Kayıp antimadde gizemi

Evrenin varlığını, daha doğrusu varlığımızı, erken dönem evreninde gerçekleşen madde-antimadde asimetrisine borçlu olduğumuzu biliyoruz.

Ama bunun nedenini henüz anlayabilmiş değiliz.

Antimadde, evrenimizi oluşturan normal maddenin karşıtıdır. Normal madde proton, nötron veya elektron gibi parçacıklardan oluşurken bunların karşıt maddeleri aynı kütleye ve özelliklere sahip, ancak elektrik yükleri zıt parçacıklardır. Bunlar sırasıyla antiprotonlar, antinötronlar ve pozitronlar olarak tanımlıdırlar.

Bizim kabul gören evren hikayemiz 13.78 milyar yıl önce bir noktadan enerji fışkırması ile başlıyor. Başlangıçta aşırı sıcak olan evren, genişleyerek soğuyor ve soğudukça saf enerji parçacıklarından madde-antimadde çiftleri oluşuyor.

Buna göre madde ve antimadde çiftler halinde bulunmakta; bir başka deyişle madde kadar karşıtı olan antimadde parçacığı olması gerekiyor.

Ama öyle olmuyor. Evren genişlemesini sürdürürken soğumaya devam ediyor ve bu kez madde parçacıkları, karşıtları olan antimadde parçacıkları ile birleşerek fotona dönüşüyorlar.

Madde-antimadde parçacıkları birleşmesi ile evrenin bir foton denizine dönüşmesi gerekirken geride bir miktar madde parçacığı kalıyor ve onlar da günümüz evrenini yaratıyorlar.

Sorun şu: Eğer madde-antimadde çiftler olarak oluşuyor ve eşit miktardaysa kayıp antimadde parçacığı nerededir? Ya da bu asimetrinin temel nedeni nedir?

Bilim insanları bu asimetrinin oluşumunda CP simetrisi ihlalinin önemli bir rolü olabileceğini düşünüyorlar.

CPT simetrisi

CP (Charge- Parity) ya da genel olarak söylemek gerekirse CPT (Charge- Parity- Time) simetrisi, temel düzeyde doğanın bir tam simetrisi olduğunu ifade eder.

Erken evrendeki antimadde gizemini araştıran bilim insanları, madde-antimadde oranındaki bu asimetrinin "yük simetrisi"ni ihlal ettiğini öne sürüyorlar. 

Bu ihlalin nedenini de atomaltı parçacıkların bozunumlarında arıyorlar.

Bizim maddesel evrenimizde iki tür yüklü parçacık bulunuyor. Bunlar atomik yapıyı oluşturan negatif yüklü elektronlar ve atom çekirdeğinin temel bileşeni pozitif yüklü protonlar. Kütleleri çok farklı olmasına karşın bu iki parçacık ters işaretli ama eşit yüklere sahip. Atom çekirdeğinde bulunan nötronlar ise yüksüz ancak kütlesel olarak en büyükleri.

Peki bu atomaltı parçacıklar kararlı mıdır, yani bozunmazlar mı?

Biliyoruz ki, korunum yasaları nedeniyle bir parçacık yalnızca kendisinden daha hafif parçacıklara bozunabilir. Ancak bu süreçte elektrik yükünün de korunması gerekir.

Atomaltı parçacıklar içinde en büyük kütleye sahip olan nötronlar, evrenimizdeki maddeyi oluşturan kararlı atomların çekirdeğinde milyarlarca yıl ve daha uzun süre kalırlar. Ancak nötronlar serbest kaldıklarında, korunum yasalarına uygun şekilde bozunarak protonlara ve diğer parçacıklara dönüşürler. Ömürleri yalnızca 15 dakika kadar sürer.

Elektronlar ölümsüz mü?

Ancak proton ve elektronlarda durum farklıdır. Bu parçacıkların kendilerinden daha küçük bir parçacığa bozunması halinde yük korunumu ihlal edilir.

Örneğin, olağanüstü küçük bir parçacık olan elektron kuramsal olarak bir foton ve bir nötrinoya dönüşebilir. Ancak kütleleri elektrondan daha düşük olan tüm parçacıkların elektrik yükü olmadığından herhangi bir varsayımsal bozunma işlemi sırasında elektronun yükü kaybolmak zorundadır. 

Bu durumda, "yük korunumu" ilkesi ihlal edilmiş olacaktır. 

Elektronun ömrüne ilişkin şimdiye kadar yapılan çalışmalarda ulaşılan en iyi sonuç elektronun yaşının muhtemelen 66.000 yotta yılı (6.6 × 10 28 yıl) dolayında olacağını gösteriyor ki bu da evrenin şu anki yaşının (13,78 milyar yıl) yaklaşık beş kentilyon katıdır. 

Bu sonuca göre, elektron için asla bozunmayacak temel bir parçacık demek çok zor değil. 

Öte yandan bazı deney sonuçlarına göre, serbest halde bir proton ömrünün de yaklaşık 10 34 yıldan fazla olması gerektiği öngörülüyor. (Burada 10 34, 1'in ardından 34 sıfır konulduğunda ortaya çıkan sayıdır.)

Yani bir protonun ömrü için de sonsuzdur demek mümkün!

Anti madde parçacıkları

Madde ve antimadde, yük ve ayna simetrisine sahiptirler.

Bilim insanları, erken evrendeki simetri ihlalinin antimadde parçacıklarının bozunumundan kaynaklanabileceği varsayımıyla araştırmalarını sürdürdüler.

Protonlar ve antiprotonlar arasındaki farkı test etmek amacıyla, yaklaşık 6500 madde-antimadde çiftini incelediler ve elektrik yükün kütleye oranını araştırdılar. 

Biliyorsunuz, antimadde ve normal madde ne zaman karşılaşsa, bir enerji patlaması ile yok olurlar. Bu nedenle olası bir teması önlemek için araştırmacılar protonları ve antiprotonları manyetik alanlara hapsettiler. Daha sonra, bu parçacıkların manyetik alan içindeki döngüsel hareketlerinden yola çıkarak parçacıkların yük-kütle oranını ölçtüler; ancak anlamlı bir fark saptayamadılar.

Ağustos 2015'te açıklanan çalışmanın sonuçları, madde ve antimadde arasında kayda değer bir fark olmadığı, birbirlerinin ayna görüntüsü olduklarını doğruladı.

Böylece, evrenin erken geçmişinde neden madde parçacıklarının antimaddeden çok daha fazla olduğu gizemi de çözümsüz kaldı.

Araştırmacılar şimdilerde çalışmalarını atomaltının daha alt parçacıkları üzerinde sürdürüyorlar.

Bu kayıp antimadde gizemi çözülürse, belki de o zaman evren hikayemizin sil baştan yazılması gerekebilecek!

Kaynakça

https://physics.aps.org/articles/v11/s147

https://www.express.co.uk/news/science/1069056/universe-big-bang-physics-news-discovery-space-time

https://www.livescience.com/51833-matter-and-antimatter-are-mirror-images.html

https://physicsworld.com/a/electron-lifetime-is-at-least-66000-yottayears/

https://www.aps.org/publications/apsnews/200701/history.cfm

https://www.caltech.edu/about/news/how-long-does-a-neutron-live#:~:text=They%20stick%20around%20for%20billions,lasting%20only%20about%2015%20minutes