıpkı x2 = 4 denkleminin x = 2 ve x = -2 gibi iki çözümü olduğu gibi, bu problemi çözmek için Dirac’ın da iki yolu vardır: Artı enerji normal elektronla ilgili ve umulan şeydi ama eksi enerji anlamsızdı. Ancak Dirac bu akıl karıştırıcı durumu göz ardı etmek yerine bu tür parçacıkların gerçekten var olduğunu düşünmeyi tercih etti. Bu tümleyici madde hali, “karşı” maddedir.
Karşı parçacıklar
Antimadde avı hemen başlamıştır. 1932’de Cari Anderson pozitronların varlığını deneysel olarak gösterdi. Kozmik ışınların (uzaydan gelip atmosfere çarpan yüksek enerjili parçacıkların) ürettiği parçacık sağanaklarının oluşturduğu izleri gözledi. Elektron kütlesinde artı yüklü bir parçacığın, pozitronun bıraktığı izi saptadı. Böylece antimadde artık soyut bir fikir olmaktan çıktı ve gerçek bir olgu olduğu anlaşıldı.
Parçacık Hızlandırıcılar
Bir sonraki karşı parçacığın; karşı protonun saptanması yirmi yıl aldı. Fizikçiler parçacıkların hızını arttırmak için manyetik alanların kullanıldığı yeni parçacık hızlandırıcıları inşa ettiler. Hızlandırılmış protonlardan oluşan böylesi güçlü ışınlar karşı protonu ortaya çıkaracak yüksek enerjilere ulaşabiliyordu. 1955’te karşı proton ve ondan kısa bir süre sonra da karşı nötron bulundu.
Acaba elde antimaddenin yapıtaşları varken bir karşı atom ya da en azından bir karşı çekirdek yapılabilir miydi? 1965’te bu sorunun yanıtının evet olduğu gösterildi. Hem Avrupa’da CERN’deki hem de ABD’de Brookhaven Laboratuvarı’ndaki biliminsanları bir karşı proton ve bir karşı nötrondan oluşan, bir ağır hidrojen (döteryum) karşı çekirdeği (karşı döteron) yaratmayı başardılar. Bir pozitronu bir karşı protona tutturarak bir hidrojen karşı atomu (karşı hidrojen) yapmak biraz daha uzun sürdü ama 1995’te o da yaratıldı. Günümüzde deneysel fizikçiler karşı hidrojenin normal hidrojenle aynı şekilde davranıp davranmadığını araştırıyor.
Fizikçiler İsviçre’de CERN’de ya da Şikago yakınlarındaki Fermilab’da bulunan parçacık hızlandırıcılarıyla antimadde yaratabiliyorlar. Parçacıklardan ve karşı parçacıklardan oluşan ışınlar karşılaştıklarında saf enerjiye dönüşüp bir parlamayla yok oluyor. Kütle, Einstein’ın E=mc² denklemine göre enerjiye dönüşüyor. Yani eğer antimadde ikizinizle karşılaşırsanız, birbirinize sarılmak pek de iyi bir fikir olmaz.
Evrensel simetriler
Eğer antimadde bütün Evren’e dağılmış olsaydı, bu yok olma olayları sürekli gerçekleşiyor olurdu. Madde ve antimadde küçük patlamalarla zamanla birbirlerini yok ederlerdi. Ne var ki bunlara hiç tanık olmuyoruz. Dolayısıyla Evren’de çok da fazla antimadde bulunuyor olamaz. Gerçekte gördüğümüz kadarıyla çok büyük farkla yaygın olanlar madde parçacıklarıdır. Evren’in oluşumunun başlangıcında bir dengesizlik olmuş ve antimaddeden daha fazla madde yaratılmış olmalıdır.
Bütün ayna görüntüleri gibi parçacıklar ile onların karşı parçacık ikizleri birbirleriyle çeşitli simetri tipleri üzerinden ilişkilidir. Bunlardan biri zamandır. Eksi enerjileri nedeniyle karşı parçacıklar matematiksel olarak normal parçacıkların zamanda geriye doğru gidenlerine karşılık gelirler. Yani bir pozitron gelecekten geçmişe doğru yolculuk eden bir elektron olarak düşünülebilir. İkinci simetri “yük konjügasyonu” olarak bilinir ve ters çevrilmiş yükler ile kuantum özelliklerini içerir. Üçüncü bir simetri uzayda hareketle ilgilidir. Mach ilkesine dönersek, uzay ızgarasını gösteren koordinatların yönünü değiştirmek hareketleri genelde etkilemez.
Nötrinolar
Soldan sağa doğru ilerleyen bir parçacık sağdan sola doğru ilerleyenle aynı görünür ya da spininin saat yönünde veya tersinde olması bir şeyi değiştirmez. Bu “denklik” (parite) simetrisi parçacıkların çoğu için geçerlidir ama buna her zaman uymayan az sayıda parçacık da vardır. Nötrinolar yalnızca tek bir biçimde, solak nötrinolar olarak, (spinleri bir yönde) bulunurlar. Sağlak nötrino diye bir şey yoktur. Bunun tersi de hepsi sağlak olan karşı nötrinolar için geçerlidir. Yani denklik simetrisi bazen kırılabilir ama yük konjügasyonu ile denkliğin bir bileşimi (yük-denklik simetrisi) korunur.
Kimyacıların bulduğu gibi bazı moleküller, bulunmaları olası şekillerden birini yeğliyor -solak ya da sağlak yapıda olmak gibi- ve Evren’in neden antimadde değil de ağırlıklı olarak madde içermeyi yeğlediği hâlâ büyük bir bilmecedir. Evren’deki varlıkların çok küçük bir bölümü -%0,001’den azı-antimaddedir. Ama Evren aynı zamanda aralarında çok fazla fotonun da bulunduğu çeşitli enerjiler içerir. Dolayısıyla Büyük Patlama’yla çok büyük miktarlarda madde ve antimadde yaratılmış ama kısa sürede bunların çoğu enerjiye dönüşüp yok olmuş olabilir. Günümüze kadar kalanlar buzdağının yalnızca tepesidir. Madde lehine çok minik bir dengesizlik onun günümüzdeki egemenliğini açıklamaya yeter. Bunun için Büyük Patlama’dan sonraki ilk saniye içinde her 10.000.000.000 (1010) madde parçacığından yalnızca birinin hayatta kalmış ve geri kalanının da yok olmuş olması yeterlidir. Geriye kalan madde hafif bir asimetriyle yük-denklik simetrisi ihlalinden korunmuş gibidir.
Bu asimetri içinde yer almış olabilecek parçacık X bozonu denen ama henüz keşfedilememiş bir tür ağır bozondur. Bu büyük kütleli parçacık maddenin biraz daha fazla üretilmesini sağlayacak çok hafif bir dengesizliğe neden olacak şekilde bozunur. X bozonları protonlarla da etkileşime girip onların bozunmasına yol açıyor olabilirler – ki bu, Evren’deki bütün maddenin en sonunda çok daha küçük parçacıklardan oluşan bir sise dönüşeceği anlamına geldiği için pek iyi bir haber sayılmaz. İyi haber, bunun gerçekleşmesi için gereken zaman ölçeğinin çok büyük oluşudur. Bugüne değin hiçbir protonun bozunduğu görülmemiştir. Protonlar çok kararlıdır ve ömürleri de en azından 1017-1035 yıldır; yani milyar kere milyar kere milyar yıl olabilir -Evren’in şu anki yaşından çok daha uzun bir süre. Ama bu yine de Evren’in çok yaşlandığında normal maddenin bile yok olma olasılığı bulunduğunu gösterir.
