Fizikçiler Bir Ay Süreyle Tek Bir Karşı Madde Parçacığını Tuzakladı

3 dk okuma

Fizikçiler bir ay süresince tek bir antimadde parçacığını hapsediyor

Bilim insanları ilk kez bir pozitron parçacığı üzerinde kuantum ölçümleri yapabiliyor

Antimaddeyi ne elinizde ne de sıradan bir laboratuvar aletinde tutabilirsiniz. Antimadde, maddeyle karşılaştığı anda iki parçacık birbirini yok etme eğilimindedir. Bu da antimaddeyi incelemeyi zorlaştırır. Ancak şimdi fizikçiler, parçacığın kuantum durumlarını çalışmalarına olanak tanıyan bir yöntemle bu maddenin tek bir atomaltı parçacığını aylarca süreyle hapsedmeyi başardılar.

Bu hapsin kullanılarak yapılacak daha kapsamlı araştırmalar, evrenimizin neden antimadde yerine maddeden oluştuğunun sırrını açığa çıkarabilir; çünkü olaylar her iki yönde de ilerleyebilirdi.

Her sıradan madde parçacığının, kütlesi eşit ancak yükü zıt olan bir antimadde karşılığı vardır. Hapsi kurmak için fizikçiler, yaklaşık iki buçuk yıllık yarı ömrü olan radyoaktif bir izotop olan nasyum-22 atomlarıyla başladılar. Bu atomlardan biri bozunduğunda bir pozitron—elektronun antimadde karşılığı—yayarlar.

“Büyük zorluk, bu pozitronları yavaşlatmak ve sonra onları yakalamaktır,” diyor projeye yön veren Northwestern Üniversitesi fizikçisi Gerald Gabrielse. Araştırmacıların başarısı Çarşamba günü Physical Review Letters dergisinde yayımlandı.

Gerald Gabrielse (sağ üst) ve pozitron parçacığını bir ay süreyle hapsedtikleri laboratuvardaki ekibi. Gerald Gabrielse

İlk adım, pozitronları soğuk bir volfram levhanın kristal örgüsünden geçirmektir. Parçacıklar malzemenin içinden pinball oyunu oynar gibi savrulurken yavaşlarlar ve kaybederler. “Her şeye çarptıklarında bir yok olma şansı vardır, ama her zaman olmaz,” diyor Gabrielse. “Eğer sona ulaşırlarsa, dışarı fışkırtılırlar.”

Ardından fizikçiler pozitronları elektromanyetik alanlar kullanarak bir kanal boyunca yönlendirirler. Sonunda parçacıklar, üstten ve alttan bir elektrik alanı, yandan ise bir manyetik alanla hapsedilerek mutlak sıfıra sadece üç onda bir derece Celsius kadar yukarıda bir vakumda sona ererler. “Antimaddeyi tutmak istiyorsanız, onu duvarsız bir kapta tutmanız gerekir,” diyor Gabrielse.

Bu yöntem araştırmacıların yalnız, tek başına bir pozitronu bir ay süreyle izole edip çalışmalarına olanak tanıdı—ve aynı şeyi sınırsız süreyle yapmalarını sağlayabilir.

Araştırmacılar, hapsi pozitronun manyetik momentini hassas ölçümler yapmak için kullanmayı planlıyor—temelde manyetik alanının gücü ve yönelimi. Bunu yapmak için iki şeyi belirlemeleri gerekir: pozitronun spininin yönünü çevirmek için gereken enerji ve onu temel durumundan ilk uyarılmış durumuna sıçratmak için gereken enerji.

Benzer bir haps kurulumunu kullanarak Gabrielse ve ekibi zaten bir elektronun manyetik momentini 10 trilyonda bir hassasiyetle ölçtü. Bir pozitron için eşdeğer ölçümü almak, onlara kritik bir karşılaştırma yapma imkanı verecek. “Bunların tam zıt bir manyetik momenti olup olmadığını görmeye çalışıyoruz,” diyor Gabrielse. Bu, parçacık fiziğinin Standart Modelinin öngördüğüdür. Ancak ikisi farklı değerlere sahipse, bu evrenimizin antimadde yerine maddeyden oluşmasının nedenini açıklamaya yardımcı olabilir.

Büyük Patlama‘dan hemen sonra, bilim insanları iki maddenin yaklaşık eşit miktarlarda olduğunu düşünüyor. Madde ve antimadde’nin çoğu yok edilmiş olmalı, ancak yıldızları ve gezegenleri gördüğümüzü tohumlayan küçük bir madde fazlalığı bir şekilde artta kalmıştır. Manyetik moment ölçümü, fizikçilerin bu derin uçurumu açıklamak için madde ve antimadde arasındaki farklılıkları aradıkları çok sayıda alandan sadece biri.

“Her parçacığı anti-parçacığına çevirin, fiziğe bir aynadan (sol ve sağı çevirerek) bakın ve zamanın akışını tersine çevirmek için ‘geri sar’ düğmesine basın,” diyor Batavia, Illinois’teki Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nın projeye dahil olmayan teoretik fizikçisi Roni Harnik. “En temel teorilerimizin fiziğin aynı kaldığını söylediği.”

Olaylar farklı çıkarsa—örneğin pozitronun elektrondan farklı bir manyetik momenti varsa—madde’nin nasıl üstün geldiğine dair bir ipucu elde ederiz.

“Bu, temel bir simetriyi test etmemizi sağlayacak heyecan verici bir gelişme,” diyor Harnik.

Sorumlu Editör, Scientific American