Tüm antimaddenin nerede olduğu sorusunun cevabı hâlâ çözülmemiş bir gizem olarak bilim insanlarının önünde duruyor. Büyük Patlama sonrası madde ile antimaddenin eşit miktarda evrende dağıldığı düşünülüyor. Bu durumda, evrenin ilk erken zamanlarında antimadde ile madde birbirlerini tamamen yok etmiş olmalıydı. Ancak madde antimadde üzerine üstün geldi ve her nasılsa, gezegenler, yıldızlar ve galaksiler gibi görebildiğimiz her şey sadece maddeden oluşmuştur. Antimadde ile maddenin birbirini yok etmemiş olmasıyla ilgili bugüne kadar çok sayıda parçacık fiziği deneyinden bazı bulgular elde edildi. Kaon atom altı parçacığının anti-parçacığına dönüşmesi sırasında bir dengesizlik oluştuğu ve kaon parçacığının daha çok karşıt parçacığından dönüştüğü, karşıt parçacığına dönüşmesinin ise daha az olduğu bulunmuştu. Bu düzensizlik yük ve parite simetrisinin bozulması veya ihlali ile ilgilidir. Antimadde (karşıt madde) bir maddenin kütlesi gibi özellikleri aynı ama yük olarak zıttı olan maddeler olduğu için etkileşimler sırasında yükün korunumunu bekleriz. Ancak kaonda ve bazı diğer atom altı parçacıklarda olduğu gibi bu yükün korunmadığı durumlar olabiliyor. Dolayısıyla bu zincirleme etkileşimler sonucu giderek antimaddenin azalmış olabileceği makul bir yaklaşım olarak görünüyor. Başka bir düşünce ise evrenin gözlemlenebilir olmayan kısımlarında antimaddenin daha baskın olduğu üzerine. Ancak bu varsayımlar gizemin ortadan kalkması için yeterli çözümler öne sürmüyor. Buna karşın bilim insanlarının antimaddenin doğasını daha iyi anlamaya yönelik çabaları sürüyor ve yeni gelişmeler bu tüm antimaddenin nerede olduğunun aydınlatılmasında bizi bir adım ileriye götürmekte.
İtalya, Rusya, Almanya, İsviçre gibi ülkelerden uluslararası bir araştırmacı grubunun gerçekleştirdiği yeni bir çalışma daha önce fizikçiler tarafından öngörülmüş ama henüz tespit edilememiş radyoaktivitenin garip bir formunun biraz daha açıklığa kavuştuğunu gösteriyor. Araştırmanın sonuçları evrendeki maddenin antimadde üzerine neden baskın geldiğini açıklama çabalarını ileriye taşıyacak boyuttadır.
Radyoaktif bozunma üzerine çalışan fizikçiler nötrinosuz çift-beta bozunumu olarak adlandırılan bahsini ettiğim görülmemiş radyoaktif bozunmanın tabir-i caizse peşinde koşuyorlardı. Bu bozunmanın varlığı netleşirse, bu durum antimaddeden daha fazla maddenin üretilmiş olması ile ilgili bazı tuhaf koşulların gerçekten de var olduğunun kanıtı olmuş olacak. Nötrinosuz çift-beta bozunumunun gözlenmesi evrendeki madde-antimadde asimetrisinin yanı sıra nötrinoların kütlesinin neden çok ama çok küçük olduğunun anlaşılmasında da yardımcı olabilir. Yani bu bozunumun var olması nötrinoların bu kütleyi nasıl kazandıklarını açıklamanın bir yolunu sağlayabilir.
Nötrinoların geçmişi bir yüzyıl öncesine kadar uzanıyor ve ilk öne sürüldüklerinde fotonlar gibi kütlesiz oldukları düşünülüyordu. Son birkaç on yıldır, bunun böyle olmadığı ve tekrarlanan deneyler ile nötrinoların belirli bir kütleye ama çok düşük bir kütleye sahip oldukları anlaşılmıştı. Çünkü yapılan deneyler nötrinoların üç çeşnisi arasında salınımların olduğunu gösteriyordu, bu salınımlar ancak nötrinoların bir kütleye sahip olması ile var olabilirdi. Hatırlarsanız, nötrinoların salınımı keşfi 2015 Nobel Fizik Ödülü‘nü getirmişti ve KBT Bilim Sitesi bilim yazarı Tuğba Yaşar bu salınımları keşfeden ve ödülü kazananlardan Prof. Takaaki Kajita ile bir röportaj gerçekleştirmişti.
Atom altı parçacıkların özelliklerini açıklayan parçacık fiziğinin Standart Modeli’nin ise yaklaşık 40 yıllık bir geçmişi var. Temel parçacıkların özelliklerinin nasıl etkileştiğini yararlı bir şekilde ortaya koyan bu modelin açıklayamadığı bazı şeyler de vardır ve bunlardan biri evrendeki madde-antimadde asimetrisidir. Bu sorunu çözmeye yönelik Standart Model’e yapılan eklemelerden biri nötrinoların Majorana adı verilen kendi antiparçacıklarından ayırt edilemeyecek şekilde davranan varsayımsal parçacıkların var olduğunun öne sürülmesidir. Böylece evrendeki asimetri anlaşılabilir olabilir. Nötrinoların Majorana olması için nötrinosuz çift-beta bozunumu (0νββ bozunumu) gibi bir tür nükleer bozunmanın gözlenmesi gerekiyor. Majorana nötrino ile söylemek istenilen çok da alışılagelmiş bir şey değil, zira henüz doğrulayamadığımız bozunma etkileşmesine göre nötrinonun kendisi de bir antiparçacık olabilir! Peki nasıl olur? Nötrino ve antiparçacığı olan antinötrinonun aynı parçacık olma ihtimali onların yüksüz olmasından ileri gelir. Yazının geri kalanında hem konuya açıklık getirmeye hem de son çalışmanın katkısına yer vermeye çalıştım.
Bu daha önce görülmemiş radyoaktif bozunmayı araştıran fizikçiler İtalya’daki Grand Sasso dağı derinliklerinde yer alan Germanyum Dedektör Dizisi’ni (GERDA) kullandılar. Burada yapılan deneylerde doğal asimetriyi gösterme potansiyeli olan radyoaktif parçacıklar arandı.
Normal bir β-bozunmasında nötr bir nötron bir pozitif protona, bir negatif elektrona ve bir antinötrinoya ayrılır.
Germanyum atomlarında ise bu bozunma süreci iki kez oluşur. Eş zamanlı olarak iki nötron bozunmuş olur ve bu bize nötrinoların atomdan çıkmadan önce kendilerini yok edişlerini görmemizi sağlayabilir. Nötrinosuz çift-beta bozunmasında bir atom içinde iki nötron iki protona dönüşüyor ve iki elektron serbest kalıyor ama ortada antinötrinolar yok. Ve işte madde antimaddeye karşı üstün geliyor! Bir çift β-bozunmasının nötrino oluşmadan gerçekleşmesi için Majorana nötrinosunun gerçekten var olduğunun kanıtlanması gerekiyor. Buna göre bir Majorana nötrinosu bir nötrondan yayımlanmalı başka bir nötron tarafından bir antinötrino olarak yeniden soğurulmalıdır. 0νββ bozunumu ile gözlenmek istenen şey tam olarak budur. Bu süreç nötrino oluşmadığı için “nötrinosuz” olarak adlandırılır.
Nötrinosuz çift-beta bozunumunun gözlenmesinin önündeki en büyük zorluk kozmik mikrodalga arkaplan ışımasından kaynaklı arkaplan gürültüsüdür. GERDA’da deneylerini gerçekleştiren araştırmacılar büyük bir su tankı tarafından etrafı çevrili sıvı argonla dolu daha küçük bir tank içinde 35.6 kilogramlık germanyum kullanılarak oluşan beta bozunmasını gözlemlemeye çalıştılar. Germanyum yarıiletken dedektörlerin yerin altına bu düzenekle yerleştirilmesi 0νββ bozunması sonucu oluşacak yüklü parçacıklara benzer parçacıkların kozmik ışınlar nedeniyle üretilmesinin önüne geçmek için sağlandı. GERDA’da gerçekleştirilen deneyde araştırmacılar, germanyumdaki etkileşmeler tarafından doğrudan pozitif yükler (deşikler) üretmek için bir elektroda elektrik alan uyguladılar. Deşiklerin elektrotlara hareketini hızlandırmak için dedektör ve elektrotları yeniden tasarlayarak dedektörde defalarca saçılan arkaplanın oluşmasının önüne geçti.
Ancak araştırmacılar henüz nötrinosuz çift-beta bozunumunun gerçekleştiğine tanıklık edemediler ama ilk defa arkaplan gürültüsüne deney sırasında rastlanılmadı. Bu tür araştırmalar için arkaplan gürültüsünün görülmemiş olması ciddi ve önemli bir başarı olarak değerlendiriliyor. Çünkü sonraki adım radyoaktif bozunmanın görülmemiş formunu ortaya çıkarmak olacak ve Majorana nötrinolarının gerçekten var olup olmadıkları anlaşılacak.
Araştırmacılar Nature dergisinde yayınladıkları makalede nötrinosuz çift beta bozunmasının keşfinin parçacık fiziği ve kozmolojisi anlayışımız için çok geniş kapsamlı sonuçlarının olacağını yazdılar.
Gökhan Atmaca, MSc.
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
Referanslar:
Tuğba Yaşar, Büyük Patlama, KBT Bilim Sitesi, 03.2015
Gülcihan Utaş, Anti Madde Nerede? – Anti Maddenin Gizemleri, KBT Bilim Sitesi, 02.2012
Phillip S. Barbeau, Particle physics: The search for no neutrinos, Nature News&Views, 04.2017
Bec Crew, This Unseen Form of Radioactive Decay Could Help Explain Where All the Antimatter Is, ScienceAlert, 04.2017
Ana görsel: GERDA deneyinin alttan görünümü. Credit: V. Wagner/GERDA collaboration