Fizik / Astrofizik Tüm Yazılar

Maddenin Tam Zıddı: Antimadde

Antimadde, toplum tarafından ne olduğu tam anlaşılmamış bilimsel bir gerçektir. Bu nedenle sizler için inceleyip sadeleştirerek nedir, ne değildir, nasıl üretilir, ne işe yarar diye anlatmaya karar verdik: Antimadde; sizi, evlerinizi, Dünya’yı, galaksileri, kısacası evreni oluşturan bildiğimiz maddenin zıttı. Tam tersi elektrik yükü taşıyan madde çeşididir.

ANTİMADDE NE DEĞİLDİR

Antimaddenin ne olduğunu detaylı anlatmadan önce, ne olmadığı hakkında bilgi vererek yanlış bilgileri arındırmak istiyoruz.

Karanlık Madde
Evrendeki kütlenin yaklaşık olarak %84,5’ini oluşturan ancak dolaylı yollar haricinde (etkileri) henüz gözlemleyemedimiz ve karanlık madde olarak isimlendirdiğimiz hipotez madde, antimadde değildir.

Karanlık Enerji
Evrenin genişlemesinden sorumlu bir hipotez olarak kabul edilen ancak doğrudan gözlemi henüz yapılamayan karanlık enerjinin antimadde ile bir ilgisi yoktur.

Negatif Kütle
Antimadde negatif kütleye sahip değildir: Bildiğimiz anlamdaki madde, diğer maddeleri kendisine doğru çeken bir kütleçekimi oluştururken, antimadde iter fikri tamamen yanlıştır. Antimadde ters elektrik yüküne sahiptir evet ama, kütleçekimi yük taşımaz. Bu nedenle normal parçacıklar ve anti-parçacıklar aynı çeşit kütleye sahiplerdir.

Bir hipotez olarak Negatif kütleli egzotik madde çeşitleri, 0.0 kilogramdan daha az kütleye sahiplerdir ve quantum mekaniklerinde sadece bazı genel görelilik teorilerini ihlal ederek varlıkları mümkün olabilir. Neyse ki imkansızı zorlayan bilim insanları var. Negatif kütleye sahip maddenin mümkün olabileceği hal ve durumlar ile ilgili orjinal bir araştırma yazısı aşağıda ki linkte meraklılarını beklemekte. http://arxiv.org/pdf/1407.1457v2.pdf

Negatif Enerji
Antimadde negatif enerjiye sahip değildir: Negatif enerji olarak tabi edilen sıfır enerji seviyesinden düşük negatif enerji durumları, sadece belli quantum sistemlerinde geçerlidir. Antimadde, normal madde gibi pozitif enerji değerlerine sahiptir sadece elektrik yükü ve dönüş hareketi yönlerinde farklılıklar içerir.

Bilimkurgu
Antimadde bilimkurgu değildir, yeteri kadar üretimini yapabileceğimiz ucuz metotlar geliştirebilirsek bir gün sanayinin ve enerji üretiminin belkemiğini oluşturabilir. Şu anda birçok deneyde ve cihazda antiparçacık ve antimadde türevleri kullanılmaktadır.

ANTİMADDE NEDİR

Sıradan madde ile aynı kütleye sahip ancak farklı elektrik yükü, farklı lepton & baryon sayısı ve farklı quantum spin yönüne sahip antiparçacıklardan oluşmuş materyale antimadde denir.

Kısa Bilgi: Parçacık fiziğiyle ilgili terimler kullanmaya başladığımıza göre bazı temel terimlerle ilgili bilgi verelim.

SPIN: Spin bir yönü ve değeri olan, neredeyse bütün atomaltı parçacıkların sahip olduğu bir momentumdur. Higgs Bozonu ve bazı kuramsal parçacıklar hariç, bütün parçacıklar spin sahibidir.
HADRON: CERN’deki ünlü “Large Hadron Collidor” parçacık hızlandırıcısına ismini veren Hadronlar, quarklardan oluşan ve güçlü nükleer kuvvet ile bir arada tutulan stabil proton, nötron (Baryonlar) ve stabil olmayan birçok parçacığı (Mesonlar) kapsayan bir ailedir
MESON: Yüksek enerjili çarpışmalarda ortaya çıkan Hadron sınıfından olan, çok kısa ömürlü parçacıklardır. Mesonlar, bir quark ve bir anti quarktan oluşurlar.
BARYON: 3 Quarktan oluşan Hadron sınıfı parçacıklardır. Ünlü proton ve nötronlar birer baryon türüdür. Bilinen evrende, gözlemlediğimiz kadarıyla baryonik madde hakimdir.
LEPTON: Elektron benzeri parçacıkları içeren bir parçacık ailesidir. Elektronlar, Elektron Nötrinoları, Muonlar, Muon Nötrinoları, Taular ve Tau Nötrinoları lepton ailesini oluşturur.
QUARK: Hadronların yapı taşı olan quarklar, asla doğrudan gözlemlenemez ya da izole halde bulunamazlar. Sadece Baryon ve Meson denen Hadron sınıfı parçacıklarda bulunurlar. Elektrik yükü, kütle, renk ve dönüş gibi özellikler quarklardan gelir. Bunlar böyle özellikler taşıyan küçük toplar yerine, matematiksel özellik noktaları olarak düşünülmelidirler. Quarkların oluşturduğu daha büyük parçacıklar içerisindeki quarklar, parçacığın ne olacağını belirler. Quarklar kendi aralarında da 6 tipe ayrılır. Bunlar Up (Yukarı), Down (Aşağı), Strange (Acayip), Charm (Tılsım), Top (Üst), Bottom (Alt) olarak isimlendirilir. Up ve Down Quarklar evrende en çok bulunan oldukça stabil ve düşük kütleli parçacıklardır. Diğer Quark çeşitleri; kozmik ışın çarpışmaları ya da parçacık hızlandırıcılar gibi yüksek enerjili çarpışmalarda oluşup, hızlı şekilde “parçacık bozunumu” geçirerek düşük kütleli Up ve Down quarklara bozunurlar.
“FORCE CARRIER” PARÇACIKLAR: Parçacıklar arasında “Field (Alan)” denen güçleri taşıyan parçacıklardır. Fotonlar elektromanyetizmayı taşır, Gluonlar güçlü nükleer kuvveti, W ve Z bosonları zayıf nükleer kuvveti ve kuramsal Gravitonlar kütleçekimini taşıyan diğer parçacıklardır.
ANTİQUARKLAR: Antimadde ve dolayısıyla antiparçacıkların temel yapı taşları olan quarklar normal quarklara oldukça benzer ve tahmin edebileceğiniz gibi tek farkları eşdeğerlerinin tersi özelliklere sahip olmalarıdır.
FERMİON VE BOSON SINIFLANDIRMALARI: Bosonlar yukarıda anlattığımız Mesonların ve force carrier parçacıklar denen parçacıkların bulunduğu ailedir. Spin denen momentumları tam sayılar ile ifade edilir (+1, +2). Fermionlar ise yukarıda geçen Lepton, Quark ve Baryonları kapsayan ailedir. Quantum spinleri tam sayı değildir, 1/2 olarak ifade edilirler.

Yazımıza devam edelim;
Maddeyi oluşturan atomun çekirdeğinde; nükleüs (nucleus) dediğimiz pozitif yüklü proton(lar) ve yüksüz nötron(lar) bulunur. Nükleüs çevresinde ise negatif yüklü elektron veya elektronlar, sahip oldukları enerjiye göre çeşitli yörüngelerde yer alırlar.

atom_zoom_b

Antimaddede ise antiprotonlar negatif yüklüdür, pozitron denen antielektronlar ise pozitif yüklüdür. Evrenimiz bizim için normal olan maddenin hakimiyetindedir. Eser miktarda antimadde evrende gözlense bile, Big Bang (Büyük Patlama) ile ortaya çıkmış olması gereken miktardan çok çok azdır. Big Bang teorilerine göre, antimadde ve madde eşit miktarda oluşmuş olmalıydı.

BARYON ASİMETRİSİ

Çoğunlukla çevremizdeki her şeyi oluşturan Baryonik madde gözlemlenebilir evrende bu kadar ağırlıktayken, eser miktardaki antimaddeyi oluşturan antibaryonlar ile ciddi bir eşitsizlik vardır.

Genel kabul gören kanıya göre; Big Bang’de parçacıkların ve antiparçacıkların eşit miktarda oluşmuş olması ve bunun sonucunda da bütün parçacıkların birbirlerini imha ederek evreni bütün maddelerden arınmış bir radyasyon denizi olarak bırakmaları gerekirdi. Ancak Baryogenessis olarak isimlendirilen, henüz hipotez olarak kabul edilen bir aşamada normal quark ve leptonlar, antiquark ve antileptonlara baskın gelerek antiparçacıkların sayısını bugünkü evreni oluşturacak şekilde azalttılar. Çeşitli hipotezler bu asimetriye farklı açıklamalar getirse de CP simetrisi ihlali denen açıklama en kabul görenidir.

Kısa Bilgi: 
Evrende antimadde yerine neden maddenin baskın olduğu yada Büyük Patlama’dan sonra neden bütün herşeyin birbirini yok etmediğini anlatabilmek için CPT teoreminden bahsetmemiz gerekiyor.

CPT simetrisi: C (Charge / Yük), P (Parity – Spatial Configuration / Uzaysal konum), T (Time / +Zaman) simetrileri anlamına gelir.
Maddenin herhangi bir özelliği bu simetriler yönünden bir değişim geçirdiğinde “aynadaki yansıması” gibi tersi bir hal almalıdır. Yani madde yük simetrisi yönünden tersinme geçirdiğinde antimadde olur. Uzaysal konumu tersinme geçirdiğinde x, y, z düzlemlerindeki konumu -x, -y, -z düzlemlerinde olur, kısaca aynadaki görüntüsü benzer. Zaman simetrisinde bir tersinme ise temel olarak “t” değerinin “-t” olmasıdır. Zaman akışının tersine işlemesi anlamına gelir ve tabiki gözlemlenebilir evrende böyle birşey gerçekleşmediği için şimdilik makro seviyede zaman asimetrik diyebiliriz.

Sözün özü C ve P simetrilerine göre antimadde normal maddenin aynadaki bir yansıması gibi olmalıdır, bütün herşey tersi yönde işlemelidir. Ama pratikte bu gerçek değildir, antimadde tam anlamıyla maddenin yansıması gibi değildir. Buna CP violation (ihlal) denir.

CP İhlali: CP simetrileri yükü ve uzaydaki konumu tersine dönen bir madde için fizik kanunlarının aynı kalması gerektiğini söyler ancak, bunun doğru olmadığı ortaya çıktı. Bir meson türü olan nötr Kaon parçacıklarının positron ve elektron bozunumları arasındaki eşitsizlik (pozitron bozunumunun daha fazla olması) bir CP ihlalidir. Bu ve benzeri bazı parçacıklarda eşitsizlikler, maddenin nasıl antimaddeye baskın geldiğini açıklamakta kullanılabilir.

ANTİPARÇACIKLARIN KEŞFİ

Antimadde terimi ilk olarak ingiliz fizikçi Sir Arthur Schuster tarafından 1898’de Nature dergisi için kaleme alınan bir makalede geçmektedir. Schuster atomların zıt özelliklere sahip eşdeğerleri olabileceğini, normal madde ile birbirlerini iteceklerini, hatta anti atomlardan yıldız sistemleri olabileceğini öne sürmüştür. Öne sürdüğü bu hipotez, eksiklerine rağmen bugünkü antimadde anlayışımızın temelini oluşturmuştur.

diracdenklemi

Ünlü devrimsel Dirac Denklemi…

Modern antimadde teorisi Paul Dirac tarafından 1928’de yazıldı. Dirac, Dirac Denklemi adı verilen teorisi ile quantum mekaniklerini (atomaltı dünyası), Einstein’ın özel göreliliği (çok büyük şeylerin dünyası) ile birleştirdi. Denklemi aynı zamanda hem elektronlar, hem de elektronların pozitif yüklü versiyonları (pozitronlar) ile geçerli bir şekilde çalışıyordu. Yani denklem pozitronları öngörüyordu. Böylece bütün parçacıkların karşıt yüklü bir antiparçacığı olabileceği ve antiparçacıkların bir araya gelerek antiatomlar ve antimadde oluşturabileceği hipotezi ortaya çıktı.

Dirac denklemi, aynı zamanda daha önce asla gözlemlenmemiş birşeyi öngören ilk denklem ünvanını da taşıyarak Dirac’a 31 yaşında Nobel ödülü kazandırdı.

Pozitron:
Doğada radyoaktif elementlerin beta bozunumları ve kozmik ışınların atmosferimize çarpışı sonucu ortaya çıkan pozitronları ilk gözlemleyen bilim insanları şunlardır: Sovyet fizikçisi Dmitri Skobeltsyn, 1929’da Wilson çemberi denen bir cihaz ile (kapalı bir ortamda süper doymuş su veya alkol buharı içeren parçacık dedektörü), kozmik ışınlardan kaynaklanan gamma radyasyonunu tespit etmeye çalışırken, elektronlar gibi hareket eden ancak manyetik bir alanda elektronların izleyeceği yolun tersini izleyen parçacıklar keşfetmişti. Aynı sene Çinli fizikçi Chung-Yao Chang da benzer bir gözlem yaparak elektron benzeri pozitif yüklü parçacıklar tespit etmişti. Ancak araştırmalarını bu konuda sürdürmedi.

1932’de Amerikalı fizikçi Carl D. Anderson benzer yöntemler ile bu parçacığı gözlemleyip tanımlayan ve araştırmalarını bu yönde sürdüren bir diğer bilim insanıdır. Anderson, elektronun tersi yüklü bu parçacığın tam tanımını yaparak Nobel ödülü kazanmıştır.

Pozitron, günümüzde beta bozunumlarının yanı sıra, parçacık hızlandırıcılarda ve Lawrance Livermore ulusal laboratuvarında yeni bir yöntem olan milimetre kalınlığında altın hedeflere lazer uygulanarak üretilmektedir.

Antiproton:
Negatif (-1) yüklü proton parçacıkları 1955’te California üniversitesinde fizikçiler Emilio Segrè ve Owen Chamberlain tarafından gözlemlenmiştir. İkiliye Nobel ödülü kazandıran antiprotonların normal protonlardan en büyük farkları, normal protonların tersi olan negatif elektrik yüküne ve tersi manyetik momente sahip olmalarıdır.

Normal protonların yapıtaşları iki adet up quark ve bir adet down quarktır. Antiprotonlar CERN ve Fermilab’de rutin olarak üretilmektedirler.

Antinötron:
Nötron yüksüzdür ve bir adet up quark, iki down quarktan oluşur. Antinötronda ise bu quarkların yerinde antiquarklar vardır. Antinötron, antiprotonun keşfinden bir yıl sonra 1956’da Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarları’nda Bruce Cork tarafından keşfedilmiştir. Elektrik yükü olmadığı için gözlemi zordur ve genellikle nötron-antinötron çarpışmaları sayesinde gözlemlenebilirler.

Majorana Fermion:
Konu antimade ise, yakın zamandaki keşiflerden bahsetmemek olmaz. Princeton üniversitesinde Ali Yazdani tarafından 1937’de İtalyan fizikçi Ettore Majorana’nın öngördüğü bir parçacık keşfedildi.

Kurşundan yapılmış bir süperiletken üzerine demir atomları yerleştirilen deneyde, normal olarak demir atomlarının manyetik alanlarının süperiletkenlere etki etmesi gerekirdi. Ancak deneyde demir atomları da süperiletken bir hal aldı (Elektronları hem manyetizma hem de süper iletkenlik özellikleri gösterecek şekilde spinlerini koordine ettiler).

Böylece elektronlardan biri normal elektron kalırken, diğeri pozitron özellikleri gösterdi. Sonuçta demir atomları Majorana parçacığı denen hem madde hem antimadde özellikleri taşıyan bir hal almış oldu. Bu parçacıklar süper iletkenler yakınında oluşmuş ve varlıklarını süper iletkenlerden uzakta sürdürememişlerdir.

MADDE – ANTİMADDE ÇARPIŞMASI

Bir elektron ve pozitronu çarpıştıralım. Ne olur acaba?

electron-positron_annihalation_2

Elektron ve anti parçacığı olan pozitronun çarpışması.

İki parçacık birbilerini yok ederek iki parça gamma ışını açığa çıkarırlar. Proton ve Antiproton çarpışması ise biraz daha faklıdır. Kompozit parçacıklar olan (normal+anti) protonlardaki karşıt quarkların bir kısmı birbirlerini imha ederken, geri kalanı kararsız mesonlar oluşturarak dağılır. Bu mesonlar da kısa sürede bozunurlar.

DOĞADA ANTİMADDE OLUŞUMU

Vücudunuzda antimadde üretimi yapıldığını biliyormuydunuz? Doğadaki bazı ufak ve bazı muazzam antimadde fabrikaları gibi vücudumuz da antiparçacıklar saçmaktadır.

Potasyum-40: Antimadde parçacık hızlandırıcılardan en akla hayale gelmeyen şeylere, örneğin muzlara ve insan vücuduna kadar her yerde açığa çıkabilmektedir.

Muzda bulunan Potasyum-40 izotopları, beta bozunumu geçirirken her 75 dakikada bir pozitron açığa çıkarırlar. Aynı potasyum-40 insan vücüdunda da bulunur ve aynı şekilde pozitron açığa çıkarmaktadır. Ancak merak etmeyin bu düşük miktarlar size zarar vermez. Radyoaktif maddeler ve geçirdikleri bozunumlar ile ilgili detaylı bilgi için bu yazımıza göz atabilirsiniz.

Fırtınalar: Fırtınalar yağmurlardan, dolulardan, sert rüzgarlardan ve yıldırımlardan daha fazlasını üretmektedir. NASA’nın yörüngedeki Fermi Gamma-Işını teleskobu hergün 500 adet TGF (terrestrial gamma-ray flash), yani dünyasal gamma ışını parlaması olayı gözlemlemekte. Bunlar güçlü fırtınaların tepelerindeki elektrik sahalarının, ışık hızına yakın hızlarda dikey olarak uzaya gönderdiği elektronların atmosferdeki diğer moleküller ile çarpışması sonucu ürettikleri gamma ışınlarıdır. Bu gamma ışınları o kadar kuvvetlidir ki, uzaya elektron ve pozitronlar (antielektron) saçarlar ve bu parçacıkların bizzat Fermi’ye çaptıkları tespit edilmiştir.

Kozmik ışınların atmosferimize çarpışı da çok düşük miktarlarda pozitron ve antiproton açığa çıkarmaktadır. Bunlar normal madde ile karşılaşana kadar Dünya’ya “yağarlar”. Çarpışmalar sırasında açığa çıkan parçacıkların bir kısmı da uzaya saçılarak manyetik alan tarafından hapsedilip Van Allen radyasyon kuşaklarında toplanırlar.

Devasa yıldızların geçirdiği çift-instabilitesi süpernovaları (Pair-Instability Supernova), çekirdekteki elektron ve pozitron çarpışmalarının artışıyla düşen radyasyon basıncının, yıldızın dış katmanlarını taşıyamaz hale gelmesiyle olur. Kendi ağırlığı ile çökmeye başlayan yıldızda füzyon reaksiyonları tepe noktasına ulaşır ve termonükleer bir patlama ile yıldız infilak ederek geriye bir karadelik ya da nötron yıldızı bırakmayacak şekilde dağılır.

X-Işını İkilileri (X-Ray Binaries): Maddenin bir yıldızdan (genellikle normal bir yıldız) diğerine “düştüğü” (genellikle bir kara delik, nötron yıldızı veya beyaz cüce) ikili yıldız sistemlerinde yüksek miktarlarda pozitron açığa çıkıp manyetik alanlar ile ışık hızına yakın hızlarda uzaya saçılmaktadırlar.

YAPAY ANTİMADDE ÜRETİMİ & KULLANIM ALANLARI

Antimadde Dünya üzerindeki en nadir, üretimi en zor ve en pahalı materyaldir. Altın ve Elmas gibi nadir ve değerli materyaller, antimadde yanında ancak çakıl taşı kadar değerlidirler. Üretim zorluğu ve yavaşlığı sebebiyle 1 gram antimaddenin şu anki değeri yaklaşık 62.5 trilyon dolara denk gelir. Antimaddeyi ikinci olarak gramı 27 milyon dolar ile Californium-252 elementi takip etmektedir. Eğer antimaddeyle gerçekten kıyaslayacak başka bir materyal arıyorsanız, bazı bilim insanlarının bir kaç karanlık madde parçacığı için Dünyayı teslim edebileceklerini söyleyebiliriz.

PET_1

Antimaddenin insan sağlığı alanındaki en yaygın kullanımı, PET tarama cihazlarıdır.

Antiparçacıklar nanogramdan daha düşük seviyelerde parçacık hızlandırıcılarda üretilebilmektedir. Daha da düşük seviyelerde ise, çeşitli radyoaktif elementlerin bozunum sonucu antiparçacıklar açığa çıkmaktadır. Keşfedilen ilk antiparçacık pozitron da bu şekilde keşfedilmiştir ve günümüzde bozunum sonucu ortaya çıkan pozitronların tıpta önemli bir kullanım alanı mevcuttur.

PET taramaları (Positron Emission Tomograph / Positron Emisyon Tomografisi): PET tarayıcıları elektronun karşıt parçacıkları olan pozitronları kullanır. Bu taramalarda dolaşım sistemine enjekte edilen Fluorine-18 gibi kısa ömürlü bir radyoaktif bir izotop, pozitron yayan bir bozunum geçirir. Bu pozitronlar dokuda 1mm gibi kısa bir mesafe kat ederler. Bu sürede kinetik enerjileri azalır ve sonunda bir elektron ile temas ederek birbirlerini yok edip, birbirinin aksi yönünde hareket eden gamma ışınları (yüksek enerjili fotonlar) oluştururlar. PET tarayıcısı aynı anda oluşup birbirlerinin aksi yönünde hareket eden bu gamma ışınlarını tespit ederek taranan bölgenin üç boyutlu bir resmini çıkartır.

PAS (Positron Annihilation Spectroscopy / Positron İmha Spektrokobisi): Deneysel bir cihaz olan PAS, materyal araştırmalarında kullanılmaktadır. Herhangi bir metal, süperiletken ya da polimer benzeri malzemeye gönderilen pozitronların, elektronlar ile çarpışıp gamma ışını üretmesiyle atomik seviyelerde materyal yapısı ve kusur analizi çalışmaları yapılabilmektedir.

Parçacık Hızlandırıcıları

Parçacık hızlandırıcıları, elektromanyetik alanlar yoluyla yüklü parçacıkları inanılmaz süratlere hızlandıran makinelerdir. Birçok kullanım alanları olsa da en önemlisi yüksek enerji fiziğidir. Dünya’da irili ufaklı 30.000’den fazla parçacık hızlandırıcı vardır ve bunların sadece 1%’i 1 GeV enerjisi üstündedir.

Not: Türkiye’de de bir parçacık hızlandırıcı kurulum çalışması uzun yıllardır devam ediyor. Temel eğitim düzeyinde (1 GeV altı) küçük bir parçacık hızlandırıcısının yapımını öngören projenin gidişatı hakkında bilgi almak için şu linki ziyaret edebilirsiniz.

Böylesi hızlandırıcılar çok yüksek yoğunluk ve ısılar ile parçacıkları çarpıştırarak Big Bang’in ilk anlarındaki ortamı oluşturmaya çalırken, maddeyi oluşturan temel parçacıkları açığa çıkarmaktadırlar. Kaba tabirle bir parçacık hızlandırıcısı ne kadar güçlü olursa, o kadar derinlere ineriz. Bazı insanların “tanrı parçacığı” keşfedildi hala daha neyi arıyorlar dediklerini biliyoruz. Ama daha keşfedecek, öğrenecek ve anlayacak çok fazla şey var. Planck seviyesi denen quantum kütleçekiminin güçlenip bilinen quantum alan teorisini darmadağın ettiği ve evrenin dört büyük gücünün birleştiğinin tahmin edildiği 1.22 × 10^19 GeV’luk enerji seviyelerine inmek için hayal edebileceğimizden güçlü hızlandırıcılar gerekmektedir. Bu enerji seviyeleri öyle güçlüdür ki, gerçektenden bir kara delik oluşturabilirler. Ancak korkmayın, böyle bir hızlandırıcı inşa etmek için Dünya’da yeterince yer yok. Tahmini boyutları Güneş çapının 10 katı (14 milyon km) olacaktır.

DESYhizlandirici7

Almanya’daki dev parçacık hızlandırıcı; DESY. 1959 yılında inşa edilen bu hızlandırıcı, Cern ve Fermilab’dan sonra yeryüzündeki en güçlü hızlandırıcılardan biridir.

Bizler, insanoğlu asla uçamaz, uzaya çıkamaz, Ay’a gidemez diyen kişilerin sadece bir nesil sonrasındaki zaman diliminde yaşıyoruz. Bugün imkansız denen şeylerin yarın da imkansız kalacağının garantisi verilemez. Gelecek nesillerin yapamayacağının ya da başka insanlık harici olası uygarlıkların yapamayacağının kesinlikle hiç bir garantisi yok.

Bilimsel araştırmalara önem veren bütün uygarlıkların en büyük ortak noktasının, belki de parçacık fiziği olduğunu keşfedebiliriz bir gün. Evrenin yapı taşlarını keşfetmek isteyen bütün zekaların temel yapı taşlarını açığa çıkarıp gözlemleyebilecekleri hızlandırıcılar yapmaları gerekecektir. Bu sebeple evrenin derinliklerini incelerken bizimkilerden daha büyük ve güçlü parçacık hızlandırıcıların açığa çıkarabileceği cinsten yoğun enerjiler keşfedebiliriz. Planck seviyelerini araştıracak bir hızlandırıcının açığa çıkaracağı enerji, zaman zaman bir pulsar gibi parlamasına sebep olacaktır.

Hızlandırıcılarda Antimadde Üretmek

Parçacık hızlandırıcılarından Fermilab’daki Tevatron, Brookhaven’daki RHIC ve CERN’deki LHC gibi büyük ve güçlü olanlar, hatırı sayılır miktarda (araştırmalara yetecek kadar) antimadde üretebilmektedir. Her yıl Fermilab Tevatron hızlandırıcısı ile 15 nanogram, Alman DESY hızlandırıcısı 2 nanogram ve CERN 1 nanogram miktarlarda üretmektedir.

CERN

CERN, dünyanın en büyük ve kapsamlı yüksek enerji fiziği araştırma tessislerinden biridir. 6 adet hızlandırıcı ve yavaşlatıcıya ev sahipliği yapar. Birçok farklı deneyin yürütüldüğü CERN’deki antimadde deneylerinden bahsedelim.

CERN’ün ana parçalarından “Proton Synchroton” hızlandırıcısı, proton ışınlarını bir metal bloğa ateşler. Çarpışmalar o kadar şiddetlidir ki, yaklaşık her bir milyon çarpışmada yeni proton ve antiproton çiftleri açığa çıkar. Antiprotonlar ışık hızına yakın hızlarda her yöne doğru saçılırlar. 2002’den beri “Antiproton Decelerator” (Antiproton Yavaşlatıcısı) denen yavaşlatıcı, bir dakikadan kısa süre içinde antiprotonları manyetik alanlar ile yönlendirip, elektrik alanları ile yavaşlatarak (“cooling” denen bir işlem) bu antiprotonları ışığın 10% süratlerine kadar düşürür. Bu işlem sonunda deneylerden kullanıma hazır olan antiprotonlar ACE, ATRAP, ASACUSA, ALPHA ve AEGIS deneylerine yönlendirilirler.

acedeneyi

CERN’deki ACE deneylerinin yapıldığı alandan bir fotoğraf.

ACE (Antiproton Cell Experiment): Antiprotonların biyolojik etkilerinin araştırıldığı bu projede, Dünya çapında 10 enstitüden gelen bilim insanları antiprotonlar ile kanser tedavisi üzerinde araştırmalar yapıyorlar. Özellikle insan vücuduna büyük hasar veren kemoterapiye kıyasla çok daha az zarar veren ve daha etkili olan tedavi yöntemleri umut vaadediyor.

ATRAP (The Antihydrogen Trap): Bu deneyde hidrojen atomları ve antihidrojen atomları arasında karşılaştırmalı gözlemler yapılıyor. Bir antihidrojen atomu yapmak oldukça zorludur. ATRAP ekibi antiprotonları pozitronlara tabi tutarak ikinci bir “cooling” işlemi uyguluyorlar. Böylece antiprotonlar daha da yavaşlarken bazıları birer pozitron kapıp antihirdojen atomu haline geliyorlar.

ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons): Bu deneyde antiproton içeren helyum (antiprotonic helium), (atom çekirdeği çevresinde iki elektron yerine bir elektron ve bir antiproton dönen hibrid madde-antimadde atomlar, antiprotonların negatif elektrik yükü taşımasıyla mümkün olabiliyor) ve antihidrojen atomlarının spektroskopi yoluyla eşdeğer madde ile karşılaştırmaları yapılıyor. Bunun yanında madde ve antimaddenin etkileşimleri de gözlemlenip antiprotonların elektronlara ve atom çekirdeklerine olan etkilerinin de gözlemleri yapılıyor.

ALPHA: Diğer bir deney takımı olan ALPHA’da antihidrojen atomları sentezleyip bunlar üzerinde yoğunlaşıyor.

AEGIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy): Son olarak bu deneyde ise, Dünya’nın kütleçekiminin antihidrojen atomları üzerindeki etkisi araştırılıyor. Özellikle bu deneyden biliyoruz ki, antimadde ve normal maddenin kütleçekimsel bir farkı yok. Antimaddede kütleçekimine normal madde gibi maruz kalıyor.

UZAYIN DERİNLİKLERİNDEN ANTİMADDE GÖZLEMLERİ

Gözlemlenebilir evrendeki neredeyse bütün herşey, bizim için normal olan madde tarafından oluşmuştur. Ancak istisnai durumlar söz konusudur. Antimadde sanıldığı kadar nadir değildir. Hatta antimadde yoğunluğu olan bölgeler tespit edilmiştir.

galactic_center_fermi

Samanyolu’nun merkezindeki antimadde yoğunluğunun diğer bölgelere göre fazla olduğu alan.

Madde ve antimaddeyi oluşturan parçacıklar çarpıştıklarında gamma ışınları ve değişken birçok parçacık açığa çıkararak birbirlerini yok ederler. Bu gamma ışınlarını tespit ederek, madde ve antimaddenin temas ettiği bu nadir bölgeleri bulabiliyoruz.

“Antimadde Bulutu”

1970’den beri varlığını bildiğimiz galaksi merkezi yakınlarında bir “antimadde bulutu” mevcuttur. Ancak terim sizi yanıltmasın burası antimadde dolu bir bölge değildir, sadece eser miktardaki antimadde, evrenin geri kalanına kıyasla bu bölgede biraz daha fazladır. Neredeyse 10.000 ışık yılı boyutlarında bir alana yayılan bu “bulut”, elektronların pozitronlar ile çarpışması sonucu açığa çıkan gamma ışınları ile tespit edilmiştir. Bu bölge Güneşimizin 10.000 katı kadar bir enerji saçmaktadır.

ESA’nın Integral uydusu yakın zamanda bu antimaddenin kaynağını keşfetti. Galaksi merkezi yakınlarında ki X-ışını ikilileri (bir karadelik ya da nötron yıldızı ve bu süper kütleli cismin çevresinde dönerken madde kaybetmekte olan normal bir yıldız).

ANTİMADDE ENERJİSİ

Madde – Antimadde çarpışmaları, sahip olabileceğimiz en yoğun ve en saf enerjiyi üretmektedir doğru. Gelecekte bir gün uzay gemilerinde roket olarak kullanılabilir. Enerji santralleri ile şehirlerimizi ve kolonilerimizi aydınlatabilir, bu da doğru. Ancak böyle şeyler için ihtiyaç duyacağımız antimadde miktarını üretmekten henüz çok uzağız.

İnsanoğlunun bu güne kadar ürettiği antimadde, şu anda sadece bir ampulü bir saniyeliğine aydınlatmaya yetecek miktardadır. Yeterli miktarda antimaddeyi üretmenin pratik bir yöntemini bulursak; parçacık fiziğinden, yıldızlar arası görevlere kadar bir alanda yeni imkanlar sunabilir bize. Ancak ne yazık ki bugün ve yakın gelecekte böyle imkanların sadece hayalini kurmak durumundayız.

Berkan Alptekin

 

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yazar Hakkında

Zafer Emecan

Bir astronomi işçisi. Kozmik Anafor’un kurucusu, her şeyi ve hiçbir şeyi. Alakasız üniversiteler bitirmiş olmasına rağmen, içinden atamadığı gökbilim sevgisini kaleme, klavyeye, araştırmalara dökmeye çalışan, haddini bilen, ama bazen aşan amatör bir bilimci.