CERN’deki ALPHA İş Birliği, Karşıt Madde İçindeki Belirli Kuantum Etkilerinin İlk Ölçümlerini Bildiriyor
Çeviren: Ümit Sözbilir
Düzenleyen: Tuna İkiz
Ölçümler “normal” madde tahminleri ile tutarlıdır ve gelecekteki kesinlik çalışmalarının önünü açar.
CERN’deki ALPHA deneyi, hidrojenin karşıt madde hali olan karşıt hidrojenin enerji yapısındaki bazı kuantum etkilerinin ilk ölçümlerini sundu. Bu kuantum etkilerin madde içinde var olduğu bilinmekte ve bunları incelemek maddenin davranışı ile karşıt madde arasındaki şu ana kadar olan gözlemlenmemiş farklılıkları ortaya çıkarabilir. Nature dergisinde yayımlanan bir makalede açıklanan sonuçlar, yapılan ilk ölçümlerin “normal” hidrojendeki etkilerin kuramsal tahminleriyle tutarlı olduğunu, bunların ve diğer temel miktarların daha hassas ölçümlerinin yolunu açtığını göstermektedir.
ALPHA deneyi sözcüsü Jeffrey Hangst verdiği demeçte “Bu iki madde türü arasında herhangi bir fark bulmak, parçacık fiziğinin Standart Modelinin temellerini sarsacaktır ve bu yeni ölçümler, uzun zamandır değinmeyi beklediğimiz karşıt madde etkileşiminin (Lamb kayması gibi) yönlerini inceleyecektir.” dedi ve ekledi “Listemizde bir sonraki adım, en yeni lazer soğutma tekniklerini kullanarak büyük karşıt hidrojen örneklerini soğutmak. Bu teknikler karşıt madde çalışmalarını dönüştürecek ve madde ile karşıt madde arasında benzeri görülmemiş derecede yüksek hassasiyetli karşılaştırmalara izin verecektir.”
ALPHA ekibi, CERN’in Karşıt Proton Yavaşlatıcısı tarafından verilen karşıt protonları daha yaygın olarak “pozitron” olarak adlandırılan karşıt elektronlarla bağlayarak karşıt hidrojen atomları oluşturur. Bunları daha sonra çok yüksek vakumda manyetik bir tuzakla sınırlar, bu da madde ile temas etmelerini ve yok olmalarını önler. Daha sonra tayfsal tepkilerini ölçmek için yakalanan atomlar üzerine lazer ışığı parlatılır. Bu teknik, atomun belirli enerji seviyelerindeki küçük bölünmelere karşılık gelen ince yapı ve Lamb kayması gibi bilinen kuantum etkilerinin ölçülmesine yardımcı olur ve bu çalışmada ilk kez karşıt hidrojen atomunda ölçülmüştür. Ekip daha önce bu yaklaşımı karşıt hidrojendeki diğer kuantum etkilerini ölçmek için kullandı; en sonuncusu Lyman-alfa geçişinin bir ölçümüydü.
İnce yapı, bir yüzyıldan fazla bir süre önce atomik hidrojenden ölçüldü ve temel yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik etkileşimin gücünü tanımlayan doğanın temel bir sabitinin sokulması için temel oluşturdu. Lamb kayması yaklaşık 70 yıl önce aynı sistemde keşfedildi ve kuantum elektrodinamiğinin, maddenin ve ışığın nasıl etkileşime girdiğinin açıklayan kuramın gelişiminde kilit bir unsurdu.
1955’te Willis Lamb’in Nobel Fizik Ödülü’nü kazanan Lamb-kayması ölçümü, 1947’de Amerikan fizik topluluğunun liderlerinin savaştan sonra toplanması için ilk önemli fırsat olan ünlü Shelter Island konferansında bildirildi.
—-
TEKNİK NOT
Hem ince yapı hem de Lamb kayması, bir atomun belirli enerji seviyelerinde (veya tayfsal çizgilerde) spektroskopi ile incelenebilen küçük bölünmelerdir. Hidrojenin ikinci enerji seviyesinin ince yapılı bölünmesi, manyetik bir alanın yokluğunda 2P3/2 ve 2P1/2 seviyeleri arasında bir ayrımdır. Bölme, atomun elektronunun hızı ile içsel (kuantum) dönüşü arasındaki etkileşimden kaynaklanır. “Klasik” Lamb kayması, manyetik alanın yokluğunda da 2S1/2 ve 2P1/2 seviyeleri arasındaki bölünmedir. Vakumda varlanmanın içine giren ve çıkan sanal fotonlarla ilişkili kuantum dalgalanmalarının elektronu üzerindeki etkisinin sonucudur.
Yeni çalışmalarında, ALPHA ekibi, 1 Tesla manyetik alanının varlığında en düşük karşıt hidrojen enerji seviyesi ile 2P3/2 ve 2P1/2 seviyeleri arasındaki geçişleri indükleyip inceleyerek ince yapı bölünmesini ve Lamb değişimini belirledi. Daha önce ölçtükleri bir geçişin frekansı, 1S–2S geçişi değerini kullanarak ve belirli kuantum etkileşimlerinin karşıt hidrojen için geçerli olduğunu varsayarak, araştırmacılar sonuçlarından ince yapı bölünmesi ve Lamb kayması değerlerini çıkardılar. Çıkarılan değerlerin, ince yapı bölünmesi için %2 ve Lamb kayması için %11’lik deneysel belirsizlik içinde, “normal” hidrojen içindeki ayrılmaların kuramsal tahminleri ile tutarlı olduğunu bulmuşlardır.
