Evreni anlamaya doğru adım adım: Şimdiye kadarki en ağır antimadde çekirdeği keşfedildi

Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı’nda çalışan bilim insanları, şimdiye kadar bulunan en ağır antimadde çekirdeğini keşfettiler. Üstelik bu oldukça tuhaf bir çekirdek. İşin ilginci antimaddenin karşıtı olan parçacık da tuhaf bir kuarktan oluşuyor. Tüm bu tuhaflıkların detayına girmeden önce bu yeni antimaddenin adını söyleyelim: antihiperhidrojen-4.

Atom çekirdeğinin merkezinde protonlar ve nötronlar olur. Bu parçacıklar kuarklardan oluşur. Daha da açacak olursak bunlar yukarı kuarklar ve aşağı kuarklar olmak üzere ikiye ayrılır. Bir proton iki yukarı, bir aşağı kuarktan oluşurken bir nötronda da iki aşağı, bir yukarı kuark vardır. Ancak doğada dört çeşit kuark daha var. Bunlardan bazıları sadece kısa süreliğine var olabilir ve çok yüksek enerji taşırlar. Tüm bu kuarklar aynı kütleye fakat zıt elektrik yüküne sahip antikuarklara sahipler. Bu daha ağır kuarklardan biri garip kuark olarak adlandırılır ve “hiperonlar” dediğimiz çeşitli parçacıkların oluşturulmasında kullanılabilir.

Normalde hiperonlar yüksek enerjili parçacık çarpışmalarında ya da kozmik ışınların etkileşimlerinde ortaya çıkar ve oldukça da kısa bir ömre sahipler. Hızla bozunarak proton, nötron ve diğer hafif parçacıklara dönüşebilirler. Bu nedenle hiperonlar, doğada nadiren gözlemlenebilir ve genellikle laboratuvar ortamında, yüksek enerjili parçacık hızlandırıcılarında üretilirler.

Tam altı milyar parçacık çarpışmasını analiz ettiler

Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı Büyük Patlama’dan sonraki ilk zamanların koşullarını yeniden yaratmak ve araştırmacıların fizikteki en büyük bulmacalarından biri olan “Evrene neden antimadde değil de madde hakim oldu?” sorusunun cevabını bulmak için atomları bir araya getiriyor. Çünkü Büyük Patlama’dan sonra hemen sonra madde ve antimadde eşit miktarda oluşmuş olmalı, ancak bugün evrenin büyük kısmı maddeden oluşuyor. Ağır parçacıkları incelemek bu sorunun cevabına ulaşmamızı sağlayabilir. Dolayısıyla Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı’nda her çarpışmada yeni parçacıklar üretiliyor. STAR Collaboration ekibi bu yeni antimadde çekirdeğini tanımlamak için altı milyar parçacık çarpışmasını analiz etti.

Çin’deki Lanzhou Üniversitesi ve Modern Fizik Enstitüsü (IMP) Nükleer Fizik bölümünden yüksek lisans öğrencisi olan Junlin Wu şöyle söylüyor: “Madde ve antimadde hakkındaki fizik bilgimiz, zıt elektrik yüklerine sahip olmaları dışında, antimaddenin madde ile aynı özelliklere sahip olmasıdır. Aynı kütle, bozunmadan önce aynı yaşam süresi ve aynı etkileşimler… Evrenimizde neden maddenin baskın geldiği hâlâ bir soru işareti, tam cevabını bilmiyoruz.”

İşte iki madde arasındaki asimetriyi çözebilmek için yeni antimadde parçacıkları keşfetmek gerekiyor. Antihiperhidrojen-4’ün bulunmasında da bu amaç etkili oldu. Nature dergisinde yayınlanan çalışmaya göre bu antimadde çekirdeği bir antiproton, iki antinötron ve bir antilambda’dan oluşuyor. İşte antihiperhidrojeni etkileyici kılan da tam olarak bu. Antilambda esasında bir antihiperon. Biraz önce de demiştik ya, hiperonları madde halinde üretmek bile başlı başına zorlu bir işken antimadde versiyonunu oluşturmak elde edilebilecek nadir bir başarı.

Aradıklarını 16 olayda buldular

Aynı deneyde daha önce iki antiproton ve iki antinötrondan oluşan ve antihiperhidrojenden biraz daha hafif olan antihelyum-4 üretilmişti. Zaten bu çalışmayı mümkün kılan da önceki antihelyum çalışmasıydı. Antihiperhidrojen-4, normalde kararsız yapıdadır ve kısa süre içinde daha basit antimadde parçacıklarına dönüşür. Bunlar da antihelyum-4 ve kuark ile antikuarktan oluşan bir parçacık olan pion. Ekip antihelyum ve pozitif pionların hareketini inceledi. Buradaki düşünce parçacıkların izleri aynı noktadan başlıyorsa antihiperhidrojen-4 bozunmasından ortaya çıktıklarını anlamaktı. Bu analizler sonucunda ekip antihiperhidrojen bozunmasından kaynaklandığı düşünülen 16 olay belirledi.

Bu çalışma evrenin simetrisinin neden bozuk olduğunu göstermedi. Dolayısıyla biz hâlâ neden antimaddeden değil de maddeden oluştuğumuzu bilmiyoruz. Antimadde, maddeye kıyasla hayatta kalma olasılığını azaltacak şekilde mi davranıyor? Ya da teoriyle uyuşmayan özellikleri mi var? Şimdiye kadar elimize geçen şeyler ipuçlarından öteye geçmiyor. Ancak daha ağır parçacıklar aradığımız cevaba daha da yaklaşmamıza yardımcı olabilir.

Anti madde var ama anti-kütle çekimi yok!