Albert Einstein'ın genel görelilik teorisine göre, kütleçekimi ayrım yapmaz. Madde, anti madde fark etmeksizin hepsi için aynı şekilde işler ve aynı şekilde düşmesi beklenir. Bilimsel çalışmalar da bugüne dek bu konuda genel bir fikir birliğine varmıştır: Kütleçekimi neyden yapıldığınızı umursamaz, sizi ne olursa olsun kendine çeker.
Ancak fizikçiler, bu evrensel kuralı test etmek için yeni ve heyecan verici bir kapı araladı. Bilim insanları, egzotik ve anti madde içeren 'atomlardan' oluşan bir 'muonyum' ışını geliştirdi. Bu ışın, fizikçilerin anti maddenin nasıl davrandığını, kaybolmadan önce gözlemlemelerine olanak tanıyacak.
Bu konudaki heyecan verici bir deney için önemli bir adım attıklarını belirten araştırmacılardan Anna Soter, "Müon'un kütleçekimsel etkileşimini ölçmek istiyoruz," diyor.
Bu amacı gerçekleştirmek için araştırmacılar, pozitif yüklü bir antimuon ile negatif yüklü bir elektronun eşleştiği, nötr yüklü, kısa ömürlü bir parçacık olan muonyuma ihtiyaç duyuyor. Antimuon, elektronun kütleçekimsel muadili olan, ancak yaklaşık 200 kat daha kütleli bir temel parçacıktır. Bu durum, muonyumun kütlesinin büyük bir kısmının anti madde bileşeninden geldiği anlamına gelir.
Bu özellik, muonyumu daha önce kütleçekimine maruz bırakılan anti maddelerden oldukça farklı kılar. 2023 yılında CERN'deki ALPHA deneyi, bir antiproton ve bir pozitrondan oluşan antihidrojenin, sıradan maddeyle tutarlı bir şekilde Dünya'ya doğru düştüğünü göstermişti. Bu oldukça çığır açıcıydı. Ancak protonlar ve antiprotonlar temel parçacıklar değildir; kuarklardan oluşan bileşik nesnelerdir. Diğer yandan antimuon, temel parçacıkların ikinci nesline ait, elementer bir parçacıktır.
Bu nedenle, muonyumu içeren bir kütleçekimi deneyi, hiçbir deneyin daha önce ulaşamadığı bir serbest düşüş alanına girecektir. Soter, "Egzotik muonyum nötr bir atom olduğu için bu test için çok uygundur. Sonuçta, bir şeyin düşmesini sağlamak için nötr bir şeye ihtiyacınız var," diye açıklıyor.
Ancak burada küçük bir pürüz var: Muonyum, bozunmadan önce sadece yaklaşık 2.2 mikrosaniye yaşar. Bu, ölçüm yapmak için pek de uzun bir süre değildir. Araştırmacılar, muonyumun ömründeki bu kısalığı, hacimle telafi edebileceklerini düşünüyorlar: Yani, çoğunlukla aynı yönde ve yaklaşık aynı hızda hareket eden, sıkıca kontrol edilen bir demette ilerleyen muonyum parçacıklarından oluşan devasa bir akış.
Soter, "Muonyum atomlarının ömrü çok kısa olduğundan, ölçüm için yeterince uzun süre hayatta kalabilen yeterli sayıda parçacık elde etmek için başlangıçta büyük bir sayıya ihtiyacımız var," diyor. Mevcut muonyum kaynakları bu konuda pek başarılı değil. Atomları geniş bir açı ve hız yelpazesine saçan difüz, 'termal' ışınlar üretiyorlar. Bu nedenle araştırmacılar farklı bir plan geliştirdiler: Antimuonları yaklaşık 0.2 Kelvin'e soğutulmuş bir süper akışkan helyum tabakasına ateşlemek.
Antimuonlar helyuma girdiğinde hızla enerji kaybeder ve yüzeyin hemen altına kadar yavaşlar. Orada bir antimuon, helyumu delip geçerken geride bıraktığı bir elektrona tutunarak muonyumu oluşturabilir. Ardından süper akışkan son derece faydalı bir şey yapar: Muonyum, süper akışkan helyumun içinde bulunmaktan pek hoşlanmaz. İki arasındaki etkileşim, muonyuma ek enerji verir ve yeni oluşan 'atomları' yüzeye doğru iter. Yüzeye ulaştıklarında, yoğunlaşmış termal hareketin neden olduğu rastgeleliğin aksine, büyük ölçüde bu enerji artışıyla belirlenen bir hızda vakuma fırlarlar. Sonuç, saniyede yaklaşık 2.2 kilometre hızla fırlayan, çok daha dar bir hız dağılımına sahip, şaşırtıcı derecede düzenli bir muonyum akışıdır. Helyuma gönderilen antimuonların yaklaşık yüzde 8'i nihayetinde muonyum olarak vakuma çıkmıştır.
Helyumun üzerindeki dedektörler, araştırmacıların bozunurken ürettikleri parçacıklardan muonyum atomlarının yollarını yeniden oluşturmalarını sağladı. Bu ölçümler, umdukları dar ve hızlı hareket eden ışını ortaya çıkardı.
Ancak deney, parçacıklar üzerindeki kütleçekimini ölçmeye henüz hazır değil. Birincisi, ışın şu anda yanlış yöne bakıyor. Süper akışkan helyum muonyumu dikey olarak yukarı tükürüyor. Kütleçekimi altındaki ivmesini ölçmek için araştırmacıların, parçacıkların yatay olarak seyahat etmesini sağlamaları gerekiyor, bu da kütleçekiminin kısa yolculukları sırasında onları hafifçe aşağı çekme şansı verir.
Ekip, ışını yan çevirmek için şimdiden bir yol üzerinde çalışıyor. Bir sonraki bulmaca parçası ise bu inanılmaz derecede küçük kütleçekimsel yer değiştirmeyi ölçebilecek bir interferometredir. Önerilen cihaz, milimetrenin sadece birkaç milimetre uzağına yerleştirilmiş üç adet son derece ince ızgaradan muonyumu geçirecektir. Kuantum mekaniğinin tuhaflığı sayesinde, parçacıklar dalga gibi davranır ve geçtikleri sırada bir girişim deseni oluştururlar. Eğer kütleçekimi muonyumu beklendiği gibi etkilerse, aşağı doğru çekiş bu deseni küçük bir miktarda kaydıracaktır. Kaymayı ölçerek, araştırmacılar muonyumun kütleçekimsel ivmesini belirleyebilirler.
Yeni ışınlarıyla araştırmacılar, bu ivmeyi nihayetinde yaklaşık yüzde 1 hassasiyetle ölçebileceklerini tahmin ediyorlar. Bu yöntemi yıl sonuna kadar atom ışınıyla test etmeyi umuyorlar ve gerçek kütleçekim deneyi muhtemelen iki veya üç yıl içinde takip edecektir. Ardından, muonyumun kütleçekimi altında tuhaf davranıp davranmadığını göreceğiz. Eğer öyleyse, bu evrende beşinci bir fiziksel gücün varlığına işaret edebilir. Ancak Soter'e göre, eğer olmasa bile ekibi muhteşem bir iş başarmış olacaktır.
Soter, "Sadece, temel parçacıkların ikinci nesli için de kütleçekimsel ve eylemsiz kütle arasındaki eşdeğerliğin geçerli olup olmadığını ilk kez ölçmek istiyorum. Bu tek başına oldukça ilham verici bir çalışmadır," diyor. Merhum Einstein bile, ölümünden 70 yıldan fazla zaman geçmesine rağmen hala sınavlardan geçmek zorunda.
