Simetri için bir zafer daha: Bilim adamları, antimadde spektrumunu ilk kez ölçüyor
Talaşla kaynatın,
Yapıştırıcının içine tuz eklersin,
Konsantre olmak için onu ve çekirgeleri bir çantaya koyarsınız:
Daima ana hedefe dikkat edin.
Simetrik şeklini koruyun.
--Lewis Carroll
Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi'nden (CERN) bilim adamları, 19 Aralık'ta Nature'daki antihidrojen atomlarının spektroskopik ölçümü üzerine bir makale yayınladılar.
ALPHA-2 deneyi (© CERN)
Bu araştırmanın önemini anlamak için antimadde ile başlamalıyız.
Antimadde, bilim kurguya her zaman sık sık konuk olmuştur. "Melekler ve Şeytanlar" da kötüler, madde karşıtı bombalarla Vatikan'ı yok etmeye çalışırlar ve Tom Hanks'ın canlandırdığı Profesör Langdon bu komployu cömertçe engeller. "Star Trek" te, Atılgan uzay aracının yakıtı antimaddedir ve ışık hızına ulaşmak için itici güç olarak pozitif ve antimaddenin yok edilmesi kullanılır.
Ancak antimadde yalnızca bilim kurguda mevcut değildir. Örneğin hayatta, antimadde üreten bir tür meyve vardır.
Muz bu!
Muz, bozunma sürecinde ara sıra bir pozitron (elektronların antimaddesi) salgılayan az miktarda potasyum-40 içerir. Aslında vücudumuz da potasyum-40 içerir, bu da sizin pozitronları da saldığınız anlamına gelir. Ek olarak, antimadde tıpta da kullanılıyor ve bilim adamları ayrıca antimadde iticileri vb. Üzerinde çalışıyorlar.
Maddi önleyici yakıt. (© Sandbox Studio)
Elbette, antimadde üzerinde çalışmanın daha önemli bir nedeni var. 13,8 milyar yıl önce, evren henüz doğduğunda, fizikçiler eşit miktarda madde ve antimaddenin yaratılması gerektiğine inanıyorlardı. Eğer öyleyse, madde ve antimadde tamamen yok edilmeli ve geriye yalnızca saf enerji kalmalıdır. Ama bugün gözlemlediğimiz evren her yerde maddeden yapılmıştır, antimadde nereye gitti? (Ayrıntılı bir tartışma için bkz. "Neden maddeden yaratıldık? Karşımadde değiliz?") Bu, fizikteki en büyük temel sorulardan biridir. Bu nedenle fizikçiler, antimaddenin beklenmedik bazı davranışlarını inceleyerek bulmak isterler.
Ve önemli bir adım attık.
CERN'in ALPHA deneyinde, bilim adamları anti-hidrojen atomlarını hedeflediler.
Solda bir hidrojen atomu ve sağda bir antihidrojen atomu var. (© Antonine)
Atomlar, çekirdeği çevreleyen elektronlardan oluşur. Elektronlar bir yörüngeden diğerine geçtiklerinde, atomik bir spektrum oluşturan belirli bir dalga boyundaki ışığı emer veya yayarlar. Her elementin kendine özgü bir spektrumu vardır, bu nedenle fizik, astronomi ve kimya alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, uzak yıldızların spektrumlarını analiz ederek, bileşimlerini bilebiliriz.
Hidrojen atomunun enerji spektrumu. Elektronların farklı yörüngeler arasındaki geçişi, belirli dalga boylarındaki fotonları emecek veya serbest bırakacaktır. (© Hiperfizik)
Hidrojen atomu bir elektron ve bir protondan oluşur, evrendeki en bol parçacığıdır ve spektrumu çok yüksek doğrulukla ölçülmüştür. Antihidrojen atomu bir pozitron ve bir antiprotondan oluşur ve biz onun hakkında pek bir şey bilmiyoruz.
Dahası, doğada antihidrojen atomları yoktur. Madde ve antimadde parçacıkları birbirini yok edeceğinden, antihidrojen atomu maddeye dokunduğunda hızla yok olur. Bu yüzden fizikçilerin deneylerde antihidrojen atomları yaratması gerekiyor.
Antihidrojen atomlarını yakalamak için fizikçiler, silindirik vakum odasının bir ucunda 1,6 milyon pozitron ve diğer ucunda 90.000 antiproton yakalamak için elektrik alanları kullandılar. 25.000 nötr (yüksüz) antihidrojen atomu oluşturmak için pozitronları ve antiprotonları birleştirdiler ve bunlar daha sonra bir manyetik alan tarafından hemen yakalandı. Ve bu kolay değil.
Pozitronlar ve antiprotonlar, silindirik vakum odasının uçlarında tutulur ve birleştiklerinde nötr antihidrojen atomları üretilir.
Pozitronları veya antiprotonları taşımak ve yakalamak kolaydır, çünkü bunların hepsi yüklü parçacıklardır. Ancak antihidrojen atomları yüksüzdür ve bu tür tuzakları tasarlamak çok daha zordur. Araştırmacılar, anti-hidrojen atomlarının biraz manyetizmaya sahip olduğu gerçeğine dayanarak, anti-hidrojen atomlarını yakalamak için çok özel bir manyetik tuzak tasarladılar, bu da antimaddenin çeşitli özelliklerini belirlemek için ışığın nasıl kullanılacağını daha fazla araştırmayı mümkün kıldı.
Bu yeni yöntemle, bilim adamları önceki tasarımda daha fazla anti-hidrojen atomu yakalayabilirler. Sonra, antihidrojen atomlarının 1S-2S geçişini ölçmek için vakum boşluğundaki pencereden 243 nanometrelik bir lazer ışınladılar (temel durumdan daha yüksek enerjili uyarılmış duruma geçiş). Ölçüm sonuçları, antihidrojen atomlarının geçiş frekansının sıradan hidrojen atomlarınınki ile tutarlı olduğunu göstermektedir.
CPT simetriktir. (© Chad Ozel)
Antihidrojen atomları ile hidrojen atomları arasındaki benzerlik CPT simetri ilkesine uygundur. CPT simetrisi, yük konjugasyonu (parçacıkların karşıt parçacıklarla değiştirilmesi), parite (ayna görüntüsündeki dünya) ve zamanın tersine çevrilmesinin ortak dönüşümü altında fizik yasalarının değişmeden kaldığı anlamına gelir. Şimdiye kadar bilim adamları CPT simetrisini ihlal eden herhangi bir fiziksel durum bulamadılar ve anti-hidrojen atomları bu kuralı doğrulamamız için bize böyle bir fırsat sunuyor.
Bir sonraki adımda, araştırmacılar, antimadde ve madde arasındaki simetriyi belirlemek için antihidrojen atomlarının spektrumunu ölçmek için farklı dalga boylarında daha fazla lazer kullanacaklar. ALPHA ekibi ayrıca, antimaddenin nasıl düştüğünü doğrulamak için ALPHA-g ("g" harfi yerçekimi anlamına gelir) adlı yeni bir alet geliştirecek - yerçekiminin madde ve antimadde için aynı olup olmadığını.
Bilim adamlarının gelecekteki deneylerde madde ile antimadde arasında gerçekten beklenmedik bir fark olduğunu bulacağını umuyoruz. Simetriyi kırmak, daha derin temel ilkelere doğru önemli bir adım olabilir.
