Zürih Teknoloji Enstitüsü (ETH Zürich) fizikçileri, Einstein’ın genel görelilik kuramının öngördüğü zayıf denklik ilkesini karşımadde alanında sınamak amacıyla muonyum adı verilen egzotik bir karşımadde ışını inşa edip test etti. Karşımuon ve elektrondan oluşan nötr atomlardan meydana gelen bu ışın, fizikçilere madde ile karşımaddeyi oluşturan parçacıkların yerçekimi altında aynı şekilde düşüp düşmediğini ölçme imkanı sunuyor. ETH Zürich’ten fizikçi Anna Soter’in Nature Physics dergisinde yayımlanan çalışmanın yazılı yazarlığını üstlendiği bu gelişme, yerçekiminin ikinci nesil temel parçacıklara etkisini ilk kez doğrudan incelemeye olanak tanıyan bir adım olarak öne çıkıyor.
Genel görelilik kuramına göre yerçekimi ayırt etmez: Madde ne kadar olursa olsun, aynı şekilde düşmelidir. Bu ilkeye dair bilimsel araştırmalar günümüze kadar büyük ölçüde bu görüşle uyumlu sonuçlar veriyor; ancak karşımadde tarafında henüz tamamlanmamış sorular bulunuyor.
Karşımuon ve Muonyum: Yerçekimi Deneyi İçin Neden Önemli?
Bu deneyi gerçekleştirmek için araştırmacıların muonyuma ihtiyaçları var; nötr bir parçacık olan muonyum, pozitif yüklü bir karşımuon ile negatif yüklü bir elektrondan oluşuyor. Karşımuon ise temel parçacıklardan biri olan muonun karşımadde karşılığı. Muon elektron benzeri olsa da yaklaşık 200 kez daha kütleye sahip ve neredeyse muonyumun tüm kütlesi bu karşımadde bileşeninden geliyor. İşte tam da bu nedenle muonyum, şimdiye kadar yerçekimi deneyine tabi tutulan karşımaddelerden belirgin biçimde ayrılıyor.
2023 yılında CERN’in ALPHA deneyi, antiproton ve pozitrondan oluşan antihidrojenin sıradan maddeyle uyumlu bir şekilde yere doğru düştüğünü göstermişti. Bu oldukça çığır açıcı bir buluş olsa da proton ve antiprotonlar temel parçacık değil; kuarklardan meydana gelen bileşik nesnelerdir. Öte yandan karşımuon, ikinci nesil temel parçacıklar sınıfına ait elementary (temel) bir parçacıktır.
Muonyum egzotik yapısı ve nötr olması nedeniyle bu deney için son derece uygun. Bir şeyin düşmesini sağlamak için nötr bir şeye ihtiyacınız var; muonyum tam da bunu sağlıyor.
Fizikçi Anna Soter, ETH Zürich
Böylece muonyum içeren bir yerçekimi deneyi, başka hiçbir denemin ulaşamadığı serbest düşme bölgesine girecek. Ancak işin içinde küçük ama kritik bir zorluk var: Muonyum ancak yaklaşık 2,2 mikrosaniye dayanabiliyor ve ardından bozunuyor; bu da ölçüm yapmak için oldukça kısa bir süre.
Süperakışkan Helyumdan Işına: Uzun Ömür Olmasa Da Nicelik Kazanılıyor
Fizikçiler, muonyumun uzun ömründen kaybettiklerini nicelikle telafi etmeyi planladı; sıkı biçimde kontrol edilen, çoğunlukla aynı yöne ve yaklaşık olarak aynı hıza hareket eden devasa bir muonyum partikül akışı oluşturarak bu açığı kapatmak istedi.
Muonyum atomlarının ömrü çok kısa olduğundan, birkaç mikrosaniye düşüp ardından ölçülebilmesi için yeterli sayıda taneciğin hayatta kalmasını sağlamak adına büyük bir sayıdan başlamamız gerekiyor.
Fizikçi Anna Soter, ETH Zürich
Mevcut muonyum kaynakları bu konuda pek başarılı değil; geniş açılar ve hızlarda atom saçan dağınık “termal” ışınlar üretiyorlar. Bu yüzden araştırmacılar yeni bir plan geliştirdi: Karşımuonları yaklaşık 0,2 Kelvin’e soğutulmuş süperakışkan helium tabakasına fırlatmak.
Karşımuonlar helyuma girdiğinde hızla enerji kaybedip yüzeyin hemen altına kadar yavaşlıyor. Orada bir karşımuon, kendisi heliumun içinden geçerken arkasında bıraktığı bir elektronu yakalayabiliyor ve muonyum oluşuyor.
Süperakşankrom daha sonra son derece yararlı bir işlev görüyor: Muonyum aslında süperakışkan heliumun içinde kalmayı sevmiyor; iki bileşen arasındaki etkileşim muonyuma ekstra enerji vererek yeni oluşan atomları yüzeye doğru itiyor. Yüzeye ulaştıklarında, bu enerji artışıyla büyük ölçüde belirlenen bir hızla üzerindeki vakuumfışırıyorlar; ki bu durum, geleneksel muonyum kaynaklarını o kadar da karışık hale getiren rastlantısal termal hareketten oldukça farklı.
Sonuç olarak fizikçiler son derece düzenli bir muonyum akışı elde etti: Işın saniyede yaklaşık 2,2 kilometre hızla ve çok daha dar bir hız yayılımıyla fışırıyor. Helyuma gönderilen karşımuonların yaklaşık yüzde 8’i nihayetinde muonyum olarak vakuumu çıkabildi.
Işın Doğru Yöne Dönmeden Önce Ölçülecek Küçük Yerçekimi Kaymasını İzlemek İçin Bir Girişimölçer Lazım
Helyumun üzerinde konumlandırılan dedektörler, araştırmacıların muonyum atomlarının bozunurken çıkardıkları partiküllerden yola çıkarak bu atomların izlerini yeniden inşa etmelerini sağladı. Bu ölçümler, elde etmek istedikleri dar ve hızlı hareket eden ışını ortaya koydu.
Ancak deney henyerçekiminin partikülere ne yaptığını ölçmeye hazır değil. Birincisi, ışın şu anda yanlış yöne işaret ediyor. Süperakşankrom muonyumu dikey olarak yukarı fırlatıyor; fizikçiler yerçekimi altında ivmesini ölçmek için partiküllerin yatay hareket etmesi gerekiyor, böylece yerçekimi bu kısa yolculuk sırasında onları çok hafifçe aşağı çekebiliyor.
Ekip zaten ışını yanlara döndürecek bir yöntem üzerinde çalışıyor. Buluşun bir sonraki parçası ise o inanılmaz küçük yerçekimi kaymasını ölçebilecek bir girişimölçer olacak. Önerilen cihaz muonyumu birbirinden yalnızca milimetler kadar uzaklaşmış üç son derece ince kırınım ağından geçirecek. Kuantum mekaniğinin tuhaflığı sayesinde partiküller aynı zamanda dalga gibi de davranıyor ve geçerken bir girişim deseni oluşturuyor.
Yerçekimi muonyuma beklendiği şekilde etki ediyorsa, aşağı yönlü çekimi bu desende son derece küçük bir kayma yaratacak. Bu kaymayı ölçerek fizikçiler muonyumun yerçekimi ivmesini belirleyebiliyor.
Yeni ışınlarıyla fizikçiler, nihayetinde bu ivmeyi yaklaşık yüzde 1 doğrulukla ölçebileceklerini tahmin ediyorlar. Yöntemi bu atom ışınıyla bu yılın sonuna kadar sınamayı, gerçek yerçekimi deneyini ise muhtemelen iki veya üç yıl içinde takip etmeyi umuyorlar.
Sadece ilk kez yerçekimsel ve atalet kütlesi arasındaki denklemin ikinci nesil partikülere de uygulanıp uygulanmadığını ölçmek istiyorum; bu başlı başına oldukça ilham verici bir çalışma.
Fizikçi Anna Soter, ETH Zürich
Bu deneyin ardından muonyumun yerçekimi altında sapma gösterip göstermeyeceğini görecekler. Eğer öyleyse bu, evrendeki beşinci fiziksel kuvvetin varlığına işaret edebilir. Ancak böyle olmasa da Soter’in ekibi son derece anlamlı bir iş başarmış olacak.
Araştırmaya konu olan çalışma Nature Physics dergisinde yayımlandı.
1 yorum
Fikrinizi bir kaynak, soru veya yapıcı karşı görüşle geliştirin.