Madde-Antimadde Asimetrisi: Neredeyse Tamamen Maddeden Oluşan Evrenimizde, Antimadde Nereye Kaybolmuş Olabilir?
Evrenimizin başlangıcı olan büyük patlamanın hemen ardından geçen ilk anlarda, günümüzdeki maddelerin oluşmasını sağlayan parçacıklar ve antiparçacıklar oluşmaya başladı. Parçacık ve antiparçacıklar, birbirlerinin tam zıttı olan ve yaşamımızda dokunduğumuz, hissettiğimiz, gördüğümüz her şeyin sorumlusu olan temel taneciklerdir. Bu temel taneciklerin çiftler halinde ve eşit şekilde oluşması gerekiyordu. Fakat günümüzde gördüğümüz ve göremediğimiz neredeyse her şey maddeden oluşur. Gezegenler maddedir, bilgisayarlarımız maddedir, virüsler maddedir... Görünen o ki, evrenimizde çoğunlukla madde bulunuyor; antimadde sayısı maddeye kıyasla oldukça az. İşte bu duruma madde-antimadde asimetrisi deniyor. Peki, maddeleri oluşturan, parçacıkların çiftleri olan antiparçacıklar yani antimaddeler nerede? Bu soru, fizik biliminin günümüzde karşılaştığı en önemli sorularından bir tanesi.
Antiparçacıklar ile ilgili daha detaylı bir yazıyı buradan okuyabilirsiniz; ama hatırlamak için burada hızlıca bir göz atalım. Antiparçacıklar, parçacıklara göre zıt elektrik yük taşıyan taneciklerdir. Yani:
- Parçacık olan proton pozitif yüklüdür; antiparçacık olan antiproton negatif yüklüdür.
- Parçacık olan nötron nötrdür; antiparçacık olan antinötron da nötr yüklü (her ne kadar iki taneciğin de elektrik yükü aynı olsa da, antinötronun manyetik momenti nötrona göre zıt yönlüdür).
- Parçacık olan elektron negatif yüklüdür; antiparçacık olan pozitron pozitif yüklüdür.
Madde ve antimadde, Büyük Patlama'dan beri çiftler halinde oluşmuştur. Büyük Patlama'nın ilk anlarında Evren, madde-antimadde çiftleri ile doluydu. Bu zıt çiftler birbirleriyle temas ettikleri anda yok olurlar. Yok olan çiftler, arkalarında saf enerji bırakırlar. Eğer madde ve antimadde aynı anda oluşup, aynı anda yok olduysa Evren'imizde saf enerjiden başka hiçbir şey olmaması gerekirdi. Ancak bu Evren içinde evrimleşen bilinçler olarak görebildiğimiz üzere; bu yok olma evresinde çok az miktarda madde, antimaddeden kaçmayı başardı: Her 1 milyar madde-antimadde çifti için sadece 1 adet madde atomu... Kaçmayı başaran bu maddeler sayesinde bugün var olabiliyorsunuz ve bu yazıyı okuyabiliyorsunuz.
Aslında Evren'imizde sınırlı sayıda madde veya antimadde yoktur; günümüz teknolojisi sayesinde antimadde üretimi yapılabilmektedir (her ne kadar bu, şu anda oldukça pahalı bir işlem olsa da). Örneğin deneysel amaçla CERN'de antimadde üretimi yapılabilmektedir. Ancak antimaddelerin üretimi deneysel amaçlarla da sınırlı değildir; örneğin vücudumuzdaki metabolik işlemleri görüntüleme amacıyla kullanılan PET tarayıcıları, görüntülemeyi yaparken antimadde üretimine başvurmaktadır.
Peki günümüzde antimadde sadece insan eliyle mi üretilebilir? Hayır, bu duruma örnek olarak bir kuark ve bir antikuarktan oluşan mezonları gösterebiliriz. Nötr mezonlar; kendiliğinden maddeden antimaddeye veya antimaddeden maddeye dönüşebilmektedir. Yani Evren'de kendiliğinden antimadde üretimi gerçekleşebilmektedir!
Her ne kadar bu dönüşüm yoluyla üretim süreci %50 ihtimale sahipmiş gibi görünse de Fermilab'da yapılan çalışmalar durumun öyle olmadığını göstermektedir: Nötr mezonlar, antimaddeye dönüşmektense, her nedense maddeye dönüşmeyi "tercih ediyor". Burada çözülmesi gereken asıl sorulardan biri, mezonların neden bu davranışı gösterdiğidir. Eğer mezonların bu davranışını açıklayabilirsek, madde-antimadde asimetrisinin sebebini bulmaya yaklaşabiliriz; hatta kim bilir, belki bu sırrı tamamen çözebiliriz bile!
Sakharov Koşulları: Asimetriyi Oluşturan Koşullar
Nobel Barış Ödülü'nün sahibi ve Sovyet Atom Bombası Projesi'nin başındaki isimlerden biri olan Rus nükleer fizikçi Andrey Sakharov, asimetrinin oluşabilmesi için aynı anda mevcut olması gereken üç koşulun bulunduğunu öne sürmüştür. Bu koşullar:
- Baryon sayısının ihlali,
- CP Simetrisinin ihlali,
- Etkileşimlerin termal dengesizlikte gerçekleşmesidir.
Şimdi gelen bu koşulların ne demek olduklarına biraz daha yakından bakalım.
Baryon Sayısının İhlali
Baryonlar, ağır atom altı parçacıklardır; örneğin, proton ve nötronlar baryon sınıfına girer. Baryon sayısı, atom altı parçacıkları nitelendiren bir kuantum sayısını ifade eder. Tıpkı izole bir sistemde enerjinin korunabileceği gibi baryon sayısı da korunan bir büyüklüktür. Yani, parçacık etkileşimlerinin başlangıcında ve etkileşim sonucunda toplam baryon sayısı aynı kalmalıdır. Sakharov'a göre asimetrinin oluşabilmesi için aşılması gereken ilk bariyer, baryon sayısının korunumudur. Ancak, deneysel olarak baryon sayısının korunumu henüz bozulamamıştır.
CP Simetrisinin İhlali
CP ihlalinin ne olduğunu anlamak için öncelikle C'nin ve P'nin ne anlama geldiğine bakmamız gerekir. C, "yük birleşimi" anlamına gelen "charge conjugation" olgusunu temsil eder. Yük birleşimi; atom altı parçacıkları içeren denklemlerde, parçacıkları antiparçacıklara (veya tam tersi yönde) değiştiren bir işlemdir. Örneğin, elektronu pozitron ile nötronu ise antinötron ile değiştirir.
P ise "parity", yani "eşlik" anlamına gelir. Temel matematikte sıklıkla karşılaştığımız kartezyen koordinat sistemini düşünelim (x,y,z). Bu sistemin elemanlarını, başlangıç noktasına göre simetrik olarak değiştirdiğimiz zaman (-x,-y,-z) sistemde bir değişiklik olmuyorsa bu sisteme simetrik veya "eş" diyebiliriz.
Evrim Ağacı'nın çalışmalarına Kreosus, Patreon veya YouTube üzerinden maddi destekte bulunarak hem Türkiye'de bilim anlatıcılığının gelişmesine katkı sağlayabilirsiniz, hem de site ve uygulamamızı reklamsız olarak deneyimleyebilirsiniz. Reklamsız deneyim, sitemizin/uygulamamızın çeşitli kısımlarda gösterilen Google reklamlarını ve destek çağrılarını görmediğiniz, %100 reklamsız ve çok daha temiz bir site deneyimi sunmaktadır.
KreosusKreosus'ta her 10₺'lik destek, 1 aylık reklamsız deneyime karşılık geliyor. Bu sayede, tek seferlik destekçilerimiz de, aylık destekçilerimiz de toplam destekleriyle doğru orantılı bir süre boyunca reklamsız deneyim elde edebiliyorlar.
Kreosus destekçilerimizin reklamsız deneyimi, destek olmaya başladıkları anda devreye girmektedir ve ek bir işleme gerek yoktur.
PatreonPatreon destekçilerimiz, destek miktarından bağımsız olarak, Evrim Ağacı'na destek oldukları süre boyunca reklamsız deneyime erişmeyi sürdürebiliyorlar.
Patreon destekçilerimizin Patreon ile ilişkili e-posta hesapları, Evrim Ağacı'ndaki üyelik e-postaları ile birebir aynı olmalıdır. Patreon destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi 24 saat alabilmektedir.
YouTubeYouTube destekçilerimizin hepsi otomatik olarak reklamsız deneyime şimdilik erişemiyorlar ve şu anda, YouTube üzerinden her destek seviyesine reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. YouTube Destek Sistemi üzerinde sunulan farklı seviyelerin açıklamalarını okuyarak, hangi ayrıcalıklara erişebileceğinizi öğrenebilirsiniz.
Eğer seçtiğiniz seviye reklamsız deneyim ayrıcalığı sunuyorsa, destek olduktan sonra YouTube tarafından gösterilecek olan bağlantıdaki formu doldurarak reklamsız deneyime erişebilirsiniz. YouTube destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi, formu doldurduktan sonra 24-72 saat alabilmektedir.
Diğer PlatformlarBu 3 platform haricinde destek olan destekçilerimize ne yazık ki reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. Destekleriniz sayesinde sistemlerimizi geliştirmeyi sürdürüyoruz ve umuyoruz bu ayrıcalıkları zamanla genişletebileceğiz.
Giriş yapmayı unutmayın!Reklamsız deneyim için, maddi desteğiniz ile ilişkilendirilmiş olan Evrim Ağacı hesabınıza üye girişi yapmanız gerekmektedir. Giriş yapmadığınız takdirde reklamları görmeye devam edeceksinizdir.
Peki bunların önemi nedir? Bu simetriler, 1957 yılına kadar hiçbir şekilde ihlal edilemez kabul ediliyordu. Ancak deneysel çalışmalar sonucunda görüldü ki hem yük birleşimi (C) hem de eşlik (P) birbirlerinden bağımsız olarak (farklı durumlarda) ihlal edilebiliyor. Yani her parçacık C veya P simetrisine uymak zorunda değildir. Öyle ki, bu durum Chien-Shiun Wu tarafından deneysel olarak ispat edildi ve kendisi bu çalışmasıyla Wolf Ödülü'nü kazandı.
C ve P simetrilerinin ayrı ayrı ihlal edilebileceği kanıtlandıktan sonra; bu iki kavramı ayrı ayrı ele almak yerine bir bütün olarak ele alarak yeni bir simetri oluşturma fikri geliştirildi: CP Simetrisi. Günümüzde yapılan deneysel çalışmalara rağmen CP simetrisi hiçbir şekilde ihlal edilemedi. Yani hem yük birleşimi hem de eşlik aynı anda, aynı sistem için ihlal edilemiyor.
Etkileşimlerin Termal Dengesizlikte Gerçekleşmesi
Birbirlerini tek bir duvarın ayırdığı ve farklı sıcaklılarda olan iki kapalı oda (kapalı olması dışarıdan sıcaklığa bir müdahale olmayacağı anlamına gelir) düşünelim. Bu duvar aracılığıyla sıcaklığı yüksek olan odadan soğuk olan odaya ısı geçişi olur. Bu ısı geçişi sonucunda odaların sıcaklıkları eşit hale gelir ve termal denge sağlanmış olur. Bu şekilde birazdan bahsedeceğimiz termal dengeyi örneklendirebiliriz, sıcaklıkları farklı iki sistemin eşit sıcaklığa gelmesi ve yeni sıcaklıkların korunması. Peki, termal dengenin madde asimetrisi ile olan ilgisi ne?
Aslında, termal denge ve CP Simetrisi birbiri ile doğrudan ilişkili iki kavram. Baryonların ortalama enerjisini hesaplayan matematiksel formül, işlem yapılan sistemde (Evren'imiz) CP Simetrisinin geçerli olduğunu kabul ederek işlem yapıyor. Yani, termal dengesizlik ancak CP Simetrisi'nin ihlali olursa oluşabiliyor. Eğer CP Simetrisi ihlal edilmemişse termal denge de bozulmuyor. Bu bahsettiğimiz durum, termal dengenin asimetri ile olan birinci ilişkisidir
İkinci ilişki ise şöyle açıklanabilir: Büyük Patlama'dan sonraki ilk anlarda evrenin genişleme hızı, madde-antimadde çiftlerinin etkileşim hızından daha yüksek bir hıza ulaştıysa, parçacıklar termal dengeyi yakalayamamış olabilir.
Büyük Patlama'dan hemen sonra bu üç koşulun da aynı anda gerçekleştiğini varsayarsak; termal dengeyi yakalayamayan madde-antimadde çiftlerinin birbirlerini yok etme dengesi bozulmuş ve çoğunlukla parçacık oluşumuna yönelik bir asimetri ortaya çıkmış olabilir. Her ne kadar bu koşullar oldukça detaylı ve tutarlı görünen koşullar olsa da, sonuçta Sakharov'un koşulları antimaddelerin evrenimizde bu kadar az sayıda bulunmasını açıklamaya yetmiyor.
Bu asimetriye yönelik başka fikirler veya açıklamalar yok mu? Var, gelin onlara bakalım.
Evren'de Henüz Keşfedemediğimiz Antimadde Olabilir mi?
Madde-antimadde asimetrisine yönelik yapılmaya çalışılan açıklamalardan birisi bu yöndedir. Yani, evrenimizin farklı parçacık yoğunluklarına sahip bölgeleri olabilir. Örneğin, Büyük Patlama sırasında maddeler (çoğunlukla) bizim görebildiğimiz (ve içinde olduğumuz) galaksilerin bulunduğu bölgelere yayılmış olabilir ve henüz keşfedemediğimiz veya görüntüleyemediğimiz bölgelerde ise antimadde ağırlıklı bölgeler, galaksiler bulunuyor olabilir. Fakat bu fikri destekleyecek herhangi bir çalışma bulunmadığından madde-antimadde asimetrisinin sebebini bu şekilde açıklayamıyoruz.
Antimadde Varsa Neden Antievren Olmasın?
Teorik fizik alanında Dünya'nın önde gelen kuruluşlarından olan Perimeter Institute for Theoretical Physics kurumu da böyle düşünmüş olsa gerek... Enstitü'nün yayınladığı makaleye göre, Evren'imizde CP Simetrisi asla bozulamaz. Çünkü evrenimizin kendisi, CP Simetrisinin bir görüntüsü! Yani Büyük Patlama ile oluşan Evren'imiz, Büyük Patlama'dan önce bulunan evrenin bir simetri görüntüsü... Böylelikle iki evren, tıpkı madde-antimadde çiftinin oluşturduğu gibi evren-antievren çifti oluşturuyor. Evren'imiz zamanda ileriye doğru giderken, bize göre simetrik olan CP Simetrik evreni zamanda ters olarak ilerliyor; bizim evrenimiz çoğunlukla maddeden oluşurken, simetrik evrenimiz çoğunlukla antimaddeden oluşuyor.
Makale içerisinde bu görüşleri destekleyecek verileri bir araya getiren Enstitü, henüz test edilmemiş fakat gelecekte test edilebilecek hipotezler de ileri sürmektedir. Ancak bu yayın, henüz fizik camiasında genelgeçer olarak kabul edilmiş bir görüş değil ve madde-antimadde asimetrisinin kesin sebebini belirtmiyor, belirttiği kabul edilmiyor.
Sonuç
Toparlayacak olursak, her ne kadar konuyla ilgili oldukça fazla teorik ve deneysel çalışma olsa da; madde-antimadde asimetrisi fizik biliminin henüz yanıtlanamamış en önemli sorularından birisi ve uzun süre de böyle kalacak gibi görünüyor.
İçeriklerimizin bilimsel gerçekleri doğru bir şekilde yansıtması için en üst düzey çabayı gösteriyoruz. Gözünüze doğru gelmeyen bir şey varsa, mümkünse güvenilir kaynaklarınızla birlikte bize ulaşın!
Bu içeriğimizle ilgili bir sorunuz mu var? Buraya tıklayarak sorabilirsiniz.
Soru & Cevap Platformuna Git- 32
- 14
- 14
- 12
- 5
- 3
- 3
- 1
- 0
- 0
- 0
- 0
- CERN. The Matter-Antimatter Asymmetry Problem. (14 Mart 2021). Alındığı Tarih: 14 Mart 2021. Alındığı Yer: CERN | Arşiv Bağlantısı
- G. C. Nayak. (2021). Matter-Antimatter Asymmetry Of The Universe And Baryon Formation From Non-Equilibrium Quarks And Gluons. ArXiV, sf: 14. | Arşiv Bağlantısı
- M. Dine, et al. (2021). The Origin Of The Matter-Antimatter Asymmetry. ArXiV, sf: 38. | Arşiv Bağlantısı
- L. Boyle, et al. (2021). Cpt-Symmetric Universe. ArXiV. | Arşiv Bağlantısı
- J. Matson. Fermilab Finds New Mechanism For Matter's Dominance Over Antimatter. (14 Mart 2021). Alındığı Tarih: 14 Mart 2021. Alındığı Yer: Scientific American | Arşiv Bağlantısı
Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?
Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:
kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci
Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 11/12/2024 12:53:38 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/10269
İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.