Maddenin oluşumuna dair büyük bir gizem çözülüyor

Marco Gersabeck

Neden varız? Bu, tartışmasız en temel soru ve parçacık fiziğinin kapsamı dışında görünüyor olabilir. Diğer yandan, CERN’de bulunan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) yaptığımız yeni bir deney, bu soruya çözüm bulmak için bizleri bir adım ileri taşıyor.

Nedenini anlamak için, zaman içerisinde 13.8 milyar yıllık bir yolculuk yaparak Büyük Patlama’ya geri dönmemiz gerekiyor. Bu olay, sizi de var eden maddeyle eşit miktarda olan ve 'karşı-madde' (anti-madde olarak da anılır) diye adlandırılan bir şey üretti. Her bir parçacıkla neredeyse aynı yapıda olan fakat ters yüke (+/-) sahip bir karşı-madde eşlikçisi olduğuna inanılıyor. Bir parçacık ve bunun karşıtı bir araya geldiğinde birbirlerini yok ederler ve bir ışık patlamasıyla hiçliğe karışırlar.

ASİMETRİNİN KAYNAĞI KEŞFEDİLDİ

Modern fiziğin en büyük gizemlerinden biri, şu an etrafımızda gördüğümüz Evren’in neden ötürü tamamen maddeden oluştuğu. Şayet (maddeye) eşit miktarda karşı-madde var olsaydı, Evren’deki her şey yok olurdu. Yaptığımız araştırma, madde ve karşı-madde arasındaki bu asimetriye (orantısızlığa) ilişkin yeni bir kaynağı ortaya çıkardı.

Karşı-maddenin varlığı ilk olarak Arthur Schuster tarafından 1828 yılında öne sürüldü; bu fikir 1928’de Paul Dirac’a kuramsal bir temel sundu ve 1932 yılında Carl Anderson tarafından ‘pozitronlar’ olarak adlandırılan ‘anti-elektronlar’ formunda keşfedildi. Pozitronlar, Potasyum-40 atomunun bozunmasında görüldüğü üzere, doğal radyoaktif süreçlerde açığa çıkarlar. Yani, ortalama (Potasyum içeren) bir muz her 75 dakikada bir pozitron yayar. Bunlarsa, madde elektronlarıyla birleşerek yok olurken ışık üretirler. PET tarayıcılar gibi tıbbi uygulamalar da aynı süreç aracılığıyla karşı-madde üretir.

Atomu oluşturanlar, ‘kuark’ ve ‘lepton’ adı verilen ve maddenin temel yapı taşları olan temel parçacıklardır. Bilinen altı çeşit kuark vardır: yukarı, aşağı, tuhaf, çekici, alt ve üst. Benzer şekilde, altı lepton vardır: Elektron, müon, tau ve üç adet nötrino. Bu on iki parçacığın yalnızca yüklerinde farklılık gösteren bir karşı-madde kopyaları da (ya da ikizleri) mevcuttur.

Karşı-madde parçacıklarının, prensip itibariyle, normal eşlerinin kusursuz ayna görüntüleri olması gerekir. Buna karşın, deneyler bunun her zaman böyle olmadığını ortaya koyuyor. Mesela, bir kuark ve bir anti-kuarktan meydana gelen ve ‘mezonlar’ diye bilinen parçacıkları ele alalım. Nötr (yüksüz) mezonlar inanılmaz bir özelliğe sahiptir: Bunlar, kendiliğinden anti-mezonlarına dönüşebilir ya da bunun tersi de geçerli olabilir. Bu süreçte kuark, anti-kuarka dönüşür veya anti-kuark bir kuark haline gelir. Öte yandan deneyler, bunun tek bir yöne doğru, diğerinden daha fazla gerçekleşebileceğini gösteriyor; zamanla karşı-maddeye oranla daha fazla madde oluşuyor.

ÜÇÜNCÜNÜN ‘ÇEKİCİ’LİĞİ

Kuark içeren parçacıklar arasında yalnızca ‘tuhaf’ ve ‘alt’ kuarkları içerenlerin, böylesi bir asimetri ortaya koyduğu keşfedildi ve bunların büyük önem taşıyan keşifler olduğu görüldü. 1964 yılında ‘tuhaf’ parçacıklara ilişkin ilk asimetri gözlemi, henüz yalnızca üçünün var olduğu bilinen bir dönemde, kuramcıların altı kuarkın varlığına dair tahminlerde bulunmasına olanak sağladı. 2001’deyse ‘alt’ parçacıklarda var olan asimetrinin keşfedilmesi, altı kuarklı görünümün ortaya çıkmasına yol açan mekanizmaya dair son teyit oldu. Keşiflerin ikisi de Nobel Ödülü’ne lâyık görüldü.

Hem ‘tuhaf’ hem de ‘alt’ kuarklar negatif (-) elektrik yükü taşır. Kuramsal olarak, madde / karşı-madde asimetrisi gösterebilecek parçacıklar oluşturabilmesi beklenen tek pozitif yüklü kuark, ‘çekici’ kuarktır. Kuram, şayet bu doğruysa, ortaya çıkan etkinin küçük ve tespit edilmesi zor olması gerektiğini öne sürüyor.

Ancak LHCb deneyinde, ilk defa (‘çekici’ kuarklardan oluşan) D-Mezon adı verilen parçacıklarda böyle bir asimetri oluştuğunu gözlemlemeyi başardık. Bu durum, on yıl önce öncülük ettiğim LHC’deki çarpışmalarda doğrudan üretilen ve daha önce görülmemiş miktardaki ‘çekici’ parçacıkla mümkün olabilir. Sonuç, bunun istatistiksel bir dalgalanma olma ihtimalinin bir milyarda yaklaşık 50 olduğunu gösteriyor.

Eğer bu asimetri, ‘tuhaf’ ve ‘alt’ kuark asimetrilerine yol açan aynı mekanizmadan kaynaklanmıyorsa, bu, erken evrendeki toplam asimetriye katkıda bulunabilecek yeni madde / karşı-madde asimetrisi kaynakları için bir alan yaratır. Ve bu bulgu, bilinen birkaç asimetri yaklaşımının Evren’in neden bu kadar çok madde içerdiğini açıklayamaması nedeniyle önem taşıyor. ‘Çekici’ özelliğin keşfi, tek başına bu boşluğu doldurmak için yeterli değil ama temel parçacıkların etkileşimlerinin anlaşılmasıyla ilgili bulmacanın önemli bir parçası durumunda.

SONRAKİ ADIMLAR

Yapılan keşfi, sonuçların yorumlanmasına yardım edecek daha fazla kuramsal çalışma izleyecek. Ancak bundan da önemlisi, hâlihazırda devam etmekte olan bir takım testlerle birlikte, bulgumuzu takip eden anlayışı derinleştirmek için gerçekleştirilecek sonraki testlerin ana hatlarını çizecek.

Önümüzdeki on yıl süresince, geliştirilmiş LHCb deneyi, bu tür ölçümlere olan hassasiyeti artıracak. Bu, henüz yeni başlayan Japonya merkezli ‘Belle II’ deneyi ile tamamlanacak. Bunlar, madde / karşı-madde asimetrinin araştırılmasıyla ilgili heyecan verici beklentiler.

Karşı-madde, diğer birçok deneyin de odağında yer alıyor. Karşı-atomların tamamı CERN’in Anti-proton Yavaşlatıcısı’nda üretiliyor, bunlar da yüksek hassasiyetli ölçümler yürüten bir takım başka deneyi besliyor. Uluslararası Uzay İstasyonu’nda yapılan AMS-2 deneyi, kozmik kaynaklı karşı-madde arayışıyla meşgul. Dahası, şu anki ve gelecekte yapılacak kimi deneyler, nötrinolar arasında madde / karşı-madde asimetrisi olup olmadığı sorusuna yanıt arayacak.

Evrendeki madde / karşı-madde asimetrisinin gizemini hâlâ tam anlamıyla çözemezken, yaptığımız son keşif, henüz bilinmeyen olguları açığa çıkarma potansiyeline sahip hassas ölçümlerin olacağı bir çağın kapılarını açmış oldu. Bir gün fizik biliminin neden burada olduğumuzu açıklayabileceğine dair iyimser olmak için, her türlü nedene sahibiz.

* Yazının aslı The Conversation sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)