Madde-Karşı Madde Nedir?: Büyük patlama teorisinin özü yaratılıştır. Uzay ve zamanın yaratılışı ile ilgili olarak metafizik, teoloji ve hatta kuantum kütle çekimi uzmanlarını görevlendirebiliriz. Bütün sonuçlar deneysel olarak kanıtlanabilir, hatta tümüyle kendi içinde tutarlı fiziğin erişiminden uzakta olduğu için gerçeği kurgudan, sadakati fanteziden ayırt etmek zordur. “Madde-Karşı Madde Nedir?” ile ilgili tartışmalar Paul Dirac’ın 1932 yılında pozitron öngörüsünden sonra, Fizikçi Carl D. Anderson, kozmik ışın çarpışmalarının ile karşıt parçacıkları bir parçacık dedektör odasında keşfetmiştir. Parçacık dedektör odası içinde hareket eden elektronların (veya pozitronların) arkalarında izler bıraktıkları içi gaz dolu bir odacıktan ibarettir. Manyetik bir alanda bulunan bir parçacığın elektrik yükü / kütle oranı bu ğarçacığın oda içinde bıraktığı izde yani yolunun kıvrılma yarıçapını gözlemleyerek ölçülebilir.
Pozitronlar, yollarının kıvrıldığı yön nedeniyle, ilk başta ters yönde hareket eden elektronlarla karıştırılıyordu. Parçacık odalarında ki pozitronlar elektronlarla aynı büyüklükte yük-kütle oranına sahip olmaları dolayısıyla yolları, bir elektronla aynı sarmal yolları izler. Ancak zıt yüklere sahip olmaları nedeniyle manyetik alan yönüne göre ters yönde dönerler ve bu nedenle, zıt işaretli yük-kütle oranları vardır. Antiproton ve antineutronise 1955 yılında Berkeley’deki California Üniversitesi’nde Emilio Segrè ve Owen Chamberlain tarafından bulunmuştır.
Antiparçacıklar Nedir?
O zamandan beri, diğer birçok atom altı parçacığın antiparçacıkları, parçacık hızlandırıcı deneylerinde yaratılmıştır.
Daha ivedi ve konumuzla ilgili olan sorun maddenin yaratılışıdır. Evrenin ilk dönemleriyle ilgilenen kozmoloji yaratılış konusunu, Dünyamızı ve yıldızları oluşturan maddenin fiziksel tanımını açık ve kesin bir biçimde ifade ederek, dürüstçe ele alır.
Evren genişledikçe, hızla kuantum boşluğu durumundan bir plazma çorbasına dönüşür. Sıcaklık bir kez 200 GeV değerinin altına düştüğünde elektromanyetik kuvvet, zayıf nükleer kuvvetten farklılaşır. Bu dönemde evrende en bol bulunan parçacıkların arasında fotonlar, nötrinolar ve elektronlar ile proton ve nötronların yapı taşları olan kuarklar sayılabilir. 300 MeV civarındaki yeni bir faz geçişi sonrasında ise bu kuark çorbası yoğunlaşarak proton ve nötron adını verdiğimiz bileşik parçacıklara dönüşür.
Gittikçe daha geç dönemlere gelindiğinde evrenin erken dönemlerine ilişkin bilgilerimiz daha tam hale gelir. Evrenin sıcaklığı 1 MeV değerinin de altına düştüğünde nihayet yıldız ve galaksi gözlemlerimizle doğrudan bağların olduğu bir rejime gireriz.
Hafif elementlerin bolluğu çok duyarlı bir biçimde büyük patlamamın ilk saniyelerindeki koşullara bağlı olduğundan bu bollukların gözlenmesi çok güçlü bir sonda görevi yapar. Bunun öncesinde kozmoloji(evrenbilim) tümüyle spekülasyondur.
Madde-Karşı Madde Nedir ve Neyi Anlatmaktadır?
Maddeyi oluşturan temel parçacıklar proton, elektron ve nötronlardır. Proton ve nötronların ortak adı baryon olup bildiğimiz maddeyi oluştururlar.
Bir proton ve bir elektron birleşerek tek bir hidrojen atomunu meydana getirirler.
Evrende gördüğümüz maddenin kütlece yaklaşık yüzde 73 ü bu elementtir. Gene kütlece yüzde 25 kadarı çekirdeğinde iki proton ve iki nötron bulunan helyumdur. Galaksimizde kütlece yüzde 2 oranında da çoğunluğu karbon, oksijen, azot, silikon ve demir olan ağır elementler bulunur. Dağınık yıldızlararası bulutlarda bulunan ağır elementlerin kütlelerinin çoğu küçük, mikrometre altı boyutlarda olivin ya da grafit gibi mineral tanecikleri biçimindedir.
Bu tanecikler ışığı soğurur ve saçarlar, bu nedenle de ışık hem kırmızıya kayar hem de polarize olur. Ağır elementler yıldızların sıcak iç bölgelerinde sentezlendiklerinden yıldızları oluşturan ilkel gaz bulutları ağır elementler bakımından oldukça fakirdir. Kütleye ek olarak pek çok uzak galaksiden gelen dağınık elektromanyetik ışınım vardır; bu ışınım çoğunlukla kozmik mikrodalga fotonlarından ve yıldız ışığı biçiminde optik ışınımdan oluşur.
Son olarak hem büyük patlamadan artakalan hem de yıldızların yaydığı nötrinolar vardır.
Pratikte çevremizdeki maddenin tamamı karşı madde değil, bildiğimiz maddedir. Bunu şu nedenle biliyoruz. Bir proton, bir karşı protona rastladığında parçacıkların her ikisi de saf bir enerji patlaması vererek yok olurlar.
Açığa çıkan enerji protonun durağan kütlesinin iki katı, yani 2 GeV olup gamma ışınları biçimindedir.
Bu gamma ışın fotonlarının delip geçici özelliği vardır ve gözlenmeleri çok kolaydır. Ama yerkürenin atmosferi dışında kozmik gamma ışınlarını gözlemek amacıyla yapılan deneylerde (çok şükür atmosfer x-ışınlarını, gamma ışınlarını ve morötesi fotonları soğurmaktadır) çok az gamma ışını fotonu gözlenmiştir. Buradan da evrendeki maddenin en çok milyonda birinin karşı madde biçiminde olduğu sonucu çıkmaktadır.
Yüksek Enerjili Parçacıklar
Karşı madde doğrudan uzayda, her 10 000 parçacıktan birinin karşı proton olduğu yüksek enerjili kozmik ışınlarda gözlenmiştir.
Bununla birlikte, bu yüksek enerjili karşı protonlar büyük bir olasılıkla yıldızlararası karbon ve oksijen atomlarıyla çarpışarak parçacık yağmurları içinde rasgele karşı protonlar ortaya çıkaran kozmik ışın parçacıkların eseridir. Kozmik ışının enerjisi birkaç giga elektron voltun (GeV) üzerinde olduğu sürece, böyle bir çarpışmada bir proton-karşı proton çiftinin ortaya çıkma olasılığı oldukça yüksektir.
Uzun zaman önce evrenin çok daha fazla miktarda karşı madde içerdiği yolunda ilginç bir ipucu vardır. Aslında bir zamanlar eşit oranlarda madde ve karşı madde vardı.
Günümüzde kozmik kara cisim fotonlarının enerjileri ortalama olarak 3×10-4 eV civarındadır. Bir zamanlar, evren daha yoğunken enerjileri daha fazlaydı ama evren genişlerken fotonlar enerjilerini Doppler kayması yoluyla kaybettiler. Diyelim 1010 değerinde bir genişleme faktörü için fotonların frekans ve enerjileri tam bu faktörle azalmış ya da dalga boyları tam bu faktörle uzamıştır.
Dolayısıyla evren 1010 kat daha küçükken ya da maddenin yoğunluğu günümüzdekinden 1030 kat daha düşükken enerjileri 3 MeV civarındaydı.
Elektron Pozitron Çifti Nedir?
Ama 3 MeV, elektron-pozitron çiftinin durağan kütlesinden büyüktür, dolayısıyla böylesine yüksek enerjili fotonlar parçacık-karşı parçacık çiftleri yaratabilirler.
Bunlar, kuantum boşluğunda yaratılan geçici sanal parçacık çiftlerinin tersine, gerçek parklardır. Biraz daha geriye gidilirse, proton-karşı proton çiftleri bile yaratılır. Bu parçacıklar aynı zamanda birbirlerini yok ederler ve yaratılışla yok oluş arasında bir denge vardır. Hemen hemen eşit miktarlarda ışınım ve parçacığa ya da karşı parçacığa yol açan bu dengeye termal denge adını veriyoruz.
Daha sonra evren genişler, bu arada fotonların enerjisi yaratılış için gerekli eşik değerin altına düşer ve hemen hemen bütün parçacık çiftleri yok olurlar. Bugün, kozmik kara cisim ışınımdaki her foton için yalnızca 3×10-10 proton kalmıştır.
Karşıt Parçacık
Bu, şöyle bir bilmeceye yol açıyor: şimdi biz burada, maddenin üstün geldiği bir evrendeyiz. Eğer evrenin ilk dönemleri madde ve karşı madde açısından tamamen simetrik olsaydı, her şey ya da hemen hemen her şey yok olacağından, burada bulunmamamız gerekirdi.
Hesaplamalara göre, simetrik bir büyük patlamada kozmik kara cisim ışınımındaki her foton için yalnızca 10-20 protonun kalması gerekirdi. Bu bir felaket olurdu! Bununla birlikte, bu bulmacayı çözmenin bir yolu vardır.
Şu anda madde ile karşı madde arasında dev bir asimetri vardır. Bu asimetri geçmişte de daha küçük olmakla birlikte hiçbir şekilde sınırlı değildi. Bu ilk asimetrinin büyüklüğü ne kadardı?
Bugün kara cisim ışınımdaki her foton için evrenin ilk ve sıcak dönemlerinde bir parçacık-karşı parçacık çifti yaratılmış olmalı. Öyleyse evrende gördüğümüz her proton için 3 derece Kelvin’deki fotonları savalım. Her bir proton için yaklaşık bir milyar foton olduğunu görürüz, öyleyse başlangıçtaki asimetri, milyarda bir oranında olmalı.
Parçacık çiftleri yok olmuşlar ve geride fotonlarla birlikte, her şey yok olduktan sonra karşı maddeye göre biraz fazla olan madde kalmıştır. Acaba varlığımızın temeli bu minik fazlalık mıdır? Gerçekten, nereden geliyoruz?
Baryon Numarasının Üretilmesi
Proton gibi parçacıklar anlamına gelen baryon sayısının kozmik kara cisim ışınımındaki fotonların sayısına oranı evrenin baryon numarası olarak bilinir. Fotonlar ya da baryonlar yaratılıp yok olmadıkça-ki günümüz evreninde durum böyledir- baryon numarası sabittir. Doğaldır ki yıldızlarda foton üretilir. Ama yıldız ışığındaki fotonların kozmik kara cisim ışınımım da ki fotonlara oranı çok küçük, yaklaşık yüzde bir civarındadır.
Fizikçiler, evrenin baryon numarası olarak 3×10-10 gibi küçük bir sayının, evrenin ilk dönemlerinin başlangıç koşulu olduğu varsayımını hiç sevmezler. Üç doğal sayı vardır: 0, 1 ve sonsuz. Fizikçilere göre bunların dışındaki her sevin bir açıklaması olması gerekir.
Her durumda, böyle bir varsayım gerekli değildir: daha önce, büyük birleşme durumunun büyük olasılıkla mükemmel bir simetriye sahip olduğunu ve o durumda evrenin baryon numarasının simetrinin bozulduğu geçişten sonra üretildiğini gördük. Bunun nasıl olduğunu açıklayan basit bir teori var.
Büyük Birleşik Kuram
Büyük birleşme döneminde ağır parçacıklar (proton gibi) hafif parçacıklarla (elektron ya da foton gibi) aynı davranışı görüyordu. Bu, büyük birleşme döneminde, yani büyük patlamadan şöyle bir 10-35 saniye sonra baryon numarasının ille de korunan bir büyüklük olmadığı anlamına gelir. Protonlar bozunur ya da yaratılırken beraberlerinde ille de bozunan ya da yaratılan bir karşı proton olması gerekmiyordu. Her süreç mutlak bir biçimde karşı süreçle benzer olmak zorunda değildi. Büyük birleşme döneminin sonunda, karşı proton vermeden yalnızca proton vererek bozunan egzotik parçacıklar vardır.
Büyük Birleşme Simetrisi
Büyük Birleşme Teorisi kozmoloji biliminin en önemli halkalarından biridir aynı zamanda.
Büyük birleşme simetrisi bozulduğunda tersinir bozunmalar olası hale geldi. Geride egzotik parçacıklardan yalnızca birkaçı kaldı. Bunlar da karşı protonlara (daha kesin bir dille söylemek gerekirse karşı kuarklara) oranla hafifçe proton (ya da kuark) fazlası vererek bozunurlar. Tam olarak kaç kuark kaldığını hesaplamak zordur ama teorinin, evrenin baryon numarasının mantıklı bir açıklamasını verdiği gösterilmiştir.
Son zamanlarda Rus fizikçisi Andrei Sakharov baryon yaratılması için üç koşulun gerekli olduğuna işaret etti. Birincisi, evrenin dengesi bozulmuş olmalı. Bu, evrenin genişlemesinin doğal bir sonucudur. İkincisi, baryon numarasının korunumu ihlal edilmiş olmalı. Bu da 1015 GeV değerini aşan enerjilerde, temel kuvvetlerin büyük birleşme döneminde kaçınılmazdır. Üçüncü ve en önemli koşul, anlaşılması en zor olanıdır: ‘elektrik yükü konjügasyonu’ ve parite’ adı verilen iki özelliğin korunumu ihlal edilmiş olmalıdır.
Parçacık Fiziğinde Dönü(Spin) ve Konjügasyon
Bu parçacık fiziği argosu aslında göründüğü kadar anlaşılmaz değildir. Madde-Karşı Madde Nedir? sorusuna bir ilave yapmak daha gerecektir. Elektrik yükü konjügasyonu, karşı parçacıkların zıt elektrik yüklü eş parçacıklarıyla aynı etkileşimlere girme özelliğidir. Böylece, girdikleri etkileşmelere bakıldığında madde ve karşı madde birbirinden ayırt edilemez olmaktadır.
Maddeden yapılmış bir yıldız karşı maddeden yapılmış yıldızla ayni görünür. Bununla birlikte zayıf etkileşmeleri inceleyen deneylerden, parçacık ve karşı parçacıkların ayni etkileşmelere girmelerinin gerekmediği bilinir: Başka bir deyişle, elektrik yükü konjügasyonu ihlal edilmektedir.
Parite, maddenin soldan sağa ya da sağdan sola dönme miktarının ölçüsüdür; bu nicelik korunduğunda parçacıkların ayna görüntüleri simetrik olur.
Atom Altı Parçacıkların Spinleri
Atom altı parçacıkların spin (dönme) özelliği vardır. Bu özellik, tıpkı bir tirbuşon gibi ileri doğru hareket eden parçacığın sağa mı yoksa sola mı döndüğünü belirler. Bazı atom altı parçacık etkileşmelerinde parçacıkların ayna görüntülerinin dönme açısından asimetrik olduğu bulunmuştur. Madde-Karşı Madde Nedir? sorusunda bu nedenle parite de değişmez değildir.
Bununla birlikte parçacık fizikçileri bos yere yük konjügasyonu (C) ve paritenin (P) bir bileşiminin-ki bu bileşime CP deniyor-atom altı parçacıkların etkileşmelerinde değişmez olacağını umdular.
C Simetrisi Nedir?
Fizikte, yük birleşmesi, tüm parçacıkları karşılık gelen karşıt parçacıklarıyla değiştiren, böylece tüm yüklerin işaretini değiştiren bir dönüşümdür: sadece elektrik yükünü değil, aynı zamanda diğer kuvvetlerle ilgili yükleri de değiştirir.
1960’ların ortalarında, James Cronin ve Val Fitch adlı fizikçiler, kısa ömürlü bir mezon olan kaonun bozunmasını incelerken, umulanın tersine, binde bir oranında da olsa CP ihlali ortaya çıktı. Buradan çıkarılan sonuç, en azından bazı atom altı parçacık etkileşmelerin de CP ihlalinin doğal bir özellik olduğu idi.
Evren için çıkarılacak sonuç ise, evrenin başlangıç dönemlerinde CP’nin ihlal edilmiş olduğudur. Parçacık yaratılmaları, yok olmaları ve bozunmalarının karmaşık çorbasında baryon sayısında net bir artış olmuştur.
Baryonların kaçınılmaz olarak üretilmeleri için bir milyon bozunmanın yalnızca birinde CP ihlali olması yetiyordu. Bu olayın tam olarak ne zaman gerçekleştiği teorisyenler arasında tartışma konusudur. Madde-Karşı Madde Nedir? konusunda Baryon yaratılmasının, evrenin çok erken dönemlerindeki madde içeriğini yeniden düzenleyen asimetri-kırıcı geçişin sonucunda gerçekleştiği kesindir. Bu, büyük birleşmenin çöktüğü dönemde, yani büyük patlamadan 10-35 saniye sonra ya da elektromanyetik ve zayıf etkileşmelerin yollarının ayrıldığı zaman, yani büyük patlamadan 10-10 saniye sonra gerçekleşmiş olabilir.
Evrenin Kısa Tarihi Adlı Eserden Derlenmiştir.
Yazar: Joseph Silk
Çeviren: H.Murat Alev
İlk yorum yapan olun