Bilim İnsanları Antimadde Atomunu İlk Defa Ölçtüler

Antimaddeyi pek çok yerden duymuşsunuzdur. Az bir miktarı da sürekli üzerimize yağmakta - fakat ne yazık ki onları yakalamak ve tespit etmek biraz hüner gerektiriyor. Çünkü madde ile temas ettiği anda yok olur, bu nedenle konvansiyonel yaklaşımlar antimadde için yeterli değildir.

Hepiniz aşinasınızdır: Büyük Patlama’dan sonra eşit miktarda madde ve antimadde oluştuğu düşünülüyor. Antimadde ve maddde bir araya geldiklerinde birbirlerini yok edip arkalarında sadece bir miktar enerji bırakıyorlar. Durum böyleyken baktığınızda ise, şu an maddenin antimaddeden daha fazla olduğu bir evrende yaşıyoruz. Bu da fizikçilerin kafasını uzunca süredir bir hayli karıştırmakta.

Nature dergisinde yayınlanan çalışmalarında CERN’deki Antihidrojen Lazerli Fizik Cihazı (ALPHA) ekibinden fizikçiler, bir “antimadde tuzağı" içerisindeki antihidrojenin optik/spektroskopik özelliklerini ölçmek için lazer kullandılar. Ekip, antihidrojen oluşturmak için pozitronları (pozitif yüklü elektron) ve antiprotonları (negatif yüklü proton) bir vakum tüpüne doldurdu ve bunları ölçmek için yeterince uzun süre var olan az sayıda anti-atomu tutan bir "manyetik tuzak" kullandı. Daha sonra, enerji seviyeleri değiştikçe bir spektral çizgi üreten pozitronlarını incelemek için antimaddeyi lazer ile uyardılar.

Antihidrojen spektrumunu yüksek hassasiyetle ölçmek, maddenin, antimaddeden farklı davranıp davranmadığını test ederek Standart Model’in güvenilirliğini de test etmede yeni bir araç sunar.
(Görsel Kaynak: Maximilien Brice/CERN).

Atomlar çekirdeğin etrafında dönen elektronları içerir. Elektronlar bir yörüngeden diğerine geçtiğinde, o atomun spektrumunu oluşturan belirli dalgaboylarında foton absorplar veya yayarlar.

Her elementin kendisine ait eşsiz bir spektrumu vardır. Bundan dolayı spektroskopi, birçok fizik, astronomi ve kimya alanında yaygın olarak kullanılan bir araçtır. Atomları, molekülleri ve iç hallerini tanımlamaya yardımcı olur. Örneğin astrofizikte, uzak yıldızların ışık spektrumunu analiz etmek, bilim insanlarına yapılarını anlamada ve belirlemede olanak tanır.

Antihidrojene dönersek, aslında sonuç çok da şaşırtıcı olmadı: antihidrojenin hidrojen ile aynı davrandığını ve aynı özelliklere sahip olduğunu keşfettiler (sadece ters yüklerle).

Antihidrojen, Antiproton Hızkesicisi'nden gelen yaklaşık 90.000 antiproton plazmasını, pozitronlarla karıştırarak, girişim başına yaklaşık 25.000 antihidrojen atomu üretmek suretiyle yapılır. Antihidrojen atomları, yaratıldıklarında yeterince yavaş ilerledikleri takdirde yakalanabilirler. Bu yeni teknikle daha önceki yöntemlerle sadece 1.2'ye kıyasla deneme başına ortalama 14 antiatom yakalamak mümkündür. Yakalanan atomları hassas bir biçimde ayarlanmış bir frekanstaki lazer ışını ile aydınlatan bilim insanları ışının antihidrojenin iç halleriyle etkileşimini gözlemleyebildiler. Ölçüm, 1S-2S denen geçiş gözlemlenerek yapıldı. Atomik hidrojende 2S durumu uzun ömürlü olup doğal bir çizgi genişliğine yol açar, bu nedenle hassas ölçüm için özellikle uygundur.

Antimadde, maddeye dokunduğunda, bir ışık flaşıyla yok olur. Bu görüntüler, sıradan maddeden yapılmış ALPHA deneyinin duvarlarıyla temasa girdikçe yok olan anti-hidrojen atomlarını göstermektedir (Görsel Kaynak: CERN).

CERN antimadde topluluğunun 20 yıldır süre gelen çalışmalarının sonucu olan bu başarı, antimadde araştırmalarında tamamen yeni bir dönem açan teknolojik gelişmelere sahiptir.

"Fizik yasalarına göre, maddenin ve antimaddenin temel özellikleri aynı olmalı, eğer herhangi bir fark görürseniz, sadece fiziğin değil, tüm evrenin başı belada" diyor ALPHA-Kanada grubunun liderliğini yürüten araştırmacı Makoto Fujiwara.

Peki araştırmacılar neden hidrojen atomu ile çalışıyorlar? İlk ve en önemli neden, tek bir proton ve elektronuyla hidrojen, evrenimizdeki en bol elementtir ve aynı zamanda spektrumu ondalık basamağa kadar en hassas şekilde ölçülebilir. Öte yandan antihidrojen atomları ise, kolayca anlaşılamamaktadır. Evren madde ağırlıklı olduğu için, antihidrojen spektrumu ölçülmeden önce antihidrojen atomlarının elemanları (antiprotonlar ve pozitronlar) üretilmeli ve toplanmalıdırlar.

Antimadde kavramı ilk olarak İngiliz fizikçi Paul Dirac tarafından ortaya atılmıştı. Ona göre, x² = 4 matematiksel denkleminin iki olası çözümü (x = 2 veya x = -2) olduğu gibi evrenin de negatif ve pozitif iki çözümü olmalıydı.

Antimadde atomları ilk olarak 1995 yılında deneysel olarak oluşturuldu, ancak ömürleri kısa sürüyordu. Onlarca yıl antimadde yakalamaya çalışan bilim adamları nihayet 2010'da başarılı oldular.

Fizikçiler antihidrojen gibi antimadde üretip yakalamış olsa da, onu uzay gemilerine güç olarak kullanmak fikri halen çok uzakta: 1950'lerden beri yaratılan antimadde miktarı, bir kibriti yakmaya yeterdi.

Grubun deneyinin bir sonraki safhası olan ve  2017 sonunda gerçekleşmesi beklenen ALPHA-G, antihidrojen üzerindeki yerçekimi kuvvetlerini inceleyecek. Spesifik olaraksa, birbirlerini itecekleri önerisiyle antihidrojenlerin yerçekiminden etkilenip etkilenmeyeceğini görmek istiyorlar. Bu durum eğer doğrulanırsa, gördüğümüz galaksilerin yarısının antimadde galaksileri olduğunu anlamına gelebilir.

Sonuç olarak ALPHA fizikçileri, deneylerinin, evrenimizin nasıl oluştuğu bulmacasında bilim adamlarına yardımı dokunmasını umuyorlar.

Kaynaklar
https://home.cern/about/updates/2016/12/alpha-observes-light-spectrum-antimatter-first-time
http://www.cbc.ca/news/technology/scientists-measure-antimatter-atom-for-1st-time-1.3903268
https://www.engadget.com/2016/12/19/antimatter-measured-for-first-time/

İlgili Makale
http://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/full/nature21040.html

Kapak Görseli: Crab Nebula, NASA