Fizikçiler Işık Hızını Şimdiye Kadarki En Yüksek Enerjilerde Test Ettiler!

Fizikçiler, şimdiye kadarki en yüksek enerjili ışık hızı testini yaptılar ve patlayan yıldızlar gibi kaynaklardan fışkıran gama ışınları da dahil olmak üzere evrenin her yerinde ışık hızının sabit olduğunu buldular.

Bu, tespit edebileceğimiz en yüksek enerjilerde bile Albert Einstein'ın özel görelilik teorisinin temel direklerinden birinin hala sağlam durduğu anlamına gelir. New Mexico'daki Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'ndan astrofizikçi Pat Harding şöyle diyor:

Göreliliğin çok yüksek enerjilerde nasıl davrandığını anlamanın, çevremizdeki dünya üzerinde gerçek etkileri vardır. Çoğu kuantum yerçekimi modeli, görelilik davranışının çok yüksek enerjilerde bozulacağını söyler. Bu tür yüksek enerjili fotonları gözlemlememiz, göreliliğin geçerli olduğu skalayı yüz kata kadar artırıyor.

Lorentz değişmezliği, özel göreliliğin temel ilkesidir. Evrende nerede olursanız olun, ışık hızı da dahil olmak üzere fizik yasalarının aynı kaldığını ifade eder. Ancak Lorentz'in değişmezliğinin çok yüksek enerjilerle ihlal edilebileceğine dair teoriler vardır. Eğer bu doğruysa, bunu açıklamak için yeni fizik kanunlarına ihtiyacımız var. Ama aynı zamanda bunları tespit etmemiz de mümkün olabilir.

Lorentz değişmezliği yüksek enerjilerde kırılırsa, yüksek enerjili fenomenler görelilikle bağdaşmayan beklenmedik davranışlar sergilemelidir; örneğin ışık, farklı hızlarda seyahat edebilmelidir.

İşte burası, gama ışınlarının devreye girdiği yer. Atomik çekirdeklerin radyoaktif bozunma sonucu oluşan elektromanyetik spektrumdaki en kısa dalga boyu, en yüksek enerjili ışık türüdür. Süpernovalardan, nötron yıldızlarından, yıldız patlamalarından ve kara deliklerin etrafındaki bölgelerden yayılırlar.

Wikipedia

Eğer gama ışınları Lorentz değişmezliği ihlali altında hızlanırsa, gama ışını fotonları Dünya'ya ulaşmadan önce daha düşük enerjili parçacıklara dönüşür. Bu düşük enerjili parçacıklar buraya gelebilir ya da gelemeyebilir, ama artık gama ışını olamazlar.

Bu noktada bir de Yüksek İrtifa Su Cherenkov Gözlemevi'ni (HAWC) konuşmalıyız. Bu gözlemevi, 100 milyardan 100 trilyon elektronvolta (100 gigaelektronvolt veya GeV, 100 teraelektronvolt veya TeV) en yüksek enerjili gama ışını ışınlarını tespit etmek için tasarlanmış en yüksek irtifadaki gama ışını detektörüdür. Bu, görünür ışığın enerjisinin yaklaşık 100 milyar ila 100 trilyon katına denk gelir!

HAWC Gözlemevi, isminden de anlaşılacağı üzere, bir Cherenkov dedektörüdür. Işığı algılayabilen fotoçarpan tüpleri ile suyla dolu bir dizi tanktan oluşur. Bir gama ışını üst atmosfere çarptığında, atmosferik moleküllerle olan etkileşimleri nedeniyle enerji kaybeder ve ışık hızında parçacıklardan oluşan basamaklı bir sağanak oluşturur.

Wikipedia

İşte HAWC Gözlemevi'nin tespit etmek üzere tasarladığı parçacıklar da bunlar. Suya yüksek hızlarda girdiklerinde, ışığın suyun içinden geçebileceğinden (kısaca) daha hızlı seyahat ederler, çünkü su, ışığı biraz yavaşlatıyor.

Bu bir "lüminal patlama" (İng: "luminal boom") üretir. Bu, bir sonik patlamanın eşdeğeridir. Bu patlama, ultraviyole bir parlaklık üretir. Bu parıltıya Cherenkov radyasyonu deniyor ve fotoçarpan tüpleri bunu yakalıyor.

Gama ışınları ne kadar yüksek olursa, elde edilen sağanakta o kadar fazla parçacık oluşur. Fizikçiler, gama ışını enerjilerini bu şekilde ayırt edebilirler.

Bu yöntemle, HAWC Gözlemevi son zamanlarda 100 TeV'den yüksek enerjilere sahip bir dizi gama ışını tespit etmiştir. Bu gerçek, tek başına, Lorentz değişmezliğinin ihlali üzerine kısıtlamalar getiriyor. Bu fotonlar bir vakum ışık hızından daha hızlı seyahat değildi anlamına gelir. Aslında, hiçbiri Lorentz'in değişmezliğiyle ilişkili foton çürümesi belirtisi göstermedi.

Bu, Lorentz'in değişmezliğinin daha yüksek enerjilerde kırılamayacağı anlamına gelmiyor; ama tespit edilebilir sınırlarımız içinde kırılmadığı anlamına geliyor. Ve bu gerçekten harika! Harding, şöyle diyor:

Astronomik mesafelerden elde edilen daha yüksek enerjili gama ışınlarının tespiti, görelilik konusunda daha sıkı kontrollere olanak sağlayacaktır. HAWC, önümüzdeki yıllarda daha fazla veri almaya devam ettikçe ve Los Alamos Laboratuvarı önderliğindeki iyileştirmeleri en yüksek enerjilerde detektör ve analiz tekniklerine dahil ettikçe, bu fiziği daha da ileriye götürebileceğiz.