AYNADAKİ MADDE

1987, New Scientist

ANTİ-MADDE YAPIMI GERÇEKLEŞECEK Mİ?

Fizikçiler anti-madde yapımının büyük bir kısmını tamamladılar.

Peter KALMUS

Bu bir anti-galaksi midir? Mevcut astronomik bilgiler bu sotuya henüz kesin cevap verememektedir.

Bu bir anti-galaksi midir? Mevcut astronomik bilgiler bu sotuya henüz kesin cevap verememektedir.

Anti-parçacıkların varlığı bugün artık kesindir ve belki de evrenimizin bazı yerlerinde ham halde anti-madde de bulunmaktadır. Her ne kadar şimdiye değin anti-maddenin bir tek atomuna dahi rastlanmamışsa da, yakında laboratuvarlarda böyle bir atom oluşturulabilcektir.

Birçoğumuz, evrenin bir yerlerinde, maddenin aynada görünümü gibi, ancak karşıt özellikler taşıyan benzerinin varlığı fikri karşısında adeta büyülenmekteyiz. Bilim-kurgu filmlerinin çoğunda anti-madde olgusu çokça işlenmesine rağmnen, henüz hiç kimse böyle bir şeyi ne görmüş, ne de yapabilmiştir. Tarihte ilk kez antimadde fikrini İngiliz fizikçi Arthur Schuster ortaya atmış (1898) ve ardından bu spekülasyonun bir hayal olduğunu da eklemiştir.

Bu kavram, Paul Dirac’ın anti-parçacığın varlığı hakkındaki çalışmalarına değin (1930), matematiksel bir temele dayanmıyordu. Dirac, modern fiziğin köşe taşları olan relativite ve kuantum teorilerini birleştirerek anti-parçacıkların varlığı hakkında yeni bulgular ortaya koydu. Einstein’ın relativite teorisi, kütle ve enerjinin durumunu gösteren, meşhur formülü (E=mC²) ortaya koymuştu. Kuantum teorisi, atom gibi çok küçük sistemlerin ancak belirli enerji değerlerine sahip olduğunu gösterdi. Dirac, bu iki teoriden elektronu tanımlayan yeni bir eşitlik elde etti. Bu yeni eşitlik bir elektronun alabileceği normal enerji düzeylerini göstermesinin yanında, negatif enerjiye eşit birçok düzeyin varlığını da göstermesi bakımından oldukça ilginçtir. Bu sonuç da negatif kütlenin varlığını gösterir.

Dirac, negarif kütleli parçacıkların ilginç özelliklere sahip olabilecekleri kanısındaydı. Böyle bir parçacığın gözlenememesinin nedenlerini de şöyle ortaya koyuyordu: Şimdi, öyle bir boşluk düşünelim ki, bu boşluk en düşük negatif enerji düzeyinde bulunan atomlarla doldurulacak olsun. Negatif enerjinin tüm düzeyleri dolu olabilir ve dolayısıyla, elektronlar tamamen dolu olan düzeyler arasında geçiş yapamayacağı için, biz bunların hiç birinin varlığından haberdar olamayabiliriz. Bununla beraber en yüksek negatif düzeyde olan bir elekron yetrli enerji alırsa, pozitif düzeye geçerek normal bir parçacık haline gelir (pozitron).

Carl Anderson ve Patrick Blackett’in kozmik ışınlarda pozitronu gözlemelerine (1932) değin fizikçiler anti-parçacık düşüncesine kuşkuyla yaklaşıyorlardı. Sonraları California Üniversitesi’nden bir grup fizikçi (yaklaşık 20 yıl sonra) anti-protonu bularak, bu düşünceyi gerçekleştirmiş oldular. Bu durumda tüm parçacıkların, aynı kütle ve fakat ters yükte, maddenin aynadaki görünümü gibi anti-parçacıkları olduğu kanıtlanmış oldu.

O halde, niçin Evren, parçacıklar ile dolu olduğu kadar anti-parçacıklar ile de dolu olmasın? Büyük patlama (big bang) her iki cins parçacığı da oluşturmuş olabilir. Evrenin ilk zamanlarından beri, anti-parçacıklar evrende belirli bir yerde bulunuyor olabilirler. Kozmolojistler asimetrinin, maddenin anti-madde üzerinde hafif bir dengesizliğe yol açtığı inancındadırlar. Bu dengesizlik evrenin büyük bir bölümünün normal maddeden oluşmasına neden olabilir. Doğal olarak, yaklaşık tüm anti-madde normal madde ile karşılaşınca yok olabilir.

Diğer bir alternatif de, anti-madde ve maddenin, evrenin değişik bölümlerinde aynı anda var olabileceğidir. Eğer bunları birbirinden uzak tutacak doğal bir mekanizma da varsa, anti-maddenin bir kısmı hâlâ var demektir. Anti-protonlar ve anti-nötronlar, anti-çekirdeği oluşturmak için birbirleriyle bağlanıp, pozitronu yakalayarak anti-atomu oluşturabilirler. Böylelikle anti-madde var olmuş olabilir. Bu anti-madde, madde ile karşılaşmadığı sürece kararlı ve dengeli olabilir.

Anti-maddenin varlığını gösterecek herhangi bir atoma, henüz Güneş Sistemi’nde dahi rastlanılmamıştır. Belki de Güneş’ten yayılan parçacıklar bunları yok ediyordur. Fakat hiç kimse bugüne değin böyle bir yok etme sonucu ortaya çıkacak olan radyasyonu belirleyememiştir.

Çok uzaklarda, anti-maddeden yaıplmış çeşitli yıldızlar, galaksiler var olamaz mı? Anti-madde ve madde aynı davranış özelliklerini göstereceğinden, anti galaksiler normal galaksilerin yaydığına benzer radyasyon yayacaktır. Astronomik gözlemler de bu konuda herhangi bir fark gösterememektedirler.

Anti-maddeyi belirlemenin bir yolu, yıldız ve galaksilerin yaydığı parçacıkları izlemektir. Yıldızlar da Güneş gibi çok büyük miktarlarda nötrinolar yaymaktadırlar. Nötrinolar hiçbir engel tanımadan yollarına devam etmekte ve hatta her saniye milyonlarca parçacık dünyamızdan da geçip gitmektedir. Anti-yıldızlar nötrinolardan daha değişik özelliklere sahip anti-nötrinolar yayıyor olabilirler ve bizler bunları inceleyerek anti-yıldızları tanımlamada önemli atılımlar yapabiliriz. Fakat yeteri kadar nötrino durdurmak için birkaç ışık yılı kalınlığında demir levha gerektiğini de hemen söyleyelim.

Bir yıldızın patlaması sonucu çok büyük miktarlarda nötrino ve anti-nötrinolar yayılır.

Bir yıldızın patlaması sonucu çok büyük miktarlarda nötrino ve anti-nötrinolar yayılır.

Anlaşıldığı gibi nötrinolar çok zor ve ender olarak belirlenebilmektedirler. Örneğin Brookhaven Ulusal Laboratuvarı tarafından son on yılda Güneş’ten gelen nötrinoların ancak birkaçı tutulabilmiştir. Nötrinoları tutabilmek bu denli zor olduğuna göre, anti-yıldızlardan gelecek anti-nötrinoları tutmak doğal olarak çok daha zor olacaktır. Tabii bu durum, çeşitli astrofiziksel patlamalar sırasında daha farklıdır.

Kozmik ışınlar dış dünyamız hakkında önemli bir bilgi kaynağı oluştururlar. Kozmik ışınlar, çoğunluğunu protonların oluşturduğu ve ağır çekirdekleri de içeren ışınlardır. Bu ışınlar galaksinin her yanından geldiği için bunlar üzerinde yapılacak çalışmaların bu konuda kayda değer bulgular vermesi oldukça şüphelidir.

Anti-maddeyi galaksimiz dışında aramamız gerekir. Eğer anti-yıldızların oluşturdukları bir galaksi normal bir galaksi ile karşılaşırsa, bunlar birbirlerini yok edebilirler. Bu da bize farklı bir sinyal verebilir. Astronomların, olabilecek farklı sinyalleri izlemeleri sonucunda birçok bilgiler elde edilebilir. Bir elektronun bir pozitron tarafından yok edilmesi sonucu iki gama ışını açığa çıkar. Bunlardan her biri, 0.51 milyon elektron Volt’a (MeV) sahip olup zıt yönlerde hareket ederler. Proton ve anti-protonun birbirini yok etmesi “pion” adı verilen birçok parçacığı da ortaya çıkarır.

Astronomlar henüz böyle sinyaller yakalamamalarına rağmen, bu durum anti-maddenin olmadığını göstermez. Hannes Alfvén, bir anti-galaksi ile normal galaksi karşılaştığında, öncelikle en dıştaki yıldızların yok olacağını söylemektedir. Alfven, bu yok olma sonucunda çıkacak radyasyonun her iki galaksiyi de birbirinden uzaklaştırarak daha geniş bir yok olmayı engelleyeceği görüşündedir.

Sonuçta doğada çok miktarda anti-madde olduğu kanıtlanmasa da, bunun laboratuvarda yapılabileceği fikri gündeme gelmiştir. Örneğin anti-hidrojen, anti-maddenin en basit şeklidir. Anti-hidrojenin yapılması için de yeteri kadar pozitron ve anti-pozitrona ihtiyaç duyulmaktadır. Fizikçiler gerekli anti-parçacıkları laboratuvarda yapmayı neredeyse başarmış durumdadırlar.

Bu konuda birçok çalışmalar yapılmış ve ilerlemeler kaydedilmiştir. Araştırmacılar 25 GeV proton ivmelendiriciler ile çok miktarda anti-proton üretimini gerçekleştirmişler (1960) ve 1970’li yıllarda saniyede yaklaşık 1000.000 anti-proton geçirebilecek yoğunlukta bir ışın demeti elde etmişlerdir.

Daha yakın zamanda İtalyan fizikçi Carlo Rubbia, proton ve nti-protonun çarpıştırılması sonucu zayıf elektriksel güç taşıyan W ve Z parçacıklarının elde edilebileceğini belirtmiştir. CERN (Avrupa Parçacık Fiziği Laboratuvarı) ‘nın uygulamaya koyduğu (1981) bir proje ile iki yıl içinde bu parçacıklar elde edilmişlerdir.

Proton ve anti-protonların çarpışması sonucu zayıf elektriksel güce sahip olan W ve Z parçacıkları açığa çıkar.

Proton ve anti-protonların çarpışması sonucu zayıf elektriksel güce sahip olan W ve Z parçacıkları açığa çıkar.

CERN, şu sıralarda anti-proton kaynağının kalitesini (yoğunluğunu) yükseltecek bir sistem oluşturma çabasındadır. Bu sistem, bu yıl denenecek ve 1988’de tamamen çalışmaya geçecektir. Yüksek enerji deneylerine ek olarak, yüksel şiddette anti-proton üretimi, fizikçilere anti-madde yapımı deneylerinde kolaylık sağlayacaktır.

Tüm bu çalışmalar, anti-maddenin en basit şekli olan anti-hidrojen yapmak içindir. Anti-hidrojen yapmanın en az iki yolu vardır. Bunlardan biri, anti-proton ve anti-pozitronu bir sistemde durdurup birleşmelerini sağlamak, diğeri de eşit hızda ve paralel olarak bir sistemde hareket etmelerini gerçekleştirerek birleşmelerini sağlamak.

Önümüzdeki yıllarda fizikçiler anti-hidrojen atomunu yapmayı başaracaklardır. İnsanlar şimdiden, bu anti-maddenin neler sağlayacağı konusunda spekülasyonlar yapmaya başlamışlardır. Örneğin anti-madde, yıldızlar arası seyehat için ideal yakıt olabilir. Çünkü çok az bir miktarı dahi, çok fazla enerji üretmeye yetmektedir.

Uzay gemisi "Atılgan"ın hareketleri anti-madde ile gerçekleştirilebilir!..

Uzay gemisi “Atılgan”ın hareketleri anti-madde ile gerçekleştirilebilir!..

Mevcut roketleri hareket ettirmek için gerekli anti-madde miktarı sadece birkaç miligramdır. Fakat, gramın milyarda biri akdar bir miktarda anti-hidrojen yapmak için dahi milyonlarda anti-proton gereklidir. Görüldüğü gibi problem çok büyük olduğundan, maliyeti de yüksek olacaktır.

Eğer şu andaki çalışma hızını göz önüne alırsak, bu işler için yeterli anti-proton üretimi 10 milyon yıldan fazla bir zamanı gerektirmektedir.

Anti-maddeden yapılabilecek bir bombanın sonucunu düşünen bazı insanlar, bu konuda büyük spekülasyonlar yaratmaktadırlar. Bu ise bize uzak bir ihtimal gibi gözükmektedir; çünkü halihazırda konvensiyonel yöntemler ile çok daha etkili ve çok daha ucuz (anti-maddeye göre) bombalar yapılabilmektedir.

Anti-parçacıklar bize temel simetri yasalarına yeni bakış açıları verdiği gibi, bilim adamlarına da yeni yeni araştırma alanları açmıştır. Schuster’in yaklaşık 100 yıl önce sözünü ettiği madde ile anti-madde arasındaki simetri, bizlere evrenin temel kanunlarını anlamada daha engin ufuklar açacaktır.

Peter KALMUS, New Scientist
Bilim ve Teknik Dergisi, Sayı: 240
Kasım 1987
Çev.: Mehmet Gündoğan

pS. 26 Ağustos sayfa notu:
Ayrıntılı ve ileri bilgiler edinmek için Hans von Aiberg’in “Arz’dan Arş’a…” serisi kitaplarına bakınız.