Karşıt maddenin yaratılan gizemi

Prof. Dr. Sertaç Öztürk - @Sertac_Oztrk

Melekler ve Şeytanlar isimli romanı okuyanlar veya filmini izleyenler anımsarlar. İlluminati örgütü CERN’den çaldıkları karşıt madde ile bomba yapıp Vatikan’ı yok etmek istemektedir ama Profesör Robert Langdon buna son anda engel olup Vatikan’ı kurtarır. Aynı biçimde Uzay Yolu filminde Atılgan isimli uzay gemisinin yakıtı karşıt maddedir ve bu sayede ışık hızına yakın hızlarda hareket edebilir.

Bilim kurgunun sıklıkla kullandığı karşıt madde gerçekten ne? Gösterildiği gibi sınırsız bir enerji kaynağı mı, gezegenleri yok edebilecek kıyamet silahı mı, yoksa çok daha farklı bir şey mi?  

20. yüzyılın başında evrene bakışımız köklü bir şekilde değişmeye başladı. Albert Einstein özel görelilik kuramı ile mutlak zaman algısını yıkıyordu ve ışık hızlarına yaklaşıldığında hareket denklemlerinin değiştiğini gösteriyordu. Bir yandan da kuantum mekaniği doğuyor ve atomaltı boyutlarda fizik yasalarının bilinen klasik fizik yasalarından şaşırtıcı derecede farklı olduğu ortaya konuluyordu. Elektron gibi atomaltı bir parçacığın hareketinin zamanla nasıl değiştiğini öngörmek için Newton fiziğine dayalı denklemler yerine yeni bir denkleme ihtiyaç vardı. Erwin Schrödinger ihtiyaç duyulan bu yeni denklemi yayınladığında sene 1926 idi. Dalga fonksiyonu ile ifade edilen bir atomaltı parçacığın herhangi bir andaki dalga fonksiyonu Schrödinger denklemi ile hesaplanabiliyor ve ölçüm sonucunda bulunabilecek sonuçlar buradan belirlenebiliyordu. Fakat bir sorun vardı. Schrödinger denklemi düşük hızlar için geçerliydi ama atomaltı parçacıklar çok yüksek hızlarda hareket ediyordu. Ayrıca Schrödinger denklemi atomaltı parçacıkların en temel özelliklerinden biri olan ve spin adını verdiğimiz kendi içsel açısal momentumlarını dikkate almıyordu. Yani Schrödinger denklemi ile manyetik alanda hareket eden bir elektronun değişimini tam olarak hesaplamak mümkün değildi. Daha genel bir denkleme ihtiyaç vardı; yüksek rölativisttik hızlarda spin özelliğini içeren, yani kuantum mekaniği ile özel göreliliği birleştiren tek bir denkleme. 1928 yılında Paul Dirac “Elektronun Kuantum Teorisi” isimli makalesinde rölativisttik hızlarda kendi etrafında dönen bir elektronun hareketini ifade eden, fiziğin en güzel denklemlerinden birini yazmayı başardı. Fakat Dirac’ın yaptığı gibi özel görelilik kuramı ile kuantum mekaniğini birleştirebilmek için elektronun dalga fonksiyonun dört tane bileşeni olması gerekiyordu. Oysa elektronun iki tane spin bileşeni vardı; yukarı doğru ve aşağı doğru. Asıl ilginç kısım denklemin çözümünden gelen sonuçlardı. Çözümlerde negatif enerji sonuçları vardı. Nasıl olurda bir elektronun enerjisi negatif olabilirdi? Negatif enerjili elektron neydi? 

Dirac  

Dirac bunu açıklamak için önce “Dirac Denizi” dediğimiz bir model ortaya atsa da (merak edenler araştırabilirler) negatif enerjili elektronun yeni bir parçacık olduğunu 1932 yılında Carl Anderson gösterecekti. O dönemde uzaydan geldiği bilinen kozmik ışınları inceleyen Anderson bulut odası dediğimiz bir detektör kullanarak bu parçacıkların bıraktıkları izlere bakıyordu. Gözlemlerinin birinde elektron ile aynı kütle değerine sahip fakat yükü pozitif olan yeni bir parçacığın bıraktığı izi gördü buna pozitif elektron anlamına gelen pozitron ismi verildi. Aslında Dirac denklemindeki negatif enerji çözümleri pozitronu ifade ediyordu. Elektron ve pozitron bir araya gelince ikisi de ortadan kayboluyor ve açığa fotonlar, yani enerji çıkıyordu. Pozitron elektronun karşıt maddesiydi. Karşıt madde, madde ile aynı kütleye sahiptir fakat yükü ve spin değeri zıt işaretlidir. Kuantum mekaniğinde bunu ifade etmek için yük (C) ve parite (P) operatörlerini kullanırız. Yüksüz parçacıklar olan nötronun ve nötrinoların da karşıt maddeleri vardır; karşıt nötron ve karşıt nötrino. Fotonun ise karşıt parçacığı kendisidir. Madde ve karşıt madde bir araya gelince ortadan kaybolur ve fotonlar açığa çıkar. Benzer şekilde enerjiden de madde-karşıt madde çiftleri oluşur.  

Peki evren büyük patlama ile oluştuysa eşit miktarda madde ve karşıt madde olmalıyken neden maddesel bir evrende yaşıyoruz? Neden karşıt maddeden oluşan yapılar yok? Nereye gitti bu karşıt madde? Bu soru fizikteki en önemli sorulardan bir tanesidir ve fizikçiler cevabı bulabilmek için yıllardır milyarlarca dolar para harcıyor. Genel düşüncelerden bir tanesi büyük patlamanın ilk anlarında madde ile karşıt madde miktarı eşitken küçük bir simetri kırınımının madde-karşıt madde asimetrisine yol açtığı yönünde. İlk anlarda bir şekilde 1 trilyon tane karşıt madde varken 1 triyon+1 tane madde meydana geldi ve tüm evren bu sayede maddesel bir forma büründü. CP kırınımı dediğimiz bu olayı başta CERN olmak üzere çeşitli laboratuvarda araştırıp madde-karşıt madde asimetrisini anlamaya çalışıyoruz.  

Potasyum 

Karşıt madde çok nadir olmasına rağmen doğal olarak radyoaktif süreçler ile üretilebiliyor. Hatta her birimizin bedeni küçük birer karşıt madde fabrikası. Bedenlerimizde kalp, kas ve sinir fonksiyonların düzgün çalışması için hayati öneme sahip potasyum elementi var. Bu potasyum az miktarda radyoaktif formdadır ve nadir de olsa pozitron yayınlamaktadır. Yaklaşık 70 kg ağırlığındaki bir insan saatte yaklaşık 180 tane pozitron, yani karşıt madde üretir. Muzda potasyum daha fazla olduğu için bir muz her dakikada 75 tane karşıt madde üretir. Yayınlanan bu pozitronlar hemen madde ile etkileşir ve iki tane X-ışınına dönüşür. Kanser tanısında kullanılan PET (Pozitron emisyon tomografisi) cihazı aslında vücuttan gelen bu X-ışınlarını ölçer ve kanserli bölgenin yerini belirler. 

Karşıt maddeyi madde ile etkileşime girmeden önce depolamak ve saklamak mümkün. Bunun için ileri teknoloji özel yapılar kullanılıyor. Çok soğuk ortamda manyetik tuzaklama ile vakum ortamında saklanabilen karşıt maddenin özelliklerine bakılabiliyor. Fazla sayıda karşıt madde üretmek için parçacık hızlandırıcılarına ihtiyaç var. CERN’de ELENA projesinde karşıt protonlar üretilip karşıt hidrojen atomları oluşturuluyor ve böylelikle özellikleri araştırılabiliyor. Gelelim bilim kurguda kullanılan karşıt madde gerçeğine. Atom bombasının gücüne sahip bir silah yapmak için 0.5 g karşıt madde gerekiyor. Bu miktarda karşıt maddeyi üretip saklamak için gereken zaman 1 milyar yıl. 10 ton ağırlığındaki bir uzay aracını ışık hızının %95’ine çıkarmak için gereken karşıt madde miktarı ise yaklaşık 30 ton! Görüldüğü gibi karşıt maddenin silah veya enerji kaynağı olarak kullanılabilmesi mümkün değil. 

Dirac’ın güzel denkleminden ELENA projesinin son bulgularına kadar karşıt madde gerçeği yüz yıldan az bir zamandır bizimle. Maddesel düaliteyi ve bu düalite arasındaki asimetriyi hâlâ anlamaya çalışıyoruz. Belki karşıt maddeden oluşan, bizden pek de farklı görünmeyen ama zamanın geriye aktığı başka bir evren daha vardır. Fiziğe göre bu pekâlâ mümkün. Algıladığımız evren her şeyi çözdüğünü sanan sığlıktan çok daha derin ve gizemli.