Derleyen: Ümit Sözbilir
Düzenleyen: Barış Bayraktar
Evrendeki en büyük gizemlerden ikisi: karanlık madde ve karşıt maddedir. Astronomik gözlemler sonucu biliyoruz ki karanlık madde evrenin yaklaşık %27’lik kısmını oluşturuyor. Henüz neyden yapıldığını bilmesek de bununla ilgili elektrik yüklü parçacıklar, karanlık fotonlar, süper ağır gravitonalar, negatif kütleye sahip karanlık sıvılar olmak üzere çeşitli kuramlar var.
Öte yandan karşıt madde 1932 yılında keşfedilmiş olup kuramsal çalışmaları yapılmış ve ilk karşıt atom CERN’de 1995 yılında üretilmiştir [1]. Konu ile ilgili daha detaylı çalışmalar hâlâ yürütülmekte olup yine CERN’de bununla ilgili Karşıt Proton Yavaşlatıcı (The Antiproton Decelerator [2]) adlı bir cihaz ve aynı isimli bir deney bulunmaktadır. Peki nedir karşıt madde? Aslında normal madde ile neredeyse aynı diyebiliriz. Aralarındaki tek fark elektrik yükü. Biri negatif yüklü ise diğeri pozitif yüklüdür. Önemli nokta madde ile karşıt maddenin bir araya gelmesidir. Eşdeğer parçacıkların bir araya gelmesiyle muazzam bir enerji patlaması ortaya çıkmaktadır. Bu enerji patlaması ile parçacıklar yok olmaktadır (enerjiye dönüşürler).
Büyük Patlama Kuramına göre madde ve karşıt madde eşit miktarda var olmuş olmalıydı. Lakin şu an madde baskın bir evrende yaşıyoruz ve günlük hayatta ise karşıt maddeyi az görmekteyiz. Peki var olan bütün karşıt madde nerede bulunuyor? İlk zamandan bu yana karşıt maddenin azalması ve karanlık maddenin artması arasında bir ilişki var mı? Bilim insanları bu konuyu araştırmak için CERN’de BASE [3] (Baryon Karşıt Baryon Asimetri Deneyi) iş birliği ile çalışmalara başladı. Yapılan çalışmayla ilgili Nature dergisinde bir makale yayımladılar.
Makaleye göre, karşıt madde ve karanlık madde arasındaki etkileşim bir aday parçacık öne sürüldü. Bu parçacığın adı aksiyon (axion). BASE ekibi, madde yerine karşıt madde ile etkileşime girmeyi tercih ettiklerini varsayarak karanlık madde aksiyonlarının varlığı ile ilgili ilk laboratuvar temelli sınırları elde etti. Bunu yapmak için geçmişte yürütülen diğer birçok deneye benzer bir kurulum hazırlandı. Karanlık maddeyi avlayabilmek için hazırlanan deney düzeneği parçacıkların yalıtılmasını ve daha sonra karanlık madde etkileşimlerinden kaynaklanan paraziti gösterebilecek herhangi bir anormallik için dikkatli izleme yapılmasını amaçlamaktadır.
Aksiyonlar, kuarkları protonlara ve nötronlara, protonları ve nötronları çekirdeğe bağlayan güçlü kuvvetin simetri özelliklerini açıklamak amacıyla öne sürülmüştür. Onların varlığı standart modelin ötesinde, özellikle de süper sicim kuramlarının ötesindeki birçok kuram tarafından da tahmin edilmektedir. Kuramlara göre hafif olacaklar ve diğer parçacıklarla çok zayıf etkileşime gireceklerdi. Kararlı oldukları için, Büyük Patlama sırasında üretilen aksiyonlar muhtemelen gözlenen karanlık maddeyi hesaba katarak evren boyunca mevcut olacaktır. Kuantum mekaniğinin dalga-parçacık ikiliği, karanlık madde aksiyon alanının, aksiyon kütlesiyle orantılı bir frekansta salınmasına neden olur. Söz konusu salınım bu alanın laboratuvardaki madde ve karşıt madde ile etkileşimlerinin yoğunluğunu değiştirerek özelliklerinde periyodik değişimler indükleyecektir.
Geçmiş deneylerde normal madde ile yapılan deneylerde bu salınım ile ilgili herhangi bir kanıt bulunamamıştır kozmik aksiyonların varlığı üzerinde sıkı sınırlar belirlenmiştir.
Yapılan çalışmada, BASE araştırmacıları karşıt protonun manyetik momentinin veya “dönmesinin” dönme hareketindeki salınımlarını araştırdılar (bir topacın dönmeyi durdurmadan hemen önce yalpalama hareketini düşünün; dönme ekseni etrafında döner ve dikey bir eksen etrafında yalpalar). Beklenmedik şekilde büyük bir aksiyon-karşıt proton etkileşim gücü bu hareketin sıklığında değişikliklere yol açacaktır.
Salınımları araştırmak için araştırmacılar, ilk olarak, dünyada karşıt protonların günlük olarak oluşturulduğu tek yer olan CERN’in karşıt madde fabrikasından karşıt protonlar aldılar. Daha sonra onları, sıradan maddelerle temas etmelerini ve imha etmelerini önlemek için bir Penning tuzağı olarak adlandırılan bir cihazda sınırladılar. Daha sonra, spin durumunu ölçmek ve çevirmek için tek bir karşıt protonu yüksek hassasiyetli çok Penning tuzağına beslediler. Bu ölçümleri yaklaşık üç ay boyunca neredeyse bin kez gerçekleştirerek, karşıt protonun yaklaşık 80 MHz’den önceki zamanının ortalama frekansını 120 mHz’lik bir belirsizlikle belirleyebildiler. Üç aylık deneysel çalışmaları boyunca bireysel ölçümlerin düzenli zaman varyasyonlarını arayarak, aksiyon kütlesinin birçok değeri için olası aksiyon-karşıt proton etkileşimlerini araştırmayı başardılar.
BASE araştırmacıları ölçümlerinde olası bir aksiyon-karşıt proton etkileşimini ortaya çıkaracak bu tür değişimleri tespit edemediler. Bununla birlikte bu sinyalin eksikliği, bir dizi olası aksiyon kütlesi için aksiyon-karşıt proton etkileşim gücüne daha düşük sınırlar koymalarına izin verdi. Bu laboratuvar temelli limitler varsayılan aksiyon kütlesine bağlı olarak 0,1 GeV ile 0,6 GeV arasında değişmektedir. Karşılaştırma için, en kesin madde tabanlı deneyler yaklaşık 10 bin ile 1 milyon GeV arasında çok daha sıkı sınırlar elde eder. Bu, bugünün deneysel duyarlılığının, olası bir sinyali ortaya çıkarmak için yerleşik simetri özelliklerinin büyük bir ihlalini gerektireceğini göstermektedir.
Eğer aksiyonlar karanlık maddenin baskın bir bileşeni olmasaydı, yine de yıldızların süpernova olarak çökmesi ve patlaması sırasında doğrudan üretilebilirlerdi ve protonlar veya karşıt protonlarla etkileşim güçleri üzerindeki sınırlar bu tür yıldız patlamalarının evrimi incelenerek çıkarılabilirdi. Bununla birlikte, ünlü süpernova SN1987A’nın patlamasının gözlemlenmesi, BASE tarafından elde edilenlerden yaklaşık 100.000 kat daha zayıf olan aksiyon-karşıt proton etkileşim gücü üzerinde kısıtlamalar getirdi.
Bu çalışma için Helmholtz Enstitüsünden araştırmacılarla bir araya gelen BASE iş birliğinin yeni ölçümleri, karanlık maddeyi ve karşıt madde ile olası etkileşimini araştırmak için yeni bir yol sunuyor. Karanlık maddenin doğası ve madde-karşıt madde asimetrisinin dokusu üzerine belirli varsayımlara dayanırken, deneyin sonuçları, evrenin nasıl çalıştığına dair yerleşik anlayışımızda olağanüstü değişiklikler ortaya çıkarabilecek, beklenmedik yeni olayların benzersiz bir sondasıdır.
