Zaman ve Karşıtmadde

Zaman ve Karşıtmadde

Karşıt-maddenin ilginç bir özellliğini, 1965 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü Sin-Itiro Tomonaga ve Julian Schwinger ile paylaşan Amerikalı fizikçi Richard Feynman buldu. Feynman, antimaddelerin zaman içinde geriye doğru hareket ettiğini gösterdi. Bir antimadde, zaman içinde geriye doğru hareket ederken,özellikleri önemli ölçüde tersine çeviriliyordu. Örneğin bir elektron, negatif yüklü geçmişten geleceğe hareket ettiriyorsa,geriye doğru olan elektronun onu gelecekten geçmişten hareket ettirmesi gerekiyor. Bu aslında artı yüklü bir parçacığın davranışıdır; yani zaman içinde geriye doğru hareket eden bir elektron bize artı yüklü görünecektir. Feynman’a göre bir pozitron, zaman içinde geriye doğru hareket eden bir elektrondur,dolaysıyla madde ve antimadde arasında zaman tersinmesi ilişkisi vardır.

Feynman,Kuantum Elektrodinamiği'nde anlatıyor: “ Şimdi diğer bir olaya bakalım. Bir foton ve bir elektrondan başlayıp bir foton ve bir elektronla bitirelim. Bir foton,bir elektron tarafından soğurulur,elektron biraz ilerler ve yeni bir foton ortaya çıkar. Bu sürece ışığın saçılması denilir. Burada özgün oluşlar söz konusudur. Örneğin,elektron foton soğurmadan önce diğerini salabilir. Daha da acayibi elektronun bir foton salıp,sonra zamanda geri giderek bir başka fotonu soğurarak zamanda yeniden ilerlemisidir. Böylesine “geriye doğru giden” elektronun yolu,laboratuvarda yapılan bir deneyde,gerçekmiş gibi görülebilecek kadar uzun olabilir. Geri giden bir elektron,ilerleyen zaman içinde gözlendiğinde olağan bir elektron gibi görünür;yalnız bu elektron olağan elektronlara doğru çekilir- dolaysıyla buna “artı yüklü” deriz. Bu tür elektrona pozitron denir. Pozitron,elektronun kardeş parçacığı ve bir “karşıt-parçacık” örneğidir. Dirac,”karşıt-elektroların” gerçekliğini 1931’de önerdi. Ertesi yıl Carl Anderson bunları deneysel olarak buldu ve onlara “pozitron” adını verdi. Bugün pozitronlar kolaylıkla yapılabilmekte (örneğin iki fotonun birbiriyle çarpıştırılmasıyla) ve haftalarca bir manyetik alanda saklanabilmektedir.

Bu olgu,yani karşıtparçacık olgusu, geneldir. Doğadaki her taneciğin zamanda ileri gitmek için bir genliği, dolaysıyla bir karşıt parçacığı vardır. Bir parçacık kendi karşıtıyla karşılaştığında birbirilerini yok ederek başka parçacıklar yaratır. Pozitron ve elektronların yok olmasından genellikle bir veya iki foton çıkar. Peki fotonların durumu nedir? Fotonlar zamanda ters yöne gittiklerinde,daha önce de görmüş olduğumuz gibi, her bakımdan aynı görünürler;dolaysıyla fotonlar kendi kendilerinin karşıt parçacıklarıdır. Gördünüz mü ayrıcalığı, kuralın parçası yapmakla zekamızı nasıl gösteriyoruz? Biz zamanda ileri giderken bu geri giden elektronun neye benzediğini size göstermek isterim. Elektron ile zıt yönde giden foton belli bir anda birdenbire iki parçacığa ayrılıyor: bir pozitron ve bir elektron. Pozitronun ömrü fazla değildir:hemen bir elektrona rastlar ve bunlar yok olarak yeni bir foton yaratırlar. Bu arada baştaki fotonun daha önce yaratmış olduğu elektron da uzayzamanda yoluna devam eder.

Değişmiş Görüntüler: Aynadaki Çatlak

Dirac ve Feynman’ın antimadde tanımlarında, antiparçacığın özellikleri ona karşılık gelen parçacıklar tarafından, tıpkı bir maddenin aynadaki yansıma görüntüsünü belirlediği gibi belirlenir. Madde ve antimadde arasındaki bu ilişki simetri dönüşümüne bir örnektir: Bir parçcacık bir antiparçacığa yükünün işaretini, spin ve kuantum sayılarını değiştirerek veya zamanı tersine çevirererk dönüşür. Kuram ayrıca, bir aynanın, bizim hareketlerimizi yansıtması gibi, antiparçacık tepkimelerinin herhangi bir parçacık tepkimelerini yansıttığını söylüyor.

Oysa deneylere göre bu her zaman doğru değildi. Yüksüz kaon adı verilen bir parçacığın bozunumu madde ile antimadde arasında bir asimetri olduğunu gösteriyor. Bu da antimadde yansımsında bozukluk olduğunu kanıtlıyor. Bu ilginç sonuç, kaonun geçmiş ile geleceği ayırt edebildiğini (çünkü antimadde tepkimeleri, zaman içinde geriye doğru hareket eden madde tepkimelerine denk geliyor) gösteriyor. Yani makroskopik yönde görünen günlük yaşamdan bildiğimiz tersinmezliğe (bir bardağı kırmak,onu kırık parçalarından yeniden oluşturmaktan daha kolaydır) ek olarak bir de atomaltı zaman yönü var.

Antimadde ve Günümüz Teknolojisi

Antimaddenin, günümüz modern teknolojisinde anahtar rolü oynuyor. Tıpta, Pozitron Salma Tomografisi (PET) taramaları, beyin ve kalp fonksiyonlarının saptanmasında kullanılıyor. Hastaya pozitron yayan radyoaktif madde enjekte ediliyor. Pozitrolar, yakındaki elektronlarla biraraya gelince parçacıklar yok oluyor ve bir gama ışını oluşuruyorlar ve bu ışın PET tarayıcısı tarafından algılanıp organların görüntülenmesinde kullanılıyor. Daha büyük ölçekte,fizikçiler her saat milyarlarca antiparçacık oluşturup bunları parçacık hızlandırıcılarındaki deneylerinde kullanıyorlar. En güçlü hızlandırıcılarından biri Cenevre yakınlarındaki Avrupa parçacık fiziği merkezi CERN’de bulunan LEP(Large Electron Positron Collider) elektron ve pozitron demetlerini yeraltında bulunan 27 km uzunluğunda bir halka boyunca birbirine zıt yöndü hızlandırıyor. Her elektron ve pozitron saniyede yaklaşık 11 000 kez halkayı dolanıyor ve birbiriyle çarpışıp yok olunca,ilk enerjileri bir çeşit ağır elektron olan muon gibi yeni parçacıklar oluşturmaya yarıyor. Bu hızlandırıcıdan başka Fermi Ulusal Laboratuvarındaki (Fermilab) Tevatron gibi proton-antiproton çarpıştırıcıları da var.

CERN gibi hızlandırıcılarda kullanılan pozitron ve antiproton gibi parçacıkların kendileri de hızlandırıcılarda oluşturuluyor. Eğer bir proton demeti,tipik olarak lityum gibi hafif bir metalden yapılan sabit bir hedefe çarparsa protonlar arası çarpışmalar olur. Eğer çarpışma enerjisi yeterince büyükse,başlangıçtaki kinetik enerjinin bir kısmı yeni parçacıklara dönüşecektir. Korunum yasaları (yük ve lepton sayısı korunum yasaları gibi) madde ve antimaddenin eşit miktarlarda oluşacağını söylüyor.

CERN’deki hızlandırıcıda 1 milyar voltluk gerilim altında,hızlandırılan tek bir yüklü parçacığa aktarılan enerjiye sahip protonlar,sabit bir hedefe çarptırılıyorlar ve antiprotonlar çarpışma kalıntıları arasından toplanıp inceleniyor…Bu çarpışmalarda yaratılan parçacıklar arasında ilginç madde-antimadde melezlerine rastlamak mümkün.Elektron ve pozitron biraraya geldiğinde mutlaka birbirlerini yok etmeleri gerekmiyor. Birisi diğerinin yörüngesine girerek daha çok hidrojene benzeyen ve pozitronyum adı verilen bir pseudo-atom (sözde atom) oluşturabilir. Eğer elektron ve pozitronun spinleri antiparalel (toplam spin sıfır) ise,bu pozitronyumun 8 nanosaniyelik bir ömrü vardır. Eğer spinleri paralel ise (toplam spin 1),7 mikrosaniyeye yakın bir ömrü olur. Aradaki farkın nedeni,spih sıfır durumu bir çift fotona bozunabilirken (her bir spin 1 değerinde),spin-1 durumundaki momentum ve açısal momentumunu korumak için en az 3 fotona bozunmak zorundadır ki bu çeşit bozunmalara daha az rastlanıyor.

Antihidrojen Yapılması

Hidrojen dediğimiz en basit atom, bir proton ve bir elektrondan oluşur. Proton, foton alışverişiyle elektronu yakın çevresinde dans ettirerek tutar(Feynman,Kuantum Elektrodinaliği, s: 104) Birden fazla proton ve bunlara karşılık gelen eşit sayıda elektron içeren atomlar ışığı da saçarlar,havadaki atomlar Güneş’ten gelen ışığı saçarak gökyüzünün mavi rengini verirler.

Bir diğer madde-antimadde melezi ise yüksüz pionlardır. Bu, pozitronyuma benzer bir şekilde gama ışınlarına bozunan mezondur(kuark-antikuark çifti) ve bu bozunmanın ömrü 10–15 saniyedir. Bu süre,pozitronyumunkine göre çok daha kısadır,çünkü kuarkları,dört temel kuvvetten biri olan güçlü kuvvetler birarada tutar. Birbirlerine yakın oldukları için kısa bir süre içerisinde birbirlerini yok etme şansları yüksektir.

Antiatomu yaratırken yaşanan sorunlar gözönüne alındığında,madde-antimadde melezlerini yaratmak daha kolay geliyor. Madde dünyası nasıl kararlı elementlerin olmasına izin veriyorsa,antimadde dünyası da anti-periyodik tabloyu(antihidrojen,antihelyum vb) içeriyor. CERN’deki fizikçiler,1996 başlarında az sayıda antihidrojen atomu yaratmayı başardılar. 3 haftalık süre içerisinde 9 antihidrojen atomu oluşturdular ve her biri; maddeyle çarpışıp oluştukları noktanın 10 metre uzağında birbirlerini yoketmeden önce yaklaşık 40 nanosaniye yaşadılar.

Peki bir pozitron antiprotonun yörüngesine nasıl sokulabilir? CERN’de kullanılan yöntem ilke olarak basit. Önce proton-proton çarpışmasından arta kalan artıklardan antiprotonlar elde edilyor. Daha sonra bunlar,yüksek hızda dolanması için çembersel hızlandırıcılara gönderiliyor. Her yörüngede bir (saniyede 3 milyon kere) demet ksenon gazından geçiriliyor.Antiproton enerjisinin bir kısmı elektron-pozitron çiftine dönüşüyor ve çok nadiren pozitronlardan biri antiproton hızında ışın demetinin yönünde oradan uzaklaşıyor. Bu pozitronlardan biri herhangibir antiproton tarafından yakalanırsa bir anti hidrojen atomu oluşuyor.

Fermilab’daki araştırmacılar da artık antihidrojen atomu üretiyorlar ve 1997 sonuna kadar bikaç yüz tane oluşturmayı umut ediyorlar.

Bize yakın galaksilerde çok az antimadde olduğu görünüyor. Hızlandırıcılarda ve yüksek kozmik ışınlarla yaratılan antimadde parçacıkları dışında evren sanki yalnızca maddeden oluşuyor.Acaba bizim gözleyemediğimiz antimadde galaksileri var mı? 15 milyar yıl önceki büyük patlama sırasında madde ve antimadde oranı neydi? Antiatomlar “yukarıya” mı düşer kendi kütleçekim alanına göre? Bunlar,bilim adamlarının üzerinde çalıştığı kimi sorular.

(Adams, S. New Scientist,15 Şubat 1997,Çeviren: Alkım Özaygen, Bilim ve Teknik, 355.sayı,s: 26-29)

Anti-Madde ve Simetri

Son Söz:

Bu bölümü Feza Gürsey’in sözleriyle bitiriyorum:

” İlim babında en kötü falcılar ilim adamlarıdır. Gene de şahsi bir tahminimi ortaya atayım: Antimaddenin yok oluşundan açığa çıkan müthiş enerjileri kullanacak yeni tip süper reaktörler yapmak ilerde mümkün olabilir. Herhalde şüphemiz olmasın ki bugünden yüksek enerji fiziğinde üstün olanlar,yarın,hayalimizin dahi almadığı teknolojik gelişmelerle yer yüzünü değiştireceklerdir.”

Kaynakça

1.Albert Einstein, Çev:Cemal Yıldırım, Bilgi 1999

2.Alpat,Behçet;Kayıp Antimaddenin Peşinde,Bilim ve Teknik,Ocak 1998,362.sayı

3.Beiser,Arthur,Çağdaş Fiziğin Kavramları,s: 452).

4. Bilim ve Teknik, Haziran 1992

5.Feynman,Kuantum Elektrodinamiği, Çev: Ömür Akyüz, Nar yayınları

6.Maddenin Son Yapıtaşları s: 73)

7.Pagels, Henri, Kozmik Kod II,s:59

8.Lederman,Leon,Tanrı Parçacığı, s: 208-209,

9. Nambu,Y.,Kuarklar(1985), Çeviren: Zülal Kılıç,Sarmal y(1994)

Halpern, Paul,Evrenin Sırları,Sarmal y,s:117-119)

9.Omnes, RolandEvren ve Dönüşümleri, Onur y. s:83-87)

10. Serway, Raymond A.,Fizik-3 ,Çeviri editörü: Kemal Çolakoğlu, Palme Yayıncılık-1996

11.Feynman, Richard, FYÜ TÜBİTAK Y, (1995) s: 199-201)

12. Reeves, Hubertİ, lk Saniye,YKY,s:29-31)

13. Osman Demircan-Gözde Bayer,Güneş Sistemi, Doruk y s: 35-36)

19.Weinberg, S.,Atomaltı Parçacıklar s:187