Maddenin zamanda ters ilerleyen ikizi olarak yorumlar Richard Feynman karşı-maddeyi. Parçacık fiziği diyagramlarında karşı-maddenin zaman oku ters yöne çizilir. Fizikçilere hesaplama kolaylığı getirdiğinden olsa gerek, çabuk benimsenmiştir bu yorum. Hâlbuki zamanın okunu ters çizmek kolay, ama anlaması zordur.
Paul Dirac, 24 yaşında Cambridge Üniversitesi’nde bitirdiği doktora teziyle kuantum fiziği dünyasının matematiksel yapısını değiştirmişti bile. 26 yaşında, geliştirdiği denklemlerden elektronun artı yüklü bir ikizi, yani karşı-maddesi (antimaddesi) olması gerektiği sonucuna vardı. Parçacığın ismini pozitron koyan Dirac’ın doğrulanması sadece dört yıl alacaktı. 1932’de 27 yaşında bir Amerikalı olan Carl Anderson, Caltech’te pozitron parçacıklarını kozmik ışınlarda keşfetti ve insanlığın karşı-madde ile olan ilginç serüveni başladı. Keşifleri nedeniyle Dirac 1933 yılında, Anderson ise 1936’da Nobel Ödülü’nü aldıklarında henüz 31 yaşındaydılar.
Karşı-madde, maddenin zıt elektrik yükü taşıyan ikizi. Yukarıda bahsettiğimiz gibi eksi yüklü elektronun karşı-maddesi, onunla aynı kütleye sahip olan fakat artı yük taşıyan ters ikizi yani, pozitron. Elektron ve pozitron örneği özel çünkü elektronun karşımaddesinin kendi ismi var. Pozitronlarla, sağlık alanında özellikle onkolojide tümörlerin tanısında kullanılan PET yani pozitron emisyon tomografisi sayesinde bir tanışıklığımız var. Diğer parçacıkların karşımadde ikizlerinin isimleri ise karşı kelimesiyle birleştirilerek veriliyor. Mesela protonun karşı-maddesi, karşı-proton. Artı yüklü protonla aynı kütleye sahip olan karşı-proton ise eksi yüklü. En basit karşı-atom ise bir karşı-hidrojen atomu: bir karşı-protonun yörüngesinde dönen bir pozitrondan ibaret. Diğer tüm elementlerin de karşı-maddesi olduğunu düşünerek hayalinizde karşı-maddeden yapılmış bir dünya hatta evren kurmak serbest… ama acaba gerçekçi mi?
Karşı-madde ilk keşfedildiği 1932 yılında değil, 2000 yılında, Dan Brown’ın CERN kurgusu üzerine yazdığı romanı Melekler ve Şeytanlar’la meşhur oldu. Arada geçen yaklaşık 70 yılda, çok araştırılmış, tartışılmış fakat bir türlü tüm sırlarını vermemişti insanlığa. CERN’de kitapta bahsedilen NASA’nın X-33 uçağından olmadığı gibi, çeyrek gram karşı-madde de bulunmuyordu. Peki romanda çoğu şey hayal ürünü olduğu halde hiç gerçek payı yok muydu uğruna iki Nobel Ödülü verilmiş karşı-madde konulu senaryonun arkasında?
Mesela romanda bahsedildiği gibi, bir gram karşımadde (karşı-hidrojen) bir gramlık maddeyle birleştiği zaman ortaya çıkacak olan patlama, Hiroşima’ya atılan 20 kilotonluk nükleer bombayla aynı enerjiyi taşır mıydı? Meşhur E=mc2formülünden kolayca hesaplanabilecek olan cevap, 42,8 kilotona eşdeğer olduğunu gösteriyor. Peki CERN’ün yarım gram karşıhidrojen yapması ne kadar vakit alırdı? İşte kitabın kurgusu burada ortaya çıkıyor: CERN’deki deney düzeneklerinden gelecekte saniyede en fazla 10 milyon karşı-hidrojen atomu ortaya çıkabilir. Fakat bir gram karşı-hidrojende Avagadro sayısı kadar yani 6×1023 karşı-hidrojen atomu olması lazım. Bu kadar karşıhidrojen atomu yapabilmek için 6×1016 saniye gerekli ki bu da yaklaşık 2 milyar yıl demek! Sizin de bizim de o kadar bekleyemeyeceğimiz açık! Zaten bunu gerçekleştirmenin de bilimsel bir nedeni yok. Peki neden CERN karşı-madde üretiyor? Bunun cevabını nasıl yapıldığını anlattıktan sonra verelim.
CERN’de karşı-madde nasıl yapılıyor? Maddenin kendi başına karşı-maddeye dönmesi imkânsız. Maddeyi (yani kütlesini) önce enerjiye dönüştürmek, sonra da o enerjiden bazı karşı-madde parçacıklarının çıkmasını gözlemlemek gerekiyor. Maddenin enerjiye dönüşme formülü Einstein’ın meşhur E=mc2 formülünden başkası değil. Aslında formülün manası, maddenin kütlesinin enerjinin çok yoğun bir hali olduğu. Yani kütlenin kendisi enerjiyi teşkil ediyor. Peki bu enerjiyi nasıl ortaya çıkarabiliriz? Bunu bir örnekle anlatalım: Büyük meteorlar dünyamızın atmosferine ortalama saniyede 30 km’lik bir hızla giriyorlar. Meteorun hareket yahut kinetik enerjisi atmosfere sürtünmesinden dolayı ısıya dönüşüyor. 100.000 °C’ye kadar ısınabilen meteor eriyor. CERN’de meteorların yerine doğanın en küçük yapı taşları olan protonlar kullanılıyor. Bu parçacıklar, özel hızlandırıcılarda saniyede 300.000 km’lik hıza yani yaklaşık olarak ışık hızına kadar hızlandırılıyorlar. Bu hızda giden bir parçacık bir cisme çarptığında, onun enerjisi sayesinde 10.000.000.000.000 °C’lik bir sıcaklık ortaya çıkabiliyor. Çarpışma noktasında ortaya çıkan enerjinin artık yeniden maddeye dönüşmesi serbest. Fakat doğanın bu dönüşüm için belirlediği bazı kurallar var. Bir madeni para fabrikası düşünelim. Eriyik metalden basılan bozuk paranın bazı birimleri var: 1, 5, 10, 25, 50 kuruş ve 1 lira gibi. Doğa da enerjiyi maddeye dönüştürürken, bazı birimler kullanıyor. Parçacık dünyasının bu birimlerinin en önemlisi tabii ki doğanın yapı taşı diye adlandırdığımız proton, nötron ve elektron. Ama bunların dışında da parçacıklar var: muon, tau, diğer hadronlar, … Hepsinin kendine göre kütle ve elektrik yükü özellikleri olduğu gibi, diğer parçacıklarla nasıl etkileşeceklerini belirleyen başka özellikleri de var. Bir eriyik metal bandından, yani varolan enerjiden, kuruş, mesela proton bastığımızı düşünelim. Basılan kuruşun bıraktığı boşluğu karşı-kuruş olarak düşünebiliriz, yahut karşı-proton. Yani kuruş ve karşı-kuruş gibi, proton ve karşı-proton aynı anda oluşuyor. Bu şimdiye kadar yapılan deneylerle örtüşüyor. Doğa enerjiyi hep madde ve karşımadde çiftleri halinde kullanmayı tercih ediyor. Yukarıda bahsedilen çarpışmalarda ortaya çıkan enerji işte böyle madde ve karşı-madde çiftlerinin oluşumuyla son buluyor. Çıkan parçacıkların kinetik enerjisi yüksek olduğundan onlar çoğunlukla deney düzeneklerinin çarpışma noktasından hızla uzaklaşıyorlar. Önlerine çıkan cisimlerin içinden geçerken enerji kaybedip, bir süre sonra duruyorlar. Etrafımızda sadece madde varolduğu için, çıkan karşı-madde parçacıklar, madde parçacıklar ile karşılaştığında yeniden enerjiye dönüşebiliyor. Fakat bu dönüşüm artık kinetik enerjisinin çoğunu kaybetmiş bir karşı-madde ve madde parçacığı arasında gerçekleştiğinden, yeni bir karşı-madde parçacığı oluşturamıyor. Yani yeniden bir kuruş ve karşı-kuruş çifti oluşturacak enerjiye sahip olmayan dönüşüm, enerjinin sadece ışığa dönüşmesine izin veriyor. Melekler ve Şeytanlarromanında bahsedilen kör edici ışık saçılması bu açıdan doğru. Durağan haldeki (yahut ciddi bir kinetik enerjisi olmayan) karşı-madde ve maddenin karşılaşmasından çıkan enerji çoğunlukla sadece ışık olarak salınıyor.
Peki yine romanda bahsedildiği gibi karşı-madde atomları yapılabilir mi? Yani kimyanın kuralları simetrik olarak hem madde hem de karşı-madde için geçerli mi? Bir elektronun bir protonun elektrik potansiyelinde yakalanmasıyla oluşan hidrojen atomu gibi, bir pozitronun bir karşı-protonun elektrik potansiyelinde yakalanmasıyla karşı-hidrojen atomu yapmak da mümkün. Bu ilk olarak 1995’te CERN’de PS210 adı verilen bir deneyde gerçekleştirildi. Walter Oelert ve Mario Macri liderliğinde dokuz karşıhidrojen atomu yapmayı başaran deney, CERN’deki EAR’ı (Low Energy Antiproton Ring-Düşük Enerjili Karşı-proton Çemberi) kullandı. Kısa bir süre sonra ABD’deki Fermi Laboratuvarı’nda 100 karşı-hidrojen atomu yapıldığı haberi geldi. İki deneyde de ortaya çıkan karşı-hidrojen atomları “sıcak”tı, yani hızları yüksek olduğundan hassas ölçümler için elverişli değildi. Bunun nedeni ise yapılış şekilleriydi. Hâlbuki amaç onları durağan halde gözlemleyip kimyasal ve fiziksel özelliklerini ölçmekti. Çarpışmalardan ortaya çıkan karşı-protonları vakumda manyetik alanlar yardımıyla hapsederek tutmak, maddeyle etkileşimlerini azaltıp, onları uzun süre yaşatmak için çok önemliydi. Ama daha önemlisi onları yavaşlatıp, enerjilerini düşürüp, etraflarında bir pozitronu yakalamalarını sağlayıp, nötr hale getirmekti. Bunları başarmak için CERN’de hepinizin tanıdığı hızlandırıcıların yanı sıra, bir yavaşlatıcı kurulmaya başlandı. 1999 yılında çalışmaya başlayan AD (Antiproton Decelerator) yani Karşı-proton Yavaşlatıcısı, çarpışmalardan çıkan karşı-protonlardan enerji çalıp onların enerjisini 3,5 GeV’den 5,3 MeV’e kadar düşürmeyi başardı. Bu yavaşlatıcı üzerinde birçok deney düzeneği kuruldu. ATRAP, ATHENA ve ASACUSA gibi. Deney düzenekleri karşı-protonları daha da yavaşlatmak için parçacıkları Penning tuzaklarına düşürüyor ve onları pozitronlarla buluşturuyorlar. Şu anda saniyede ancak 100 karşı-hidrojen atomu yapılabiliyor. CERN tahmini olarak bu sayının gelecekte 10 milyona kadar çıkabileceğini söylese de, halen karşı-hidrojeni uzun bir süre saklamak bir hayalden ibaret. Oluşan karşıatomlar tuzaklardan çıkıyorlar ve en fazla onlarca saniye hayatta kalıyorlar. Yine de bu süre içinde onları spektroskobik olarak incelemek ve fizik yasalarını test etmek mümkün oluyor. Fizikçilerin amacı da zaten bu: Doğanın kuralları madde ve karşı-madde için aynı şekilde mi işliyor yoksa farklı mı?
Doğanın madde ve karşımadde çiftlerini hep aynı anda yaratması, gözlemlediğimiz evreni anlama yolunda, fizikçiler için çok büyük bir engel teşkil ediyor. Gözlemlediğimiz evrende şimdiye kadar pek fazla karşımaddeyle karşılaşmadık. Bu şu demek, karşımaddeden yapılmış bir gezegen ve yıldız görmediğimiz gibi, karşımaddeden yapılmış bir gökadanın olduğu yolunda bir verimiz de yok. Ama karşımadde hayatımızın bir parçası. Uzaydan gelen kozmik ışınların yani yüksek enerjili parçacıkların atmosferimize çarpmasında oluşan parçacıkların bir kısmı da karşımaddeden oluşuyor. Bu parçacıkların bazıları yeryüzüne ulaşıyorlar ve bizim içimizden geçiyorlar. Ortalama saniyede bir parçacık içinizden gelip geçiyor ve bu parçacıkların yaklaşık yarısı karşımadde… Doğal olarak oluşan karşımaddenin evrende büyük miktarlarda gözlemlenememesi, fizikçileri doğanın bir şekilde maddeyi tercih ettiği fikrine yönlendiriyor. Kozmik mikrodalga fon ışıması gözlemlerinden evrenimizin çok sıcak ve çok yoğun bir ortamdan geldiği sonucuna vardık. Büyük Patlama dediğimiz kuramla bunun dışında birebir örtüşen birçok bilimsel veri var. Şu ana kadar bulgularımızdan, kozmik mikro dalga ışımasının gerçekleştiği ortamdaki fizik yasalarının madde ve karşımadde için eşit çalıştığını düşünmek gerekiyor. Büyük Patlama’nın 377.000 yıl sonrasındaki elektromanyetik yankısı olarak düşünebileceğimiz kozmik mikrodalga fon ışımasında, o zamanda eğer evrende karşımadde var olsaydı, karşımadde ve maddenin etkileşmesinden ortaya çıkacak olan ışığı gözlemlemiş olurduk. Oysa böyle bir gözlem gerçekleşmedi. Bu da bizi o dönemde karşımaddenin var olmadığı düşüncesine götürüyor. İki seçeneğimiz var: Evren ya başlangıcından itibaren karşımaddeyi oluşturmadı ya da ilk saniyeler içinde varolan karşımaddeyi bir şekilde maddeye çevirdi. Her ikisinde de karşımaddenin henüz keşfetmediğimiz yüksek enerjiye bağımlı fizik yasaları tarafından tercih edilmediği sonucuna varıyoruz. Fakat bu fizik yasalarını keşfetmemiz lazım.
İşte fizikçiler karşıhidrojen atomunun yapısını belki bu henüz keşfetmediğimiz fizik yasalarına ışık tutar ümidiyle inceliyorlar. Bu sorulara CERN’de birkaç koldan cevap bulunmaya çalışılıyor. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı deney düzeneklerinden LHCb deneyi madde ve karşımadde arasında farklılık yarattığını bildiğimiz CP (Charge-Parity) denkliği yani yük ve parite denkliği ihlalini çalışmak üzere kuruldu. 1964’te keşfedilen bu yasa ihlali, James Cronin ve Val Fitch’e 1980 Nobel Ödülü’nü getirdiği ve madde ile karşımadde oluşumu arasında bir fark yarattığı halde, bu fark evrende gözlemlediğimiz durumu açıklamaya yetmiyor. Çünkü uzun yıllar boyunca başka parçacıklar için, Stanford Lineer Hızlandırıcısı’nda bulunan BaBar ve Japonya’daki Belle deney düzenekleri hassas bir şekilde bu farkı ölçtüler ve farkın gerçekten de küçük olduğunu buldular. LHCb ise yeni ihlal keşiflerinin peşinde koşacak. Yine CERN’de üzerinde çalışılan başka bir deney düzeneği ise bu yılın sonunda uzaya yollanacak olan AMS (Alfa Manyetik Spektrometresi). AMS uzayda karşımaddeyi aramayı ve şu ana kadar kuramlar üzerine konulan sınırları arttırmayı hedefliyor.
Karşımaddenin sırlarının peşinde koşan sadece CERN değil. 16 Mayıs 2010 Pazar günü, parçacık fizikçileri arasında bir hareketlenme gözlendi. Cuma günü ABD’deki Fermi Laboratuvarı’ndaki haftalık seminer websitesinde bu konuda kırmızı renkle işaretlenmiş bir konuşmanın olduğu görülmüş ve ne olabileceği konusunda tahminler başlamıştı. Beklenen sonuçlar D0 deney düzeneği tarafından Pazar günü ilan edildi ve evrendeki karşımaddenin neden varolmadığını açıklamaya yarayacak, madde ile arasında fark yaratan yeni bir ipucu daha elde edildiği öğrenildi. Fakat hikâye sonlanmış değil. Sonuçların kesin olarak doğrulanması için daha fazla veriye ihtiyaç var ve görülen farkın neden olduğu bilinmiyor. Belki görülen fark bizlere yüksek enerjilerde başka parçacıklar keşfedeceğimizin işaretini veriyorlar. Halen çalışmakta olan Fermi Laboratuvarı’ndaki deney düzenekleri ile yeni çalışmaya başlayan CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı arasındaki zaman yarışı bu sonuçların açıklanmasıyla birlikte daha da kızıştı diyebiliriz….
Feynman’ın yorumuna göre karşımadde maddenin zamanda ters ilerleyen ikiziyse ve CP denkliği ihlali söz konusu ise, şu halde zamanda düz gitmek ile ters gitmek arasında da bir fark var. Zamanın oku neden tek yöne akıyor sorusunun da cevabı burada gizli olabilir mi? Kim bilir önümüzdeki yıllarda doğa bizi daha nasıl şaşırtacak…
KaynaklarCERN’ün Karşı-madde websitesi, http:// livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter/ CERN’ün Melekler ve Şeytanlar açıklaması, http:// public.web.cern.ch/public/en/spotlight/ SpotlightAandD-en.html Fermilab Basın Açıklaması, http://www. fnal.gov/pub/presspass/press_releases/CPviolation- 20100518.html Bilim Teknik Dergisi Haziran 2010