Anti-madde
(Kaynak: symmetrymagazine.org)
Bu sorunun cevabı, spacedaily.com’da, 22 Mayıs 2017 tarihinde verilmiş…!
Avustralya Ulusal Üniversitesinin (Australian National University-ANU) liderlik ettiği bir uluslararası astrofizikçi grubu, Samanyolu Gökadasında mevcut olan anti-maddenin nasıl oluştuğunu açıklayacak bilgiyi elde etmiş…
Bilim insanları “anti-madde”nin bilinen maddeyi oluşturan parçacıkların “karşı” (anti) parçacıklarından oluştuğunu ileri sürmekte… Anti-madde, bilinen normal madde ile karşılaşınca, gama-ışını salan bir enerji patlaması yaşanmakta; her iki madde birlikte yok olmakta…!
Bir elektron ve bir pozitron (anti-elektron) birbiriyle çarpıştığında iki adet foton ışıması yaparak birbirini yok eder… Bilim insanları, bugüne kadar, ayna-yansıması hidrojen” (positronium) adı verilen elektron-pozitron çiftini (pozitronun etrafında dolanan elektron ?) ve “anti-helyumu” deney ortamında üretebildi…
Anti-maddenin var olabileceğini, ilk olarak, İngiliz Teorik Fizikçi Paul Dirac, 1928’de tanıttığı denklemlerinde ileri sürdü…! Amerikalı (deneyci) bilim insanı Carl Anderson, dört yıl sonra, kozmik ışınlar içinde pozitronu keşfetti…
Bilim insanları, 1970’ten beri, Samanyolu Gökadasının iç bölgelerinde gözlenen kuvvetli gama-ışını kaynaklarını anti-maddenin varlığına bir işaret olarak görmekteydi… Ancak, anti-maddenin nereden geldiği (nasıl sentezlendiği) hususunda bir görüş birliği yoktu…
ANU araştırmacısı Dr. Roland Crocker liderliğindeki araştırma grubu, belirlenen anti-madde’nin yıllarca devam eden bir süreçte gerçekleşen, Beyaz Cüce birleşmeleri (convergence) sebebiyle meydana gelen zayıf “süpernova patlamaları” tarafından sentezlendiğini ileri sürdü…! (Beyaz Cüceler… patlayan küçük yıldız kalıntıları…)
Dr. Crocker’in yaptığı açıklamaya göre, Samanyolu’nun merkezindeki çok büyük kütleli bir Kara Delik ve varolduğu düşünülen Kara Madde (Dark Matter) anti-madde yaratan kaynak olmada adaylığını kaybetmiş durumda…
Bu araştırma grubuna göre, çarpışan Beyaz Cüce ikilisi (binary system) bu anti-maddenin kaynağı… İkili yıldız sistemlerinde, küçük yıldız, sahip olduğu maddenin önemli bir kısmını sistemin büyük yıldızına kaptırarak, Helyumdan oluşan bir Beyaz Cüceye dönüşür… Daha büyük yıldız ise, Karbon ve Oksijence zengin Beyaz Cüceye dönüşür…ikinci ve yeni yaşamına başlar…!
Birbiri etrafında dolanan Beyaz Cüceler gravitasyon dalgaları yayımlarken (bu konu bilim insanlarınca yeterince açıklanamamakla birlikte !) enerji kaybeder… Bu sebeple, birbirlerine bir spiral yörünge izleyerek yaklaşırlar…Yeterince yaklaşınca, büyük yıldız küçük yıldızın parçalanmasına sebep olur… Küçük yıldızdaki Helyum büyük yıldızın etrafını gazdan bir kabuk gibi sarar…Takiben, meydana gelen bir termonükleer patlama (thermonuclear supernova) anti-maddeyi sentezler…!
Anti-madde, bir çok “bilim-kugu” (science fiction) sinema/tv filmine de konu olmakta… Anti-madde bombaları… Anti-madde itkisiyle ışık hızından daha yüksek hızlarla seyahat eden uzay araçları…
İnsanlık için değerli ve faydalı olabildiğini izlediğimiz, tüm bu bilim-kurgu sunumların yanında, bilim insanları, anti-maddenin gerçek yüzüne de ışık tutmakta… Anti-madde parçacıkları, normal madde parçacıklarına çok benzer olmakla birlikte, zıt elektrik yükü taşımakta…zıt yönde dönmekte (spin)…
Bilim insanlarına göre, Evrende, Büyük Patlamayı (Big Bang) takiben, normal maddenin ve anti-maddenin eşit miktarda yaratılmamış olması bugünkü varlığımızın sebebi…! Algılayabildiğimiz Evrenin bir “eşitsizlik” üzerine bina edilmiş olması, bir açıdan, mizahi/ironik bir durum… (Bizler, hâlâ, belki de hiçbir zaman var olmayacak bir eşitliğin peşinden koşmaktayız…!)
Astrofizikçilere göre, Büyük Patlamayı takiben, Evrende, ortaya çıkan her bir milyar madde-anti madde çifti parçacığına ilave olarak bir madde parçacığı daha yaratıldı… Kısaca, biraz, “asimetrik” bir durum…!
Bilim insanları, kozmik ışınlar ve yüksek enerjili parçacıklar olarak, anti-maddenin, az miktarda da olsa (metrekareye 1-100 parçacık), Dünya atmosferine sürekli olarak yağmakta olduğunu düşünüyor… Ayrıca, anti-maddenin fırtına bulutları (thunderstorm) üzerinde oluştuğu hususunda gözlemler de yapıldı…
Daha da ilginci, muzun her yetmişbeş dakikada bir, bir “Pozitron” salarak, anti-madde ürettiğinin belirlenmiş olması…! Muzlar bunu, az miktarda içerdikleri, doğal izotop Potasyum-40 sayesinde gerçekleştirir… Potasyum-40 bozunurken, bu süreçte, zaman zaman, pozitron açığa çıkarır (spit out)… (Muz yedikten sonra bir “rahatlama” hisstmeniz bu yüzden…!)
Araştırmacılar, Potasyum-40 içeren insan vücudunun da pozitron yayımladığını söylüyor…! Ancak, bu parçacıklar çok kısa-ömürlü…
Fermilab’daki parçacık hızlandırıcısı Tevatron’da üretilen anti-madde sadece 15 nanogram kadar… CERN’de üretilen ise bir nanogram kadar… Almanya’daki DESY hızlandırıcısında da iki nanogram kadar pozitron üretildi…
Araştırmacılar, bunların normal madde parçacıkları ile birleşmesiyle ortaya çıkacak ısının bir fincan kahveyi kaynatmaya ancak yeteceğini hesaplıyor…!
Kısaca, bir gram anti-madde üretmek için harcanması gereken enerjinin maliyeti, bilim-araştırma dünyasının karşılayamayacağı kadar çok yüksek… Bu sebeple, uzaylılar dahil, birilerinin anti-madde üreterek Dünyayı yok etme şansı pek yok…!
Anti-maddeyi inceleyebilmek için bilim insanlarının önündeki problem, onun normal madde ile temas ederek yok olmasının önlenebilmesi… Pozitron, anti-proton gibi elektrik yüklü anti-madde parçacıklarını normal madde ile temas etmeden elde tutabilmenin bir yolu “Penning Tuzakları” (Penning Traps)… Küçük birer parça hızlandırıcı ile kıyaslanabilir olan bu ekipman, içinde oluşturulan elektrik ve manyetik alanlar sayesinde, anti-madde parçacıklarının ekipmanın duvarına temas etmeden dolanmasını sağlar…
Ancak, Penning Tuzakları “Anti-hidrojen” gibi, manyetik alanlardan etkilenmeyen, nötr parçacıklar için bu görevi yapamaz…! Bunlar için çözüm ise “Loffe Tuzakları”dır (Loffe Traps) … Bu parçacıklar tuzağın içinde, manyetik alanın en zayıf olduğu bölgede toplanır…
Araştırmacılar, Dünyanın manyetik alanının da anti-madde tuzağı olarak görev yapabildiğini belirledi… Dünyayı saran Van Allen radyasyon kuşakları içinde anti-protonların varlığı belirlendi…
Anti-madde ve madde parçacıklarının kütleleri aynı olmakla birlikte elektrik yükü ve dönme yönü (spin) açısından farklılık gösterir…
Atom-altı parçacıklarının Standart Modeline göre, kütleçekiminin madde ve anti-madde parçacıkları üzerine aynı etkiyi göstermesi gerekir… Ancak, bu durum bugüne kadar doğrulanamadı…! Bunun sebebi, üzerinde deney yapılacak anti-maddenin bir tuzak içinde kolayca tutulamaması, yavaşlatılması amacıyla mutlak sıcaklığa yakın bir noktada tutulamaması…
Bilim insanları, neredeyse kütlesiz ve elektrik yüksüz olan ve madde ile nadiren etkileşen “Nötrino”ların, kendi kendinin anti-parçacığı varsayılan (hypothetical) bir sınıf olan “Majorana parçacıkları” olabileceğini düşünüyor…! Bilim insanları, “nötrinosuz çifte beta bozunması” (neutrinoless double-beta decay) gibi deneylerle bu görüşü doğrulamaya çalışıyor…
Bazı radyoaktif atom çekirdekleri, iki elektron ve iki nötrino açığa çıkararak, peşpeşe bozunur… Eğer nötrinolar kendi anti-parçacıkları ise, ikili bozunmada kendi kendilerini yok etmeleri ve araştırmacıların sadece elektronları gözlemesi gerekir…
Bilim insanları Majorana Nötrinoların ağır veya hafif olarak ortaya çıkabileceklerini öngörmekte… Hafif olanlarını bugün gözlemek mümkün olmakla birlikte, ağır olanların ancak Büyük Patlamadan hemen sonra ortaya çıkmış olabileceği düşünülüyor…
Bilim insanları, Majorana Nötrinoların asimetrik olarak bozunabileceğini varsayarak, bugünkü Evreni oluşturan “madde kırıntısı fazlalığı”nın bugünkü Evrenin var olmasını mümkün kıldığını düşünüyor…
Fizikçilere göre, Majorana Nötrinoların “hafif” veya “ağır” tipte mevcut olmaları mümkün… “hafif tiptekiler” bugün mevcut olanlar… “Ağır tipte” olanları ise, ancak, Büyük Patlamadan hemen sonra var olabildi…! Bu “ağır” Nötrinoların, ancak, asimetrik olarak bozunmaları mümkündü… Bu bozunma sürecinden geriye kalan “artık” Nötrinolar bugünkü madde-Evreninin (ve bizlerin) oluşmasını mümkün kıldı…!
“Majarona Fermiyon”lar (Majarona Parçacıklar)… aynı zamanda, kendisinin anti-parçacığı da olan, atom-altı parçacıklar…!
Bu türde parçacıkların varolabileceği, 1937’de, bilim insanı Ettore Majarona tarafından ileri sürülmüş… Bu sözcük/terim, kendisinin anti-parçacığı olmayan Dirac Fermion’un zıddını ifade etmek için de kullanılmış !
Nötrino hariç olmak üzere, atom-altı parçacıkların Standart Modelindeki tüm fermiyonlar, düşük enerji seviyelerinde (elektro-zayıf simetri kırılmasından sonra) Dirac Fermiyonları gibi davranmakta…
Bilim insanları, Nötrino’nun karakterinin Dirac veya Majarona türünde olup olmadığını henüz belirleyemedi… Parçacıkların ve anti-parçacıkların elektrik yüklerinin mevcut olduğu dikkate alındığında, Majorana Fermiyonların yüksüz (zero charge) olacakları varsayılıyor…
Bilim insanları, “nötrinosuz çift beta-bozunması”nı, ortaya çıkan nötrino ve anti-nötrinonun birbirini hemen yok etmesi varsayımıyla açıklamakta…
Bilim insanları, nötrino kütlesinin çok küçük olmasını onun Majorana Fermiyon olmasıyla açıklamakta… Kaynak yazıda, Majorana Fermiyonların ilk “tunneling” deneylerinden beri, süperiletkenlerde, quasi-parçacıklar (Bogoliubov quasiparticles) olarak, gözlendiği söyleniyor…
Majorana Fermiyonlarının katı-durumdaki (sold state) malzeme içinde mevcut olduğu, deneysel olarak, Oak Ridge National Laboratory /Max Planck Institute araştırmacıları tarafından 4 Nisan 2016 tarihinde gösterildi…!
Anti-madde parçacıkları, bugün, tıpta da kullanılmakta… PET (positron emission tomography) insan vücudunun ayrıntılı görüntüsü için pozitronları kullanır… Muzda olduğu gibi, insan vücudu tarafından doğal olarak kullanılan glükoz (glucose) gibi maddelere bağlanan, pozitron ışıyan radyoaktif izotoplar kan damarına enjekte edildiğinde, açığa çıkan pozitronlar vücut içindeki elektronlarla karşılaştığında yok olur (annihilate)… Bu yok olma sürecinde ortaya çıkan gama ışınları insan vücudunun incelenen bölgesinin görüntülerinin oluşturulmasını sağlar…
Bilim insanları, Büyük Patlamadan hemen sonra ortaya çıkan anti-madde/madde asimetrisi problemini çözmek için, Büyük Patlamadan sonra, arta kalan anti-maddeyi araştırarak anlamaya çalışmakta…
Uluslararası Uzay istasyonunda bulunan Alfa manyetik Spektrometre (Alpha Magnetic Spectrometer-AMS) bu anti-madde parçacıklarını araştırmakta… AMS, içinden geçen kozmik ışınlar içindeki madde ve anti-maddeyi birbirinden ayırmak için manyetik alanları kullanmakta… Kozmik ışın çarpışmaları pozitron ve anti-proton parçacıklarını rutin olarak üretmekle birlikte, bir anti-helyum atomunun üretilme olasılığının, gerektirdiği çok yüksek enerji seviyesi sebebiyle, aşırı derecede düşük olduğu hesaplanıyor…! Bilim insanları, bu sebeple, bir adet anti-helyum çekirdeğinin gözlenmesinin (belirlenmesinin) bile, Evrenin herhangi bir yerinde, çok miktarda anti-maddenin mevcut olduğunun düşünülmesini mümkün kılacağını söylüyor…!
Bilim insanları, madde/anti-madde birleşmesiyle çok yüksek seviyede enerjinin açığa çıkacağı gerçeğinden hareketle, “anti-madde roketi” ile itiş gücü sağlamanın uzay yoculuklarında kullanılabileceğini düşünüyor… Bugün, ana sorun, yeterli miktardaki “anti-madde”nin ekonomik olarak üretilebilmesinde / toplanabilmesinde…
Yararlanılan Kaynaklar:
http://www.symmetrymagazine.org/article/april-2015/ten-things-you-might-not-know-about-antimatter
https://www.newscientist.com/round-up/antimatter-mysteries/
https://www.wikiwand.com/en/Majorana_fermion
