Paul Adrien Maurice Dirac geçmiş yüzyılın en göze çarpan fizikçi ve matematikçilerinden biridir. Paul Dirac antimaddenin varlığını öngören meşhur Dirac denklemi sayesinde 1933 yılında Nobel Ödülü’nü Erwin Schrödinger ile paylaşmıştır.
Paul Dirac, Bristol Üniversitesi’nde elektrik mühendisliğinden 1921 yılında mezun olduktan sonra, yine Bristol Üniversitesi’nde 2 sene matematik alanında çalıştı. Matematik çalışmasının ardından Cambridge’te St. John’s Koleji’nde araştırmacı olarak çalışmaya başladı ve 1926 yılında doktorasını tamamladı. Ertesi sene orada akademik üye olarak çalışmaya başladı ve 1932’de Cambridge’te matematik profesörü ünvanını aldı.
Paul Dirac’ı Nobel Ödülü’ne götüren asıl çalışması Albert Einstein’ın 1915’te yayımladığı genel görelilik teorisiyle, elektronların enerji seviyelerini açıklayan kuantum teorilerini 1928’de birleştirerek rölativistik (ışık hızına yakın) bir hızda hareket eden elektronların davranışını açıklaması olmuştur.
Denklem ne kadar güzel olsa da, sanki denklemin bir sorunu varmış gibi görünüyordu, çünkü denklemin iki sonucu vardı. Bir sonuç negatif yüklü bir elektron içindi, diğer sonuçsa çok ilginç bir şekilde pozitif yüklü bir “elektron” içindi. Denklem negatif enerjili elektronların da olabileceğini gösterse de, klasik fizik bir parçacığın enerjisinin pozitif olmasını zorunlu kılıyordu. Dirac denklemi, var olan her parçacığa karşılık gelen ve her özelliğinin aynı, fakat sadece zıt yükünde bir parçacık daha olması gerektiğini gösteriyordu. Bu maddeler antimadde olarak tanımlandı. Yani her bir elektron için, her yönüyle aynı ama pozitif yüklü bir “antielektron” olmalıydı.
1932 yılında Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nde genç bir profesör olan Carl Anderson, bir bulut odasında kozmik parçacık yağmurlarını çalışırken “pozitif yüklü ve bir elektronla aynı kütleye sahip bir şey” tarafından bırakılmış bazı izler gördü. Neredeyse bir yıllık gözlemlerden sonra bu izlerin antielektronlara ait olduğuna karar verdi. Her biri bir elektronla beraber, bulut odasındaki kozmik ışınların çarpışmalarından oluşmuştu. Carl Anderson antielektrona “pozitron” adını verdi.
Bu keşif kısa bir süre sonra, 1934 yılında Guiseppe Occhialini ve Patrick Blockett tarafından da onaylandı.
Anderson, pozitronun keşfi sayesinde 1936 yılında Victor Hass ile Nobel Ödülü’nü paylaştı. Fizikçilerin aradığı bir sonraki parçacık daha ağır bir parçacık olan antiprotondu ve bir 22 yıl boyunca daha keşfedilemeyecekti.
1954 yılında Ernest Lawrence, Bevatron adında bir proton hızlandırıcısının inşasını idare etti. Cihazın adı o zamanlar kullanılan “milyar elektronvolt”un simgesi “BeV”den geliyordu. Bevatron, protonları 6,2 BeV’de (şu anki simgesiyle GeV), yani antiproton üretmek için öngörülen enerjide çarpıştırmak için tasarlanmıştı.
“1 Nisan 1954’te manyetik alanda 6 BeV’e denk gelen zayıf bir atım elde edildi. Şiddeti, içerideki nükleer emisyonda oluşan izlerin sayılmasıyla ölçülebildi. Şiddet, akım başına 104 ile 106 protondu,” diyor Edward Lofgren. Bevatron artık çalışıyordu!
1955 yılında Bevatron’daki bir grup tarafından yazılan “Antiprotonların Gözlemi” isimli bir yazıda yeni bir parçacığın keşfinden bahsediliyordu: Her yönüyle protonla birebir aynı, fakat yükü negatifti. Hemen bir sene sonra, 1956’da Bevatron’da çalışan ikinci bir takım da antinötronun keşfini açıklayan bir makale yayınladı.
1995 yılında, Walter Oelert tarafından yönetilen bir takim CERN’de antihidrojen atomlarını yaratmayı başardı. Antiprotonlar ve ksenon atomlarının çarpıştırılmasıyla 3 haftalık bir süre içerinde 9 tane antihidrojen atomu üretildi. Her biri yaklaşık saniyenin kırk milyarda biri kadar varlığını sürdürdü. Neredeyse ışık hızında hareket eden bu atomlar 10 metrelik bir yol katettikten sonra normal madde ile çarpışarak yok oldu. Bu yok olma iyi bir şeydi çünkü antiatomların oluştuğunu gösteriyordu.
Antimadde ile ilgili en kafa karıştırıcı sorulardan biri ise evrende neden maddenin antimaddeden daha fazla olduğu. CERN’de yapılan deneylerde, bir tılsımlı kuark ve bir yukarı veya aşağı antikuarktan oluşan D-mezonların, normal bir parçacık ile bir antiparçacık arasında sürekli salınım yaptığı gözlemlendi. Bu olay daha önce K-mezonlarda ve B-mezonlarda da gözlenmişti. Ancak bazı durumlarda bu salınım olayı, mezonun antimezona dönüşmesi ve bunun tersi farklı oranlarda oluyordu. 1960’larda yapılan deneyler K-mezonun antiparçacıktan normal parçacığa geçmesinin daha olası olduğunu ve 2010 yılında Fermilab’de yapılan bazı gözlemler ise bunun B-mezonlar için de doğru olabileceğini gösterdi. Bunlar yük-parite ihlali (Fizik yasalarının madde ve antimadde için simetrik olması prensibinin istisnası) olarak bilinen bir olayın örnekleri. Bu ihlal evrenimizin neden maddeden oluştuğunu açıklamakta belki bize birazcık yardımcı olabilir. Fizik son yüzyılda ne kadar hızlı bir gelişim göstermiş olsa da hala bilmediğimiz birçok şey ve antimadde konusunda aydınlatılmayı bekleyen sorularımız var. Bunların en azından bir kısmını açıklayabilmek ise geleceğin fizikçilerine düşüyor.
Yazarlar: Ege Özkoç – Ulaş Can Yazar