Antimadde

Antimadde, karşı madde veya karşıt madde, maddenin ters ikizi. Paul Dirac denklemiyle ortaya çıkarılmış ve daha sonraki gözlemlerle de varlığı doğrulanmıştır. Antimadde en basit haliyle normal maddenin zıddıdır. Antimaddenin atomaltı parçacıkları, normal maddeye göre zıt özellikler taşımaktadır. Bu atomaltı parçacıkların elektrik yükleri, normal maddenin atomaltı parçacıklarının tam tersidir. Antimadde, Büyük Patlama'dan sonra normal maddeyle birlikte oluşmuştur; fakat sebebinin ne olduğunu bilim insanları tam anlamıyla bilemeseler de, evrende oldukça nadir bulunmaktadır.
Tarihçe
1928: Başlangıç
Karşıt madde tarihi Paul Dirac adlı genç bir fizikçinin matematiksel denkleminin garip çıkarımıyla başlar.
20. yüzyılın başlarında iki önemli teori olan kuantum mekaniği ve görelilik kuramı fiziği temellerinden sarsıyordu. 1905 yılında Albert Einstein'ın meydana çıkardığı özel görelilik kuramı uzay-zaman ve kütle-enerji arasındaki ilişkiyi açıklıyordu. Bu sırada yapılan deneyler ışığın bazen dalga, bazen de küçük parçacık akımları halinde davrandığını gösteriyordu. Max Planck'ın önerdiği teoriye göre ışık dalgaları "kuanta" adı verilen küçük paketçikler halinde yayılıyordu, bu ışığın hem dalga hem parçacık halinde yayılması anlamına geliyordu.
1920'lerde fizikçiler atom ve bileşenlerine aynı kavramı uygulamaya çalışıyorlardı. 1920'lerin sonunda Erwin Schrödinger ve Werner Heisenberg yeni kuantum teorisini keşfettiler. Bundaki tek sorun teorinin görecelik teorisine uygulanabilir olmayışı yani sadece yavaş hızlardaki parçacıklar için geçerli olup ışık hızına yakın hareket edenler için sonuç vermemesiydi.
1928'de Paul Dirac problemi çözdü. Elektron davranışını tanımlamak için özel göreliliği ve kuantum teorisini bir araya getiren bir denklem yazdı. Dirac'ın denklemi, ona 1933 Nobel Fizik Ödülü'nü getirdi, aynı zamanda başka bir problem yarattı: x2=4 denkleminin iki çözümü olduğu gibi (x= -2, x=2), Dirac denkleminin de biri pozitif enerjili diğeri negatif enerjili elektronlar için olmak üzere iki çözümü vardı. Fakat klasik fiziğe göre bir parçacığın enerjisi daima pozitif bir sayı olmalıydı.
Dirac bunun, her parçacığın kendisiyle tıpatıp aynı ama yükü zıt olan bir karşıt parçacığı olacağı anlamına geleceğini açıkladı. Örneğin elektron için her yönüyle aynı ama pozitif yük içeren bir karşıt elektron olmalıydı. Nobel konferansında karşıt maddeden oluşan tamamen yeni bir evrenin varlığını kurgulamıştı.
1930: Doğanın yardım eli
1930'da gizemli karşıt parçacık avı başladı. O yüzyılın daha öncesinde, 1936 Nobel Fizik Ödülü sahibi Victor Hess yüksek enerjili parçacıkların bir kaynağını keşfetmişti: kozmik ışınlar. Kozmik ışınlar, dış uzaydan gelen çok yüksek enerjili parçacıklardır. Dünya atmosferine çarptıklarında muazzam bir düşük enerjili parçacık sağanağı yaratırlar ki bunun fizikçiler için çok kullanışlı olduğu ispatlanmıştır.
1932'de Carl Anderson ve CalTech'ten genç bir profesör, kozmik parçacık sağanağı hakkında çalışırken, pozitif yüklü ve elektronla aynı kütleli bir parçacığın bıraktığı izi gördü. Bir yıllık çalışma ve gözlemler sonucu, izlerin gerçekten karşıt elektron olduğuna ve her birinin kozmik ışınların etkisiyle kendi yanına bir elektron ürettiklerine karar verdi. Karşıt elektronlara pozitif yüklerinden dolayı "pozitron" adını verdi. Doğrulama kısa bir süre içinde Occhialini ve Blackett'ten geldi, böylece bu çalışma Anderson'a 1936 Nobel Fizik Ödülü'nü getirdi ve Dirac'ın öngörüsü doğrulanmış oldu.
Uzun yıllar kozmik ışınlar, yüksek enerjili parçacıkların tek kaynağı olarak kaldılar. Keşiflerin akışı durmadı ama beklenen karşıt parçacığın, karşıt protonun keşfi için fizikçiler 22 yıl beklemek zorunda kaldılar.
1954: Güç araçları
Karşıt proton araştırmaları 1940'larda ve 1950'lerde laboratuvar deneylerinin o zamana kadarki en yüksek enerjili seviyelere çıkmasıyla kızıştı.
1930'da, 1939 Nobel Fizik Ödülü sahibi Ernest Orlando Lawrence "siklotron" denen proton gibi bir parçacığı onlarca MeV enerjiye çıkartan parçacık hızlandırıcıyı icat etti. Hemen ardından, karşıt protonun bulunması için harcanan efordan dolayı hızlandırıcılar çağı başlamış oldu. Ve yeni bir bilim dalı olarak parçacık fiziği doğdu.
Berkeley'deki Betatron'u 1954 yılında inşa eden yine Lawrence idi (o zamanlar BeV idi, şimdi GeV denilmekte.). Betatron, 2 elektronu karşıt proton üretmek için en uygun yüzey olarak öngörülen 6,2 GeV'luk enerjide çarpıştırabiliyordu. Aynı zamanda başlarında Emilio Segre olan diğer bir fizikçi grubu, karşıt protonları saptamak için yeni bir makine tasarladı ve yaptı.
Ekim 1955'te büyük haber New York Times'ın ön sayfasından duyuruluyordu: "Yeni Atom Parçacığı Bulundu, Negatif Proton!" Karşıt protonun keşfiyle Segre ve takımı (O. Chamberlain, C. Wiengand ve T. Ypsilantis) doğanın temel simetrilerinden birinin kanıtında başarılı olmuş oldular: madde ve karşıt madde.
Segre ve Chamberlain 1959 Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldüler. Sadece bir yıl sonra, Betatron'da çalışan ikinci takım (B. Cork, O. Piccione, W. Wenzel ve G. Lambertson) karşıt nötronu bulduklarını duyurdular.
1965: Karşıt çekirdek
O zamana kadar atomu oluşturan 3 parçacığın da birer karşıt parçacığı olduğu biliniyordu. Yani, eğer parçacıklar atomda birbirlerine bağlanıp maddenin en küçük yapı birimini 1965'te karşıt döteryumun (ağır hidrojen), bir karşıt madde çekirdeğinin bir karşıt proton ve bir karşıt nötrondan oluşmuş hali (tıpkı döteryumun bir proton ve bir nötrondan oluşması gibi), bulunmasıyla geldi. Hedef, eş zamanlı olarak iki takım tarafından bulunmuştu: biri Antonino Zichichi önderliğinde CERN'deki Proton Synchrotron'u kullanmıştı, diğerleri ise Leon Max Lederman başkanlığında New York'taki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nın Alternating Gradient Synchrotron (AGS) hızlandırıcısını kullanarak başarmışlardı.
1995: Karşıt parçacıktan karşıt maddeye
Karşıt çekirdek yaptıktan sonraki soru, "Karşıt elektronlar karşıt çekirdekle karşıt maddeyi oluşturacak bağları yapabilir mi?" idi.
Cevap oldukça sonra çok özel bir makine, CERN'ün eşsiz Düşük Enerji Karşıt Proton Çemberi (LEAR) sayesinde geldi. Hızlandırıcıların aksine LEAR aslında karşıt protonları yavaşlatıyordu. Fizikçiler bundan sonra bir pozitronu yani karşıt elektronu karşıt protonla bağ kurup gerçek bir karşıt hidrojen, gerçek bir karşıt madde atomu oluşturması için denemelere başladılar.
1995'in sonlarına doğru bu şekildeki ilk karşıt atomlar Alman ve İtalyan fizikçilerden oluşan bir takım tarafından CERN'de elde edildi. Sadece 9 karşıt atom üretilmesine karşın, haber tüm dünya gazetelerinin ön sayfasına çıkacak kadar heyecan uyandırıcıydı.
Başarı, karşıt hidrojen atomlarının karşıt dünya üzerindeki çalışmalarda, hidrojenin bilim tarihinde son asırda oynadığı role benzer bir rol oynayabileceğini söylüyordu. Hidrojen evrenimizin üç çeyreğini oluşturuyor ve kainat hakkında bildiklerimizin çoğu sıradan hidrojen hakkındaki araştırmalardan elde edilmişti.
Fakat akıllarda bir soru kalmıştı: karşıt hidrojen tamamen sıradan hidrojen gibi mi davranıyor? Bu soruyu cevaplamak için CERN yeni bir deney tesisi yapmaya karar verdi: Karşıt Proton Yavaşlatıcısı.
Hızlandırıcılar çağı
Öncü makineler
Ernest Lawrance'ın siklotronu icadından sonra fizikçilerin maddenin yapısında derinlere inmeleri için hızlandırıcıların en iyi yol olduğu anlaşılmış oldu.
Hemen sonra ABD yolu gösterdi. Böylesi makineler herhangi bir Avrupa ülkesinin tek başına yapması için çok büyük ve pahalıydı. Fakat 1954'te Avrupalı fizikçiler Cenevre'de merkezi bir laboratuvar kurmaya karar verdiler ve böylece CERN kurulmuş oldu. Bu tarihten sonra CERN yüksek enerji fiziğindeki teknik ve bilimsel gelişmelerde başrolü oynamaya başladı.
Protonları ve elektronları onlarca MeV enerjilere hızlandıran ilk tek mıknatıslı siklotronlardan ve betatronlardan sonra, yeni simit şekilli ("doughnut-shaped") iki türlü parçacığı da GeV'luk enerjilere hızlandırabilen senkrotronlar geliştirildi. 1950'lerden itibaren yeni odaklama teknikleriyle makineler 30 GeV'luk hale getirildi.
1970'lerin başlarına kadar maddenin yapısı hakkındaki araştırmalarda birkaç önemli adım daha atıldı. Bulunan yeni parçacıkların sayısı çığ gibi arttı, tabii bu CERN'deki 28 GeV Proton Synchrotron'un, Brookhaven'daki 33 GeV Alternating Gradient Synchrotron'un ve yeni ve etkili parçacık dedektörü "bubble chamber"ın (kabarcık odası) başarılı bütünleşmeleri sayesinde elde edildi.
Çarpıştırıcılar
Büyük hızlandırıcılar macerasının başlamasından hemen sonra fizikçiler fark ettiler ki hızlandırılmış bir parçacık demeti sabit bir hedefe çarptığında, enerjinin çoğu hedefin geri tepmesinde harcanıyor ki asıl amaç olan parçacık çalışmaları ve parçacıkların etkileşim araştırmaları için geriye sadece küçük bir yüzde kalıyor. Bunun yerine eğer iki parçacık demeti birbiriyle kafa kafaya çarpıştırılırsa geri tepme için hiç enerji harcanmayacak, tüm enerji deneye kalacaktı.
Diğer laboratuvarlar elektronları çarpıştırmaya yoğunlaşırlarken, CERN protonlar üstünde çalışıyordu. Fikre göre, protonlar PS'den alınıp yeni bir makinenin birbirine bağlı iki çemberinde hızlandırılıp çarpışmalarını sağlamaktı. Yeni makinenin adı The 31+31 GeV Intersecting Storage Rings idi ve birçok teknolojik zorluğun üstesinden geldikten sonra ilk proton-proton çarpışması 1971 yılında gerçekleşti.
Aynı zamanda parçacık detektörleri de yeni gelişmeler göstermekteydi ve eski "bubble-chamber" yerini daha çok sayıda ve büyüklükte etkileşimleri gösteren daha hızlı ve teknolojik aletlere bıraktı. Fakat ana gelişmelerden biri ancak 1980'lerde gerçekleşti: etkili soğutma teknikleriyle karşıt maddenin oyuna girmesi sağlandı ve hemen oyuna hakim bir pozisyon kazandı.
İki paralel yol, hızlandırıcıların gelişmesinde etkili oldu. Biri fizikçilerin maddenin temel bileşenlerini öğrenme hakkındaki meraklarını gidermekte karşıt parçacıkları kullanmaya devam ederek bizi yüksek enerji bilgilerimizin sınırlarının ötesine taşımasıydı. Diğeri ise karşıt parçacıkların çalışmanın ana konusu haline gelmesiyle düşük enerjilere yavaşlatılması ve karşıt maddenin özelliklerinin keşfi için izole edilmesiydi.
Yüksek enerji öncüleri
İlk önce, 1960'larda elektron-pozitron çarpışmasıyla gündeme geldiler. Anderson'ın pozitronu keşfinden sonra, fizikçiler nasıl yüksek sayıda pozitron elde edebileceklerini öğrenmiş oldular. ABD'de ve Avrupa'da birkaç çarpıştırıcı yapıldı ve bunlar sayesinde maddenin ve evrenin temel doğası hakkında birçok önemli keşfe imza atıldı.
İlk elektron-pozitron çarpıştırıcısı Bruno Touschek tarafından Frascati'de 1960 yılında tamamlanan "Anello d'Accumulazione" (AdA) idi. İçlerindeki en büyük makine olan CERN'ün Large Elektron Pozitron (LEP), 1989 yazında 91,2 GeV'luk çarpıştırma enerjisiyle çalışmaya başlamıştı. Emeklilik yılı 2000'de muazzam bir çarpıştırma enerjisi olan 204 GeV'a ulaşmıştı. LEP çemberinin etrafındaki dedektörler büyük kesinliklerdeki deneyler ve testler gerçekleştirip parçacıklar ve etkileşimleri hakkındaki bilgileri çok öteye taşıdılar.
Aslında LEP, yapılmış en büyük dairesel elektron-pozitron çarpıştırıcı olarak kalacaktır: elektronların bir özelliği olan "senkrotron radyasyonu", elektronları daha büyük dairesel çarpıştırıcılarda daha yüksek enerji seviyelerinde hızlandırılmasını imkansız kılıyor. Fakat yeni nesil elektron-pozitron çarpıştırıcılarının planı hazır: elektronların ve pozitronları düzgün bir çizgisel yol üzerinden kilometrelerce hızlandıktan sonra kafa kafaya çarpışacağı doğrusal çarpıştırıcılar.
Proton-karşıt proton çarpıştırıcıları büyük zorluklar sunsa da elektron-pozitron çarpıştırıcılarının çalışmalarında ve keşiflerinde tamamlayıcı rol oynamışlardır. Bir karşıt proton bir karşıt elektrondan 2000 kat daha büyük kütleye sahip olduğu için yaratılmaları çok daha büyük enerji gerekiyor. Ayrıca karşıt protonları bir araya getirmek ve çarpıştırıcıda karşıt proton demetini dolaştıracak uzunlukta depolamak daha zordur.
Ancak, 1980'lerin başında Simon van der Meer CERN'de "stokastik soğutma" yönetimini geliştirmesiyle karşıt proton demetlerini biriktirmek, yoğunlaştırmak ve kontrol etmek olası hale geldi. CERN'in Super Proton Synchrotron (SPS) makinesi 300 GeV proton-karşıt proton çarpıştırıcısı haline geldi ve 1983'teki Carlo Rubbia başkanlığındaki UA1 deney takımı SPS'de W bozonu ve Z bozonu adı verilen iki yeni parçacık gördüler. Fizikçiler uzun yıllar boyunca bu iki parçacığın varlığından şüphe etmişlerdi ve bu büyük keşif Rubbia'ya ve van der Meer'e 1984 Nobel Fizik Ödülü'nü getirdi.
Bugün, en büyük proton-karşıt proton çarpıştırıcısı olan FermiLab, Chicago'da bulunmakta. 1,8 TeV çarpışma enerjisiyle Tevatron, 1995'te yukarı kuarkı bulmasıyla haber olmuştu. 1990'ların başından beri CERN, LEP ile yeraltı tünelinde yer değiştirecek ve iki protonu bir rekor olan 14 TeV enerjide çarpıştıracak Large Hadron Collider (LHC) için hazırlanıyor.
LHC şu anda CERN'de yapım aşamasında ve dört deney -ATLAS, CMS, LHCb ve ALICE - şimdiden planlanmış durumda.
Düşük enerji öncüleri
Soğutma tekniğinin bulunmasıyla, mevcut karşıt madde parçacık fiziğinde önemli bir araç haline geldi. Karşıt madde üretilmesinin, biriktirilmesinin ve toplanmasının farklı basamaklarını kontrol etmek için makineler yapıldı. Gelişme aşamasının ilk zamanları olmasına rağmen birçok laboratuvarın hedefi yüksek enerji deneylerinin spesifik ihtiyacı olan artan enerji ışınlarını doldurmaktı.
Fakat düşük enerji karşıt protonları ile yapılabilecek birçok ilginç şey vardır ve düşük enerji madde ve karşıt madde arasındaki tahmin edilen simetriyi doğrudan test etmek için olan yollardan biridir. Yavaş karşıt protonlar gerçek tuzaklara yakalanabiliyorlardı ve böylece, özellikleri proton ile karşılaştırıldı. Ve karşıt maddenin tüm parçalarının yapılabileceği anlaşıldı, karşıt atom pozitrondan ve karşıt protondan oluşuyordu.
CERN bu araştırma dalına belirli biçimde para yatıran tek laboratuvardı. 1980'de karşıt proton üretimini ve depolamasını kendi çemberlerinde yavaşlatabilmek için yeni bir makine yapmaya karar verdiler. 1982'de Low Energy Antiproton Ring (LEAR) ortaya çıktı: PS'den gelen karşıt protonları farklı ara enerjilere, birkaç MeV'un altına yavaşlatabiliyordu.
Çeşitli önemli bilimsel başarılar LEAR'a teşekkür borçludur, bunlarda biri ilk karşıt madde parçaları derleyicisi olmasıdır.1995'te Alman ve İtalyan fizikçilerden oluşan bir takım (deney PS210) ilk kez karşıt hidrojenin dokuz atomunu oluşturmayı başardılar. Normal atomda bir protonun yörüngesinde elektron dönüyorken, böyle karşıt atomlarda karşıt elektron karşıt protonun yörüngesine yerleşmesi sağlanıyordu. Sonuç 1996'nın sonunda FermiLab'daki bir grup tarafından doğrulandı. Deney E862'de, Tevatron Antiproton Accumulator'dan direkt çıkartılan karşıt protonların kullanılmasıyla bazı karşıt hidrojenler saptandı.
Keşif heyecan vericiydi: hidrojen atomları olağan maddenin davranışlarıyla ilgili farklı ve temel ölçümlerde çok kritik bir fiziksel sistemdi. Karşıt hidrojen üretimi, karşıt maddenin sistematik araştırmasında ve temel fizik prensiplerini test etmede açılan bir kapıydı.
1996'ın sonunda LEAR resmen kapatıldı ama CERN bu araştırma konusu hakkında alternatif ve daha güçlü bir yolu önceden görmüştü: Antiproton Decelerator(AD).
Kozmolojide karşıt madde
Tabii ki, hızlandırma veya yavaşlatma karşıt madde üzerinde çalışmanın tek yolu değildir. Karşıt madde dış uzayda bir yerlerde bulunabilir. Dirac, kendisi ilk önce karşıt maddenin astronomik ölçekte bulunması hakkında kafa yormuştu. Fakat onun teoreminin doğrulanmasından hemen sonra pozitron, karşıt proton ve karşıt nötronun keşfiyle; karşıt gezegenlerin, karşıt yıldızların, karşıt galaksilerin ve hatta karşıt bir evrenin varlığı hakkında asıl spekülasyon başladı.
1950'lerin sonlarına doğru, galaksimizdeki karşıt maddenin miktarı yüz milyondan az bir hata payıyla hesaplandı. Eğer karşıt maddenin evrende izole bir sistemi olsaydı yani olağan madde ile etkileşimsiz bir sistemde olsaydı hiçbir dünyaya bağlı gözlem bunun doğruluğunu ayırt edemezdi.
Böylece, görünürde hiçbir şey olmasa bile galaksi dışında karşıt madde varlığı olasılığı tamamen açıktı. Takip eden yıllarda, evrende madde kadar karşıt madde olduğu görüşü basit simetri prensipleriyle harekete geçmiştir.
Fakat bugünlerdeki güçlü inanışa göre madde öncelikli tek bir evren vardır. Söylenebilir fakat eğer doğal bir karşıt madde mesela karşıt evrenden bir karşıt çekirdek bize ulaşmaya çalışırsa dünya atmosferindeki bir çekirdek ile birlikte imha olur ve biz asla onu gözlemleyemeyiz.
20 yılı aşkın süredir bilim adamları bu araştırma için yapılan araçları (önce balonlar şimdi uydular) imha olma probleminin üstesinden gelmek için atmosferden olabildiğinde yukarıda tutmaya çalışıyorlar fakat böyle bir çaba pahalı ve zor. Şimdi, deneylerin uydularda gerçekleştirilmesi planlanıyor. Mesela, 1998'de Alpha Magnetic Spectrometer(AMS), yüksek enerji parçacığı dedektörü, Discovery Uzay Mekiği'nde 10 günlük bir görev için uçtu ve şu anda önümüzdeki yıllarda Uluslararası Uzay İstasyonu'na kurulmak için tekrar dizayn edilip bir üst modele geçiliyor. Dünya atmosferinin üstünde yörüngede, hedeflerinden biri herhangi bir kozmik karşıt madde formu.
Doğal oluşum
Amerika Astronomi Cemiyeti'nin son araştırmalarına göre fırtınaların üzerinde karşıt madde oluşmakta. Şans eseri Fermi uzay teleskobuyla gözlemlenen bulgu karşıt maddenin ilk kez doğal yolla oluşabileceğini ortaya çıkarttı.