ANTİMADDE – KARŞIT MADDE

DR. ALEXANDER HINTERBERGER
alexander.hinterberger@live.at

Çeviri: Dr. H. Ezgi Karakaş Schüller

Karşıt madde-antimadde- teorik olarak ilk kez 1898 yılında ortaya atılmıştır ve ilk karşıt madde parçacığı 1932 yılında bulunan pozitrondur (anti-elektron). Bu da karşıt maddenin uzun bir süredir bilindiği anlamına gelir. Birçok fizik teorisine göre “Büyük Patlama-Big Bang” boyunca eşit miktarda madde ve karşıt madde üretilmiştir ve bunlar hala etrafta olmalıdır. O halde büyük sorumuz: Bu karşıt madde nerede?

Karşıt madde beni her zaman büyülemiştir, özellikle Star Trek gibi izlediğim bilim kurgu filmlerinde. Sanırım birçok fizikçi biraz olsun bilim kurgu ile ilgilenir.

Doktoram boyunca CERN de AEGIS (the Antimatter Experiment for Gravity, Interferometry and Spectroscopy, çevirisi Yerçekimi, Girişim Ölçümü ve Spektroskopi için Karşıt Madde Deneyleri) üzerinde çalıştım. Karşıt madde, normal maddenin anti parçacıklarından oluşmaktadır. Yaşadığımız evrendeki görünen her şey maddedir, dokunulabilir ve görülebilir. Fakat karşıt madde bizim gezegenimizde doğal bir şekilde bulunmamaktadır, aslında uzayda herhangi bir yerde de henüz bulunamamıştır. Bu yüzden bu konu üzerinde çalışabilmek için karşıt maddeyi önce üretmek gerekir. Bu da CERN’in en iyi bildiği bir yolla, yüksek enerji çarpışması ile, yapılabilir. İyonize bir hidrojen ışını, 3 cm uzunluğundaki metal iridyum silindirine 25GeV (Giga-elektron Volt- bir elektron Volt, kalorideki joule gibi bir enerji birimdir- ancak çok küçüktür. Bir Giga-elektron Volt, 1 milyar elektron Volt’tur)’lik bir enerjiyle vurulur. İyonize hidrojen atomlarının her birinin, bir anti-proton denilen iyonize bir antihidrojen atomu oluşturmak için 1 ila 10 milyon arasında bir şansı vardır. Bu anti-protonlar daha sonra çeşitli işlemlerle soğutulur ve araştırmanın başlayabileceği deneysel alanlara getirilir. Tüm CERN deneyleri, madde ile karşıt madde arasında neden hiçbir yerde karşıt maddeyi bulamadığımızı açıklayacak bir fark olup olmadığını bulmaya çalışır, örneğin AEGIS deneyi, karşıt maddenin yerçekimi araştırmasına odaklanır. Normal madde aşağı düşer ve 9,81 m/s²‘lik bir ivme ile yere doğru yol alırken hızlanır. Peki ya karşıt madde? Karşıt maddenin de düşüp düşmediğini bilmek ilginç olurdu veya belki başka bir ivmeyle düşüyordur veya belki yukarı doğru bile yükseliyor olabilir. Ne yazık ki karşıt madde onu daha yakından araştırmayı çok zorlaştıran bir özelliğe sahiptir. Karşıt madde, normal maddeye dokunduğu zaman dokunduğu madde atomuyla birlikte yok olur. Bu, her ikisinin de yok edildiği ve geriye sadece gama radyasyonu kaldığı anlamına gelir. Onunla çalışmak için karşıt madde vakumda depolanır ve yüzdüğü ve hiçbir şeye dokunmadığı elektromanyetik parçacık tuzaklarında havada asılı kalır. Koşulları ve boşluğu, bir deney yapmak için karşıt maddeyi tuzakta yeterince uzun tutacak kadar iyi tutmak zordur, ancak yeterince hassas çalışma ile bu başarılabilir. En büyük sorunlardan biri, karşıt maddenin üretildiğinde çok sıcak olmasıdır. Fizikte sıcaklık hareket anlamına gelir, bu nedenle sıcak bir parçacık çok hareket eder. Bunu yaptığında, onu genellikle oldukça küçük olan bir parçacık tuzağında tutmak çok zordur. Bu yüzden düşük sıcaklıklara soğutulması gerekir. Ama bu nasıl yapılabilir? Normalde bir şeyi soğutmanın en iyi yolu, onu soğuk bir şeyle karıştırmaktır. Bu karşıt madde için zordur çünkü dokunduğu her şeyi yok eder. Peki ya aynı elektrik yüklerinin birbirini ittiği gerçeğini kullanırsak? Böylece karşıt madde normal maddeye dokunmadan yakın olabilir. Normal protonların anti-parçaları olan anti-protonlar, negatif bir yüke sahiptir ve bu nedenle, başka negatif elektrik yüklerini anti-protonların yanına getirebilirse bu iki yük aslında birbirlerine dokunamaz hatta birbirlerini iterler. Kullanılan en yaygın negatif yüklü parçacık elektrondur. Elektronları üretmek, soğutmak ve onları anti-protonlara karıştırmak için yaklaştırmak kolaydır. Bu, anti-protonları soğutur, ancak süreç çok verimli değildir. Doğru ölçümler yapmak için anti-protonların mutlak sıfırın üzerinde birkaç mK’ye kadar soğutulması gerekir (milliKelvin- Kelvin bir sıcaklık ölçeğidir. Bir Kelvin -272,15 Derece Celsius’dur). AEGIS deneyindeki hedeflerimden biri buydu. Normal madde negatif yüklü karbon moleküllerini bahsettiğim mili Kelvin aralığına kadar soğutmaya çalıştık. Böylece daha sonra anti-protonlar, onlarla karıştırılabilir ve termal enerjilerini, ısılarını, aslında dokunmadan C2^–‘ye verebilirler. Eğer bu soğutma işlemi gerçekleştirilebilirse, karşıt madde ile ilgili her türlü araştırmayı yapmak çok daha kolay olacaktır. Böylece küçük deney BOREALIS başlatıldı. Amacı C2^– üretmek ve onu bir lazerle mK aralığına soğutmaktı.

Doktora tezim, diğer birçok konu yanı sıra, vakum odaları ve elektrik yüklü parçacıkları etrafta hareket ettirebilen elektrikli elemanları gibi donanımların, söz konusu elektrikli elemanlar için voltajları sağlayan elektroniklerin ve bu elemanları kontrol etmek için yazılan yazılımın tasarımı ve üretimi ile ilgilidir. Borealis deneyi bittiğinde, antimaddenin yerçekimine karşı verdği tepkiyi ölçmeye bir adım daha yaklaşmış olacağız.

Borealis kurulumunun tasarımına genel bakış.

C2^–, valf tarafından sol üst köşede oluşturulur. Daha sonra ~10eV’den (elektronVolt) ~1800eV’ye getirildiği ivme bölgesine gider. Bu, manyetik kütle filtresinin düzgün çalışması ve valf tarafından C2^– (Hidrojen, Su, CO₂ ve diğerleri gibi) dışında üretilen tüm istenmeyen molekülleri saptırması için gereklidir. Bundan sonra ışın, elektrostatik ışın elemanları tarafından hareket ettirilemeyen veya saptırılamayan tüm yüksüz partiküllerden kurtulmak için 90° açı ile döner (Elektrostatik, bu ışın elemanların belirli bir sabit gerilime yüklendiği anlamına gelir, böylece elektrik alanları ışına etki edebilir). En sonda da ışın Paul tuzağına girer (Paul tuzağı, yüklü parçacıklar için özel bir parçacık tuzağı türüdür). Işını odaklamak ve yönlendirmek için birkaç ışın elemanına (El-1- El-5) ihtiyaç vardır. Gelecekte lazer kurulumunun lazerleri C2^–‘yi Paul tuzağında soğutmak için kullanılacaktır. Bu hedef tamamlandığında, kurulum anti-protonların soğumasını başlatmak için AEGIS deneyine bağlanacaktır.

Gelecekte karşıt madde ile ne yapılacağını tahmin etmek zor. Şu anda ve yakın gelecekte, çok hassas tıbbi tarayıcılar için kullanılacaktır. Uzak gelecekte ise uzay aracı için yakıt gibi başka amaçlarda da kullanılabilinir, ancak o zamana kadar bu oldukça uzun bir yol olacaktır.