Evren, en azından teorik olarak, var olmamalı.
Evrendeki her parçacığın bir karşılığı olan antimadde muadili bulunuyor. Bu tür parçacık çiftleri karşılaştığında, anında birbirlerini yok ederek küçük bir enerji patlamasıyla ortadan kalkarlar.
Teorik olarak, Evren'in doğuşu eşit miktarda madde ve antimadde üretmeliydi.
Mevcut Evren'in neden bu kadar büyük ölçüde madde lehine eğilimli olduğu, çözümü zorlu bir gizemini koruyor. Bunun en büyük nedenlerinden biri de antimaddenin maddeyle çarpışma eğilimi.
Ancak olağanüstü bir çaba, antimadde dünyasının en büyük hilekarlarından biri olan ve elektronun antimadde muadili olan pozitronu nihayet evcilleştirmiş olabilir.
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Northwestern Üniversitesi'nde görevli fizikçiler, kriyojenik, süperiletken bir vakum tuzağında tek bir pozitronu aylarca başarıyla tutmayı başardı. Bu başarı, parçacık fiziğinin en sıkı incelemelerine yol açacak bir gelişme olarak değerlendiriliyor.
Northwestern Üniversitesi'nden ve araştırmanın kıdemli yazarlarından Gerald Gabrielse, yüksek enerjili radyoaktif bozunma sırasında bir çekirdekten fırlayan bir pozitronu yavaşlatarak tuzaklarına çekmeyi sağlamanın en büyük zorluk olduğunu belirtti.
Evren, pozitronları doğal olarak çeşitli yollarla üretir: kozmik patlamalar, parçacıklar arasındaki enerjik etkileşimler ve kararsız bir çekirdeğin negatif yüklü bir elektrona benzeyen ancak pozitif yüklü bir parçacık fırlattığı radyoaktif bozunma gibi.
Ancak Evren, pozitronlar için pek de nazik değildir. Varlığından silinmesi için tek bir elektronla karşılaşması yeterlidir ve elektronlar her yerde mevcuttur.
Fizikçiler 1930'lardan beri pozitronları gözlemleyebiliyor, ancak herhangi bir süre boyunca birini incelemek, onu diğer maddelerle karşılaşmaktan tamamen izole etmeyi gerektirir.
Bu zor olsa da imkansız değil. Elektromanyetik bir tuzak, tek bir parçacığı vakumda havada asılı tutarak başka bir parçacığa temas etmesini engelleyebilir.
Asıl sorun, radyoaktif bozunmanın enerjik süreci sırasında fırlatılan bir parçacığı durdurmaktır.
Gabrielse, kaynaklarından çıkan pozitronların çoğunun başarıyla yavaşlatılıp yakalanamadığını, elektronlarla 'yok olduğunu' açıkladı.
Northwestern Üniversitesi'nden fizikçi Tom Myers'ın öncülük ettiği ekibin çözümü, bu iki zorluğu da ele almalıydı: pozitronu yavaşlatmak ve elektronla temasını engellemeden onu hapsetmek.
Araştırmacılar, pozitron fabrikası olarak sodyumun radyoaktif bir izotopunu kullandılar; bu izotop, antimadde parçacıklarını ışık hızının yaklaşık %88'i kadar, yaklaşık 546 kiloelektronvolt'a kadar çıkan bir enerjiyle fırlatıyor.
Peki, rölatif bir pozitron nasıl yavaşlatılır?
Bu durumda cevap, araştırmacıların kaçınmaya çalıştığı şeyin ta kendisidir: madde içinden geçmesini sağlamak. Hassas bir şekilde tek bir tungsten kristali.
Deneysel düzenek üç ana bileşenden oluşuyordu: sodyum kaynağı, kristal ve tuzak.
İlk olarak, sodyum kaynağından yayılan pozitronların bir kısmı tungsten kristaline girdi. Burada pozitif elektrik yükleri, malzemedeki negatif yüklü elektronlarla etkileşime girdi. Bu etkileşimler, atomları uyarabilir veya iyonize edebilir, pozitronun kinetik enerjisinin bir kısmını kristale aktarabilir.
Pozitronların çoğu hayatta kalamaz. Elektronlara çarparlar ve her ikisi de yok olur. Ancak az sayıda pozitron hayatta kalır ve tungsten yüzeyinden önemli ölçüde yavaşlamış halde çıkar, bir elektrona tutunmuş ancak temas etmeden. Bu, pozitronyumdur.
Pozitronyumun bu özel formunda, elektron ve pozitron birbirlerinden nispeten uzak tutan yüksek uyarılmış bir kuantum durumunda bulunurlar. Bu durum, kaçınılmaz yok oluşlarını, pozitronu gitmesi gereken yere, yani hazırlanmış tuzağa taşımak için yeterince geciktirir.
Tuzak da ustaca tasarlanmış. Sadece 640 mikrometre genişliğindeki minik bir açıklık, pozitronyumun girmesine izin verir. Burada bir elektrik alanı elektrona ayırır ve pozitronu geride bırakır.
Penning tuzağı olarak adlandırılan bu cihaz, yüklü parçacığı duvarlara temas ettirmeden hapsetmek için elektrik ve manyetik alanların bir kombinasyonunu kullanır.
Mutlak sıfırın çok altında, sadece 300 milikelvin'e soğutulmuş, olağanüstü bir vakum tuzağında tutulan pozitron, dış dünyadan izole kalabilir.
Araştırmacılar için bu gergin bir deneyimdir.
Gabrielse, dedektörlerini açıp beklediklerini söyledi.
Sonunda yakalanan bir pozitrondan gelen elektriksel sinyali gördüklerini, ardından ek bir pozitronun yüklenmesini önlemek için radyoaktif kaynağı tuzaktan uzaklaştırdıklarını ekledi.
Araştırmacılar tuttukları pozitronu aylarca tutabildiler. Ancak onu yok olmaktan alıkoymak sadece başlangıçtı.
Ayrıca hareketini olağanüstü bir hassasiyetle kontrol etmeleri gerekiyordu.
Tuzaktaki güçlü manyetik alan içinde, pozitron siklotron hareketi adı verilen küçük daireler halinde hareket eder. Araştırmacılar, onu en düşük kuantum enerji seviyesine soğutarak, dikkatlice ayarlanmış mikrodalgaları kullanarak onu tek tek kesikli enerji seviyeleri arasında itebildiler.
Ve kritik olarak, ölçülen kuantum durumlarını bozmadan bu değişiklikleri ve pozitronun spinindeki değişimleri tespit edebildiler.
Gabrielse, bir pozitron kuantum siklotronunu uzun yıllardır araştırdıklarını ve bir pozitronun tek kuantum enerji sıçramaları yapmasını izlemenin son derece tatmin edici olduğunu belirtti.
Ayrıca Tom'un doktora tezinin büyük bir başarıya ulaşmasını görmenin harika olduğunu, çok sıkı çalıştığını da sözlerine ekledi.
Peki, neden biri bir pozitronu hapsetmek ve ölçmek istesin ki?
Aslında, bunun birçok iyi nedeni var ve listenin üst sıralarında yer alanlardan biri CPT simetrisi adı verilen temel bir fizik prensibidir.
CPT, yük, parite ve zaman tersini ifade eder; bu üç dönüşüm birlikte uygulandığında temel fizik yasalarını değiştirmemelidir.
Bu prensibin bir sonucu olarak, parçacıklar ve antimadde muadillerinin bazı özelliklerinin tam olarak eşleşmesi gerekir.
Bir elektron ve bir pozitron, örneğin, her biri küçük bir çubuk mıknatıs gibi davranır ve manyetik moment adı verilen bir özelliğe sahiptir. Manyetik momentleri eşit büyüklükte ancak zıt işaretli olmalıdır.
Fizikçiler, elektronun manyetik momentini şaşırtıcı bir hassasiyetle zaten ölçtüler. Şimdi, tek bir pozitronu kontrol etme yetenekleri sayesinde, Gabrielse ve meslektaşları antimadde ikizi için de aynısını yapmayı umuyorlar.
Gabrielse, büyüklüklerin aynı olması durumunda, bunun Standart Model'in - fiziksel gerçekliğin en temel matematiksel tanımının - CPT değişmezliğinin en hassas doğrulaması olacağını açıkladı.
Araştırmacılar hala bu ölçümü elde etme sürecindeler ve gelecek yılın başlarında bir sonuç bildirmeyi umuyorlar. Ancak kaçamak bir parçacığı anlamak için bu en iyi fırsat olduğu göz önüne alındığında, bu daha uzun sürebilir.
Ölçümler neyi ortaya koyarsa koysun, modern fiziğin temel prensiplerinden birine şimdiye kadarki en sıkı testlerden birini sağlayabilirler.
Ve sonuçlar teoriyle mükemmel bir şekilde uyum sağlasa bile, bu fizikçilere bazı çok büyük sorular bırakacaktır.
Gabrielse, Standart Model'in evrenin temel özellikleriyle tutarsız olmasına rağmen ölçümlerimiz için neden bu kadar hassas tahminlerde bulunabildiği sorusunun gizemini derinleştireceğini belirtti.
