Northwestern Üniversitesi’nde görev yapan fizikçiler, antimaddenin elektronun karşılığı olan tek bir pozitronu, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda soğutarak aylarca elektromanyetik bir tuzakta tutmayı başardı. Büyük Patlama sonrasında madde ile antimaddenin neden birbirini tamamen yok etmediğini anlamaya yönelik bu çalışma, bu iki parçacık arasındaki olası farkların daha hassas bir şekilde ölçülmesini sağlıyor.
Pozitron Kuantum Düzeyinde Kontrol Altında
Büyük Patlama’nın ardından evrende eşit miktarda madde ve antimadde oluşmuş olsaydı, bu iki türün birbirini yok ederek geriye hiçbir şey bırakmaması beklenirdi. Ancak gözlemlediğimiz evren neredeyse tamamen sıradan maddeden oluşuyor. Fizikçilerin henüz açıklayamadığı bu durum, modern fiziğin en büyük gizemlerinden biri olmaya devam ediyor.
Nortwestern Üniversitesi’nden Profesör Gerald Gabrielse ve doktora öğrencisi Thomas Myers öncülüğündeki ekip, bu soruya ışık tutabilecek bir deney gerçekleştirdi. Araştırmacılar, elektronun antimadde karşılığı olan tek bir pozitronu yakalayarak ilk tek pozitronlu kuantum siklotronunu oluşturdu. Bu düzenek, parçacığın kuantum durumunu hassas bir şekilde kontrol etmeye olanak tanıyor.
Sıradan madde elektron, proton ve nötronlardan oluşurken antimadde evreninde bunların karşılıkları olan pozitronlar, antiprotonlar ve antinötronlar bulunuyor. Antimaddeyi incelemeyi zorlaştıran temel unsur ise sıradan maddeyle etkileşime girdiğinde her iki tarafın da yok olarak enerji açığa çıkarmasıdır. Bu nedenle antimadde parçacıklarının herhangi bir yüzeye temas etmeden, elektromanyetik alanlarla izole edilmiş bir ortamda tutulması gerekiyor.
Deneyde kullanılan pozitronlar, radyoaktif sodyum-22’nin bozunması sırasında ortaya çıkan yüksek enerjili parçacıklardan elde edildi. Araştırmacılar, hızlı hareket eden pozitronu yavaşlatarak özel tasarlanmış elektromanyetik tuzağa yönlendirdiler. Ardından tuzağın içi mutlak sıfıra çok yakın bir seviyeye kadar soğutuldu.
Parçacık güçlü elektrik ve manyetik alanların etkisiyle yüksek vakumlu bir ortamda asılı tutuldu. Böylece herhangi bir yüzeye dokunması ve sıradan maddeyle karşılaşarak yok olması önlendi. Dış etkenlerin de minimum düzeye indirildiği bu ortamda pozitron, mümkün olan en düşük enerji seviyesine düşürüldü.
Araştırmacılar, bu koşullar altında pozitronun kuantum durumunu hassas biçimde değiştirebildi. Parçacığın enerji düzeyleri üzerinde kontrol sağlayan düzenek, pozitronun adeta yapay bir atom gibi davranmasına imkan tanıdı. Ekip, tek bir antimadde parçacığını aylarca tuzakta tutarak ölçümleri yeniden yapabilecekleri bir çalışma ortamı oluşturdu.
Amaç: Elektron ile Pozitron Arasındaki Farkları Belirlemek
Denenen deneyin ana hedefi, pozitronun manyetik özelliklerini daha önce elektron üzerinde gerçekleştirilen son derece hassas ölçümlerle karşılaştırmaktır. Elektron ile pozitronun kütleleri eşittir; elektrik yükleri ise zıt işaretlidir. Mevcut fizik teorileri, iki parçacığın manyetik özelliklerinin de karşılaştırıldığında aynı sonuçları vermesini bekliyor.
Araştırmacılar, hassas biçimde ayarlanmış mikrodalga darbeleri kullanarak tuzak içindeki pozitronun kuantum geçişlerini tetikleyip gözlemleyebildiler. Bu kontrol seviyesi, parçacığın manyetik momentinin oldukça yüksek hassasiyetle ölçülmesine imkan tanıyor.
Daha önce elektronun manyetik momenti 10 trilyonda bir hassasiyetle ölçülmüştü. Yeni düzenek ise pozitron üzerinde de benzer doğruluğa ulaşmayı amaçlıyor. American Physical Society’nin aktardığına göre yöntem, antimadde parçacıklarının manyetik özelliklerini önceki tekniklere kıyasla yaklaşık 30 kat daha yüksek hassasiyetle ölçme potansiyeline sahip.
An itibarıyla deney elektronik ile pozitron arasında beklenmedik herhangi bir fark ortaya çıkarmamış durumda. Ancak çalışmanın önemi böyle bir farklılığın tespit edilmesi halinde bunu anlayabilecek ölçüm kapasitesinin geliştirilmesinden kaynaklanıyor.
Bulgular Standart Model’i Yenileyebilir
Bilimsel alandaki Standart Model temel parçacıkları ve doğadaki dört temel kuvvetten üçünü açıklıyor; ancak evrende neden antimaddeden çok daha fazla madde bulunduğu sorusuna yanıt veremiyor. Bu nedenle madde ile antimaddenin özellikleri arasında bugüne kadar gözden kaçmış küçük bir farkın bulunması mevcut teorilerin yeniden gözden geçirilmesini gerektirebilir.
Gabrielse ise iki parçacığın ölçümlerinin eşit çıkmasının mevcut teorilerle uyumlu olduğunu belirterek aralarında herhangi bir farklılık tespit edilmesi halinde bunun sorunlu yüzyılın en büyük fizik keşiflerinden biri
Böyle bir sonuç evrenin oluşumu sonrası maddenin antimaddeye nasıl üstün geldiğini anlamak adına önemli ipuçları sunabilirken; araştırmacıların ilk hedefi ise pozitrondan elde edilen manyetik momenti mümkün olan en yüksek hassasiyetle ölçmek ve sonucu elektronla yapılan ölçümlerle doğrudan karşılaştırmak olmaktadır.
