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!

SPACE.com

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.

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.

Görsel, Wikipedia'dan alınmış, Ali Mert TURAÇLAR tarafından düzenlenmiştir.

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.