Konu 16: Evren Hakkında 8 (Anti Madde)

Anti madde kısaca bir parçacığın yükünün ters (spin, kütle, kuantum vs. gibi) diğer özelliklerinin ise aynı olduğu parçacıktır veya “Madde ve anti madde parçacıklarının yükleri dışındaki tüm özellikleri aynıdır.”. Bir parçacık kendi anti parçacığı ile karşılaşırsa hemen birbirlerini yok edip enerjiye dönüşürler. Güneş veya diğer kaynaklardan Dünya atmosferine her an 1 metre²ye 1-100 parçacık arası anti madde yağmaktadır. “Dünya’ya yağan anti protonların bir kısmının, Dünya’nın manyetik alanı tarafından anti madde kapanı şeklinde yakalanabildiği Dünya etrafındaki Van Allen radyasyon kuşaklarında keşfedilmiştir.”. Yere “düşen yıldırımlarda da” anti madde oluşmaktadır. Örneğin muz meyvesi “her 75 dakikada bir” pozitron yaymaktadır, vücudumuz da yayar, fakat bunlar neredeyse oluştuğu anda maddeyle etkileşir ve bozulur.

1 gram anti madde, madde ile buluştuğunda ortaya bir nükleer bombanın patlamasına yakın bir enerji açığa çıkar. CERN vb. deneyler(in)de (anti proton, pozitron gibi) anti madde, oldukça zor şartlar altında (şu an için sadece nanogram düzeylerinde) üretilebilmektedir (10^-9 veya 0,000 000 001 gram=1 nanogram) (CERN, European Organization for Nuclear Research, Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi, İsviçre-Fransa sınırındadır.). Şu ana kadar üretilen anti madde enerjisi, bir tencere çorbayı bile kaynatmaya yetmeyecek düzeydedir. Anti madde üretildikten sonra “herhangi bir madde” ile karşılaşırsa anında yok olur, işte bu yüzden üretilen anti maddeyi saklayabilmek de oldukça zordur. 1 gram anti madde üretimi için 25×10¹⁵ kilowatt-saat (kW sa) enerji gerekir ve üretim-saklama maliyeti de 10¹⁵ dolardır^[1] [1.000 W=1 kW, 1 kW sa (veya 1 kW h)=3,6×10⁶ joule^[2]]. Üretilen anti madde Penning, Loffe gibi (izole edilmiş) kapanlarda saklanabilmektedir.

“Kütle çekiminin normal maddeye olan etkisi anti madde için de geçerli midir?” sorusunun cevabı, deneysel gözlem zorluğu neticesinde daha belirlenememiş olsa da geçerli olduğu düşünülür. Yüksüz (nötr) leptonlar olan nötrinoların antilerinin ise yine kendileri olduğu düşünülmektedir.

Evrende, kozmik ışın çarpışmaları rutin olarak^[1] (ama çok az miktarda^[3]) pozitron ve anti proton üretir. Buna benzer şekilde evrende bir anti helyum atomunun oluşması için aşırı yüksek enerjiye ihtiyaç duyulur ki eğer bir tane bile anti helyum gözlemleyebilsek bu bize evrende çok miktarda anti madde olabileceğini gösterir fakat şu ana kadar gözlemlenememiştir^[1] (Belki de gerçekten yoktur!). (“Kozmik ışınlar: Güneş sisteminin dışından gelen nötrino gibi çeşitli parçacık ve elektromanyetik dalgalar içeren maddenin tümü.”)

Evrende anti madde aşırı nadir olarak bulunmaktadır veya neredeyse hiç bulunmamaktadır. Anti parçacıklar bir araya gelerek (normal madde gibi) anti maddeyi oluşturabilirler. Anti parçacıklar sadece kendilerinin eş (zıt) parçacıklarıyla değil herhangi bir parçacıkla da etkileştiği anda anında enerjiye dönüşür. Parçacık hızlandırıcı ve parçacık çarpıştırıcıları gibi sistemlerde (büyük makinelerde) anti parçacıklar üretilebiliyor fakat bunlar şu an için (2018) en gelişmiş anti madde kapanlarında ∼1.000 saniye süre kadar saklanabiliyor, hayatta tutulabiliyor.

Madde ile anti madde çarpışırsa E=mc² kuralına göre ikisi de ısı ve ışığa (genellikle fotona) dönüşür.^[3] Kısacası E=mc²ye göre kütle enerjiye, enerji de kütleye dönüşebilir (dönüşür) veya enerji ile kütle aynı şeylerdir; madde-anti madde etkileşirse enerji oluşur, yeterli miktardaki enerjiden de madde-anti madde çifti oluşur.^[4]

Güçlü etkileşim gerek kuarkları gerekse proton ve nötronları birbirine bağlar. Zayıf etkileşim bazı parçacıkların (“atom çekirdeği ölçeğinde radyoaktif”) bozunmalarından sorumludur.

“Dirac teorisi çerçevesinde parçacık-anti parçacık çifti yaratılabilir. Eğer bir gamma ışınının enerjisi bir elektronu negatif enerjili durumdan pozitif enerjili duruma yükseltecek derecede yeterince yüksekse, -kritik değer 2mc²– çift yaratmak mümkün olacaktır.” (gamma veya gama ışını). Bir maddenin durgun kütle enerjisi mc²dir: Bir parçacık ile anti parçacığın (örneğin elektron ile pozitronun) toplam durgun kütle enerjisi 2mc²dir ve çarpıştıklarında 2mc²lik enerjiye (ışığa) dönüşürler.

Evrendeki (görülür evreni oluşturan) parçacıklar kendi anti parçacıklarıyla (bir arada) mevcut değillerdir: Yani evrendeki herhangi bir parçacığın kendi anti parçacığının olmamasının sebebi Büyük Patlama sırasındaki (madde-anti madde etkileşmesinden arta kalan) fazladan madde oluşumudur, ki zaten eğer bu olmasaydı tüm madde ve anti madde birbirini yok edip enerjiye dönüşeceğinden evren sadece ışıkla dolu bir yer olurdu. Anti madde insanlar tarafından yapay olarak oluşturulur bu bir,^[5] ikincisi evrende (“evren boşluğu”nda veya kuantum boşluğunda) evrenin her tarafına yayılmış olan Higgs alanında veya (eşittir) istikrarsız “hiçlikte” sürekli olarak “kendiliğinden” madde ve anti madde (parçacık ve anti parçacık) oluşarak birbirini yok eder ve bu durmadan devam eder,^[6] üçüncü olarak diğer oluşumları da belirtmiştik zaten.

Anti madde üretiminde anti hidrojen de üretilebilmektedir. Parçacık hızlandırıcıda protonlar 28 GeV’e kadar hızlandırılır ve iridyum hedefine çarptırılır. “Her ∼100.000 proton etkileşimine karşılık 3,5 GeV enerjili bir anti proton oluşur.”: Mıktanıslar aracılığıyla bu anti protonlar, “anti proton yavaşlama ünitesi”ne (AD) aktarılır (Antiproton Deceleration). AD’de ilerleyen anti protonlar stokastik [“rastlantısal” (Nişanyan Sözlük)] ve elektron soğutma yöntemiyle 100 MeV enerjiye düşürülür, soğutulur. Sonrasında AD’deki 5 dedektöre yönlendirilip tuzaklanan anti protonlara pozitronlar eklenir ve böylelikle anti hidrojen elde edilir. Dünyada şu an için 1 yılda sadece 1-10 nanogram civarı anti proton üretilmektedir. 1 gram anti madde ∼62,5 trilyon dolardır.^[7]

[ATLAS, A Toroidal LHC ApparatuS, Halka Şeklindeki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Aparatı; LHC, Large Hadron Collider, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı] CERN’deki ATLAS deney(i) mekanizmasının yapısı şudur. Halka (çember) şeklinde olan (silindir borulardan oluşan) Büyük Hadron Çarpıştırıcısı denilen tünel ∼100 m derinlikte olup uzunluğu ∼27 km’dir. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın bir yerinde (yönün önemi yok ama güneye bakan tarafında) ∼7.000 ton ağırlığında, ∼46 m uzunluğunda ve ∼25 m çapında ATLAS dedektörü (algıcı) bulunur. Parçacıklar ATLAS dedektöründe çarpıştırılır. Her 1 saniyede ∼1 milyar proton çarpıştırılır. Parçacıkları içeren bir Büyük Hadron Çarpıştırıcısı demeti (BHÇ demeti), hızlandırıcıda [BHÇ’te (tünelde)] dolanırken toplamda ∼10 milyar km (Dünya’dan Neptün’e gidiş dönüş kadar) yol alır. ATLAS dedektöründe en yüksek enerjili tek bir proton-proton çarpışmasının enerjisi ∼13 TeV’dir (teraelektronvolt, 1 TeV=10¹² eV). Her 1 BHÇ demeti en sıkken ∼2.808 tane proton paketçiği içerir, her 1 paketçik ∼120 milyar tane proton içerir, demetteki her 1 proton saniyede ∼11.245 kez tünelde tur atar. Ayrıca ATLAS dedektöründe ∼3.000 km’lik kablo ve fiber bulunmaktadır.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda parçacık demetlerinin hızları ışık hızının %99,9999991’ine kadar çıkartılır ve “enerjileri 7 trilyon elektronvolta” ulaşır: Bu demetler ATLAS dedektörünün “merkezinde çarpışarak her yönde saçılan yeni parçacıklar” oluşturur ve bunlar da ölçülür, araştırılır. Çarpışmaların çoğu benzer(i) olup (“dünyadaki her insan eş zamanlı 20 telefon görüşmesi yapabilse ortaya çıkacak veri akış hızına denk” olan, her saniye 1 milyarın üstünde parçacık etkileşimi olur ve bunlardan) sadece milyonda biri ilginç bulunup incelenir. CERN ATLAS’ta Büyük Patlama sonrası koşullar oluşturularak (veya normal koşullarda) madde, Higgs alanı, karanlık madde, anti madde, kütle çekimi, ek boyutlar gibi evrensel araştırmalar yapılır, hatta hiç bilinmeyenler bile aranır. ATLAS’ın sanayi sektörüne faydaları dışında tümör yok etmenin geliştirilmesi, tıbbi görüntülemede yüksek çözünürlük gibi tıbba da faydası vardır.^[8]

“QFT’de [Kuantum Alan kuramında] fotonlar ‘küçük bilardo topları’ gibi düşünülmeyip, parçacıklar gibi gözüken bir alanda gerekli küçük dalgalanmalar yapan ‘alan kuantumu’ olarak düşünülür. Elektron gibi, ‘fermiyonlar’, bir alan içerisinde küçük dalgalar olarak da tanımlanabilir, ki orada her bir fermiyon türü kendi alanına sahiptir. Özet olarak, her şeyin parçacık veya alan olduğu klasik görüşü, kuantum alan teorisinde, her şeyin parçacıklardan oluştuğuna, daha sonra da her şeyin alanlardan oluştuğuna karar verir. Sonuçta parçacıklar, bir alanın uyarılmış durumları (alan kuantumu) olarak dikkate alınır.”^[9].

 

Kaynaklar

[1] Nasuf Sönmez, “Antimadde Nedir?: Antimadde Hakkında Bilmeniz Gereken 10 Önemli Bilgi”, Rasyonalist, 10 Mayıs 2018, <https://rasyonalist.org/yazi/antimadde-nedir/>, Erişim: 24 Kasım 2018 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20181010173359/https://rasyonalist.org/yazi/antimadde-nedir/].

[2] Wikipedia Contributors, “Kilowatt-hour”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 14 Nisan 2020, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Kilowatt-hour&oldid=950961927>, Erişim: 19 Nisan 2020.

[3] Deniz Kaya [Çeviren], “CERN antimaddeyi hapsedip bir tesisten diğerine taşımayı planlıyor”, Bilim ve Ütopya, 2018, <https://www.bilimveutopya.com.tr/cern-antimaddeyi-hapsedip-bir-tesisten-digerine-tasimayi-planliyor>, Erişim: 24 Kasım 2018 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20180616043817/https://www.bilimveutopya.com.tr/cern-antimaddeyi-hapsedip-bir-tesisten-digerine-tasimayi-planliyor].

[4] Mahir E. Ocak, “Antimadde Nedir?”, TÜBİTAK: Bilim Genç, 5 Aralık 2014, <http://bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/antimadde-nedir>, Erişim: 24 Kasım 2018 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20181018031428/http://bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/antimadde-nedir].

[5] Namık Kemal Pak, “Antimadde”, Bilim ve Ütopya [ISSN: 1301-6717], Sayı: 202, Nisan 2011, [PDF] <http://www.physics.metu.edu.tr/uploads/Admission.ADM-146/8-Antimadde2-BilUt202-nis11.pdf>, Erişim: 24 Kasım 2018, s. 7-9, 11, 12, 14 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20180220031755/http://www.physics.metu.edu.tr/uploads/Admission.ADM-146/8-Antimadde2-BilUt202-nis11.pdf]. (Daha fazlası olarak -aynı yerden- CPT Simetrisi’ne de bakabilirsiniz).

[6] Jim Holt, “Dünya Neden Var? Varoluş Üzerine Bir Dedektiflik Hikayesi” [ISBN: 978-605-5691-81-3], Aylak Kitap, Çeviren: Ebru Kılıç, 2. Baskı, Ekim 2013, İstanbul, s. 65, 150, 163-166, 285, 319 (Bu kitap “The Philosopher’s Magazine tarafından 2012 yılının en iyi kitaplarından biri olarak gösterilmiş, 2013 yılında New York Times Bestseller olmuştur.”.); Brian Greene, “Evrenin Zarafeti…”, age., s. 146, 147, 192, 193, 213, 214, 405, 475, 476, 496; Brian Greene, “Evrenin Dokusu…”, age., s. 311, 315, 326, 328, 399-401, 624, 625, 632, 635, 636.

[7] Umut Köse, “Karşıt Madde”, CERN/Indico, Turkish Teacher Programme 6 (Türk Öğretmen Çalıştayı 6), 28 Haziran 2016, [PDF] <https://indico.cern.ch/event/496615/contributions/1175383/attachments/1227550/1797951/Antimatter_UKose.pdf>, Erişim: 25 Kasım 2018, s. 10-12, 18 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20210128003423/https://indico.cern.ch/event/496615/contributions/1175383/attachments/1227550/1797951/Antimatter_UKose.pdf].

[8] Katarina Anthony, “ATLAS Experiment Brochure – Turkish” (ATLAS Deney Broşürü – Türkçe), CERN/CDS, 2018, [PDF] <http://cds.cern.ch/record/2621158/files/CERN-Brochure-2018-006-Tur.pdf>, Erişim: 25 Kasım 2018 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20211214232240/http://cds.cern.ch/record/2621158/files/CERN-Brochure-2018-006-Tur.pdf]. (Broşürü Türkçe yazan bu kişidir.)

[9] Mehmet Taşkan, “Fizikte 10 Teori” [ISBN: 978-605-127-343-3], Cinius Yayınları, 1. Baskı, Aralık 2011, İstanbul, <https://books.google.com.tr/books?id=vMnuBQAAQBAJ&printsec=frontcover&hl=tr#v=onepage&q&f=false>, Erişim: 4 Aralık 2018, s. 197, 198 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20201031024155/https://books.google.com.tr/books?id=vMnuBQAAQBAJ&printsec=frontcover&hl=tr#v=onepage&q&f=false].