Etrafımızda gördüğümüz her şey, ayaklarımızın altındaki topraktan en uzak galaksilere kadar, maddeden oluşuyor. Bilim insanları için bu durum uzun süredir bir sorun teşkil ediyor: Fizikçilerin en iyi güncel teorilerine göre, Büyük Patlama sırasında madde ve onun karşılığı olan antimadde eşit miktarda yaratılmış olmalıydı. Ancak evrende antimadde yok denecek kadar azdır. Peki ne oldu?
Fizikçiler bu sorunun cevabını henüz bilmiyorlar, ancak birçoğu çözümün, madde ve antimaddenin davranış biçimlerindeki ince farklılıkları içermesi gerektiğine inanıyor. Ve şu anda, bu keşfedilmemiş alana giden en umut verici yol, gizemli atom altı parçacık nötrinoları içeren yeni deneylerle ilgili.
“Nötrinoların madde-antimadde asimetrisini açıklayan kesin çözüm olduğunu söylemiyoruz, ancak bu asimetriyi açıklayabilen çok geniş bir model sınıfı nötrinolarla bağlantılı,” diyor Birleşik Krallık'taki Durham Üniversitesi'nde teorik fizikçi Jessica Turner.
Bir an için geriye dönelim: Fizikçiler maddeden bahsettiğinde, bu evrenin temelini oluşturan sıradan şeylerdir; başlıca atom çekirdeklerini oluşturan protonlar ve nötronlar ile elektronlar gibi daha hafif parçacıklar. “Antimadde” terimi bilim kurguyu çağrıştırsa da, antimadde sıradan maddeden pek farklı değildir. Tipik olarak tek fark elektrik yüküdür: Örneğin, keşfedilen ilk antimadde parçacığı olan pozitron, kütlesi bakımından elektrona benzer ancak negatif yerine pozitif bir yük taşır. (Elektriksel olarak nötr parçacıklarla durum biraz daha karmaşıktır. Örneğin, bir foton kendi antiparçacığı kabul edilir, ancak bir anti-nötron, sıradan kuarklardan değil, anti-kuarklardan oluşması bakımından bir nötrondan farklıdır.)
Doğada çeşitli antimadde parçacıkları bulunabilir; kozmik ışınlarda, fırtına bulutlarında ve bazı radyoaktif bozunma türlerinde ortaya çıkarlar. (İnsanların ve muzların az miktarda radyoaktif potasyum içermesi nedeniyle, pozitron formunda küçük miktarlarda antimadde yayarlar.)
Bilim insanları da parçacık hızlandırıcıları ve diğer deneylerde büyük çaba ve maliyetle küçük miktarlarda antimadde üretmişlerdir; bu da antimadde ile çalışan roketler veya gezegen yok eden silahlar hakkındaki bilim kurgu hayallerini sınırlamıştır.
Madde ve antimadde karşılaştığında, enerji salarak birbirlerini yok ederler. Bu karşılaşmalar, Einstein’ın ünlü denklemi E=mc² ile yönetilir — enerji, kütle çarpı ışık hızının karesine eşittir — bu da az miktarda maddeyi çok fazla enerjiye, veya tersini dönüştürebileceğinizi söyler. (Muzlardan ve vücutlardan yayılan pozitronların kütlesi o kadar azdır ki, birbirlerini yok ettiklerinde salınan minik enerji miktarlarını fark etmeyiz.) Madde ve antimadde birbirlerini kolayca yok ettikleri için, atomdan çok daha büyük bir antimadde yığını yapmak zordur, ancak teorik olarak antimadde moleküllerinden antimadde gezegenlerine ve yıldızlarına kadar her şeyi oluşturabilirsiniz.
Ancak bir bilmece var: Teorinin öne sürdüğü gibi, eğer Büyük Patlama sırasında madde ve antimadde eşit miktarda yaratıldıysa, birbirlerini yok edip saf enerjiden oluşan bir evren mi bırakmadılar? Neden hala madde var?
Fizikçilerin en iyi tahmini, erken evrende madde üretimini antimadde üretimine tercih eden bir süreç olduğu yönündedir — ancak tam olarak ne olduğu bir gizemdir ve neden madde egemen bir evrende yaşadığımız sorusu, fizikteki en sinir bozucu problemlerden biridir.
Önemli olan, fizikçiler bunu, günümüzün önde gelen madde ve enerji teorisi olan parçacık fiziğinin Standart Modeli ile uyumlu bir süreç olarak düşünememişlerdir. Bu da teorisyenleri, Standart Model'in ötesine geçen, henüz bilinmeyen yeni fikirlere yöneltiyor. İşte nötrinoların devreye girdiği yer burası.
Nötr Bir Cevap
Nötrinolar, elektrik yükü olmayan minik parçacıklardır. (Adı “küçük nötr” anlamına gelir.) Standart Modele göre, fotonlar gibi kütlesiz olmaları gerekir, ancak 1990'larda başlayan deneyler, onların çok küçük bir kütleye sahip olduğunu gösterdi. (Normal maddedeki elektronlardan en az bir milyon kat daha hafiftirler.) Fizikçiler zaten nötrinoların kütleleri ile Standart Modeli ihlal ettiğini bildikleri için, bu minik parçacıklar hakkında daha fazla bilgi edinmenin, ötesinde ne varsa ona dair bilgiler verebileceği umudunu taşıyorlar.
Ancak nötrinolar, diğer parçacıklarla çok az etkileşime girdikleri için sırlarını yavaş yavaş açığa vuruyorlar. Güneş'ten gelen yaklaşık 60 milyar nötrino her saniye cildinizin her santimetrekarelik alanından geçiyor. Eğer bu nötrinolar vücudumuzdaki atomlarla etkileşime girseydi, muhtemelen bizi yok ederlerdi. Bunun yerine, içimizden geçip gidiyorlar. “Hayatınız boyunca tek bir nötrino ile etkileşime girme olasılığınız çok düşüktür,” diyor Fermilab’dan fizikçi Pedro Machado. “Bu sadece çok olası değil.”
Ancak deneyler, nötrinoların seyahat ederken “salındığını” göstermiştir; üç farklı kimlik — fizikçilerin “lezzet” olarak adlandırdığı elektron nötrinosu, müon nötrinosu ve tau nötrinosu — arasında geçiş yaparlar. Salınım ölçümleri ayrıca farklı lezzetlerdeki nötrinoların hafif farklı kütlelere sahip olduğunu ortaya koymuştur.
Nötrino salınımı tuhaftır, ancak faydalı bir şekilde tuhaf olabilir, çünkü fizikçilerin doğadaki belirli temel simetrileri araştırmasına izin verebilir — ve bunlar da en rahatsız edici asimetrileri, yani evrenin madde-antimadde dengesizliğini aydınlatabilir.
Nötrino araştırmacıları için temel bir simetriye “yük-parite veya CP simetrisi” denir. Aslında bu iki farklı simetrinin birleşimidir: Bir parçacığın yükünü değiştirmek maddeyi antimaddeye (veya tersini) çevirir, pariteyi değiştirmek ise bir parçacığı ayna görüntüsüne çevirir (sağ eldiveni sol eldivene çevirmek gibi). Yani sıradan madde parçacığının CP-ters versiyonu, karşılık gelen antiparçacığın bir ayna görüntüsüdür. Peki bu karşıt parçacık orijinaliyle tam olarak aynı şekilde mi davranır? Eğer değilse, fizikçiler CP simetrisinin ihlal edildiğini söylerler — bu da madde ve antimaddenin birbirinden biraz farklı davrandığı anlamına gelen süslü bir yoldur. Dolayısıyla doğada CP simetrisinin ihlal edildiği herhangi bir örnek, madde-antimadde dengesizliğini açıklamaya yardımcı olabilir.
Aslında CP ihlali, bazı mezonlarda gözlemlenmiştir; bu, tipik olarak bir kuark ve bir anti-kuarktan oluşan bir tür atom altı parçacıktır; bu şaşırtıcı sonuç ilk olarak 1960'larda bulunmuştur. Ancak bu son derece küçük bir etkidir ve evrenin madde-antimadde asimetrisini açıklamak için yeterli olmaktan uzaktır.
Temmuz 2025'te, CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda çalışan bilim insanları, farklı bir atom altı parçacık ailesi olan baryonlardan bir tür parçacık tarafından benzer bir ihlalin açık kanıtını bildirdiler — ancak bu yeni gözlemlenen CP ihlalinin de madde-antimadde dengesizliğini açıklamak için çok küçük olduğuna inanılıyor.
Ufuktaki Deneyler
Peki ya nötrinolar? CP simetrisini ihlal ediyorlar mı — ve eğer ediyorlarsa, neden madde egemen bir evrende yaşadığımızı açıklayacak kadar büyük bir şekilde mi? Tam olarak yeni nesil parçacık fiziği deneylerinin ele aldığı soru budur. Bunların en iddialısı, şu anda Amerika Birleşik Devletleri'nde inşa edilmekte olan Derin Yeraltı Nötrino Deneyi (DUNE)’dir; veri toplama en erken 2029'da başlayabilir.
DUNE, dünyanın en yoğun nötrino ışınını kullanacak; bu ışın, Fermilab'dan 800 mil uzaklıktaki Güney Dakota'daki Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi'ne hem nötrinoları hem de anti-nötrinoları ateşleyecek. (Tünel yok; nötrinolar ve anti-nötrinolar, büyük ölçüde orada olduklarını fark etmeden dünya içinden geçiyorlar.) İki laboratuvar arasındaki mesafeyi kat ederken parçacıkların nasıl salındığını ve nötrinoların davranışının anti-nötrinolarınkinden farklı olup olmadığını ortaya koyacak.
DUNE, nötrinoların CP simetrisi ihlalinin kesin miktarını belirlemeyecek (eğer varsa bile), ancak bunun için bir üst sınır belirleyecek. Olası etki ne kadar büyükse, nötrinolar ve anti-nötrinolar arasındaki davranış farkı o kadar büyük olur ve nötrinoların erken evrendeki madde-antimadde asimetrisinden sorumlu olma olasılığı o kadar artar.
Kaliforniya Üniversitesi, Irvine'dan fizikçi Shirley Li için nötrino CP ihlali meselesi acil bir soru; bu da parçacık fiziğinde büyük bir yeniden düşünmeye yol gösterebilir. “Ömrümün sonuna kadar bir sorunun yanıtlanmasını isteseydim, bunun ne hakkında olduğunu bilmek isterdim,” diyor.
Nötrinolardaki CP simetrisi ihlali, başlı başına büyük bir keşif olmasının yanı sıra, teorisyenlerin belirttiği gibi, sol-elli olanlar (bugüne kadar gözlemlenen normal hafif olanlar) ve çok daha ağır olan sağ-elli nötrinolar olmak üzere iki tür nötrino olabileceği anlamına gelebilir; bunlar şu ana kadar yalnızca teorik bir olasılıktır. (Parçacıkların “el tutuşu” kuantum özelliklerine atıfta bulunur.)
Bu sağ-elli nötrinolar, protonlardan 10¹⁵ kat daha ağır olabilir ve kararsızdırlar; varoluşlarından hemen sonra neredeyse anında bozunurlar. Bugün evrende bulunmamalarına rağmen, fizikçiler sağ-elli nötrinoların Büyük Patlama'dan sonraki anlarda var olmuş olabileceğini — muhtemelen CP ihlalini taklit eden ve maddeyi antimaddeye tercih eden bir süreçle bozunmuş olabileceğini düşünüyorlar.
Hatta nötrinoların kendi antiparçacıkları olarak davranabileceği bile mümkündür; yani, nötrinolar anti-nötrinolara ve tersine dönüşebilir. Sağ-elli nötrinoların keşfinin destekleyeceği bu senaryo, nötrinoları kuarklar ve elektronlar gibi daha tanıdık parçacıklardan temelde farklı kılar. Eğer anti-nötrinolar nötrinolara dönüşebiliyorsa, bu evrenin en erken anlarında antimaddenin nereye gittiğini açıklamaya yardımcı olabilir.
Bu fikri test etmenin bir yolu, teorize edilmiş ancak şimdiye kadar gözlemlenmemiş olağandışı bir radyoaktif bozunma türü olan “nötrinosuz çift beta bozunması” aramaktır. Normal çift beta bozunmasında, bir nükleustaki iki nötron eş zamanlı olarak protonlara bozunur ve bu süreçte iki elektron ve iki anti-nötrino salar. Ancak nötrinolar kendi antiparçacıkları olarak davranabiliyorsa, bu iki nötrino birbirlerini yok edebilir ve yalnızca iki elektron ile bir enerji patlaması bırakabilir.
Bu bozunma sürecini araştırmak için bir dizi deney devam etmekte veya planlanmaktadır; bunlar arasında Japonya'daki Kamioka nötrino tespit tesisindeki KamLAND-Zen deneyi, Kanada, Ontario'daki SNOLAB tesisindeki nEXO deneyi, İspanya'daki Canfranc Yeraltı Laboratuvarı'ndaki NEXT deneyi ve İtalya'daki Gran Sasso laboratuvarındaki LEGEND deneyi bulunmaktadır. KamLAND-Zen, NEXT ve LEGEND zaten çalışır durumdadır.
Bu deneyler ayrıntılarda farklılık gösterse de, hepsi aynı genel stratejiyi kullanır: Dedektör dizileriyle birlikte devasa bir yoğun radyoaktif malzeme tankı kullanarak, olağan dışı derecede enerjik elektronların yayılmasını ararlar. (Elektronların beklenen nötrino yoldaşları eksik olacak ve onların sahip olacakları enerji elektronlar tarafından taşınacaktır.)
Nötrino, bilinen parçacıkların en gizemlilerinden biri olmaya devam ederken, sırlarını yavaş ama emin adımlarla teslim ediyor. Bunu yaparken, bizim gibi meraklı canlıların gelişmesine izin veren madde egemen evrenimizin gizemini çözebilir. Her saniye sessizce vücudunuzdan geçen nötrinolar, evreni giderek yeni bir ışıkta ortaya çıkarıyor.
“Çok heyecan verici bir döneme girdiğimizi düşünüyorum,” diyor Turner.
