Süperakışkan helyumdan fırlatılan egzotik atomlar Einstein'ı sınayacak

Haber demetin kendisi değil, demetin ne için kurulduğu. Ekip bu atomlarla, Einstein'ın genel görelilik kuramının en alt basamağındaki varsayımı sınamak istiyor: zayıf eşdeğerlik ilkesi. Bu ilke, bir kütleçekim alanındaki bütün cisimlerin — neyden yapıldıklarına bakılmaksızın — aynı ivmeyle düştüğünü söyler. Galileo'nun kuleden bırakılan farklı ağırlıklar hikâyesinin modern, çok daha hassas hâli. Sıradan maddeyle bugüne kadar olağanüstü duyarlıkla sınandı. Ama ikinci kuşak bir parçacığın ağırlığını taşıyan bir atomla hiç sınanmadı.

Müonyum: hidrojenin taklidi, çekirdeği antimadde

Deneyin malzemesi müonyum (simgesi Mu). 1960'ta fizikçi Vernon W. Hughes tarafından bulunan bu atomun yapısı basit: pozitif yüklü bir antimüon ile negatif yüklü bir elektron, elektrik çekimiyle birbirine bağlanıyor. Hidrojen atomunun merkezinde bir proton durur; müonyumda o yeri, elektrondan yaklaşık 200 kat ağır olan antimüon alır. Sonuç, boyutu ve iyonlaşma enerjisi hidrojene şaşırtıcı ölçüde yakın bir atom — deyim yerindeyse hidrojenin sahte kimlikli ikizi.

Burada gözden kaçan bir ayrım var. Antimadde, bildiğimiz her parçacığın kütlesi aynı, yükü ters olan eşi demek: elektronun eşi pozitron, protonun eşi antiproton. Müonyumda antimadde olan taraf yalnızca merkezdeki antimüon; çevresinde dolanan elektron sıradan madde. Yani müonyum saf antimadde değil, karışık bir atom. Bu yüzden deneyin sorduğu soru da iki katmanlı: antimadde nasıl düşer, ve — daha az sorulmuş olanı — ikinci kuşak bir parçacık nasıl düşer?

Maddenin bilinen parçacıkları üç kuşağa ayrılıyor; her kuşak, öncekinin daha ağır bir kopyası gibi. Elektron birinci kuşakta, müon ikinci kuşakta yer alıyor. ETH Zürih'in duyurusunda belirtildiğine göre fizikçiler bu ek kuşakların neden var olduğunu bilmiyor; kütleçekiminin ağır kuşaklara da tam aynı biçimde etki ettiği ise ölçülmüş bir şey değil, varsayılan bir şey. Çalışmanın özeti bu yüzden hedefi açıkça "ikinci kuşak (anti)maddeyle zayıf eşdeğerlik ilkesinin ilk doğrudan sınaması" diye tanımlıyor.

Neden süperakışkan helyum gerekti?

Müonyumla kütleçekim ölçmenin önündeki engel zaman. Müonun ömrü yalnızca 2,2 mikrosaniye, yani saniyenin milyonda 2,2'si. Bu kadar kısa ömürlü bir atomun düşüşünü izleyebilmek için atomların nereye ve ne hızda gittiğini bilmek gerekiyor. Alışıldık müonyum kaynaklarında atomlar ısıl hareketle rastgele yönlere, rastgele hızlarda dağılıyor; bu dağınıklık hassas bir ölçümü baştan imkânsız kılıyor.

PSI ekibinin çözümü süperakışkan helyum oldu. Mutlak sıfıra yakın soğutulan helyum, tek tek atomların kimliğini yitirdiği ve içinde yabancı madde barındırmayan bir kuantum sıvısına dönüşüyor. Antimüon bu sıvının içinde yavaşlayıp bir elektronla birleştiğinde oluşan müonyum atomu, sıvı içinde artı bir kimyasal potansiyel taşıyor. Yüzeye geldiğinde bu potansiyel kinetik enerjiye çevriliyor ve atom yukarı doğru fırlatılıyor. Zhang'in "atom topu" benzetmesi tam olarak bunu anlatıyor: sıvının kendisi bir namlu gibi davranıyor.

ETH Zürih'in duyurusunda Anna Soter sonucu şöyle anlatıyor: "Müonyum atomlarını 'soğuk' bir durumda üretmeyi başardık; kütleçekim deneyini ilk başta mümkün kılan da bu." Duyuruda bunun pratik anlamı da veriliyor: atomlar birbirine yakın hızlarda ve neredeyse birbirine paralel ilerliyor. Çalışmanın özetinde demetin ortalama boylamsal hızı yaklaşık 2.180 metre/saniye, hız dağılımının genişliği ise 150 metre/saniyenin altında veriliyor. Ekip demeti bu nedenle "ısıl ötesi" (superthermal) diye niteliyor: atomlar ısıl hareketin dağınıklığından kurtulmuş durumda.

Antimaddenin düşüşü: 2023'te ne olmuştu

Bu sorunun bir önceki durağı CERN'di. ALPHA işbirliği, 2023'te Nature'da yayımlanan çalışmasında antihidrojen atomlarının — bir antiproton çevresinde dolanan bir pozitron — Dünya'nın kütleçekimi altında yukarı değil aşağı doğru düştüğünü doğrudan gözledi. ALPHA-g adı verilen düşey vakum odasında tutulan antiatomlar serbest bırakıldığında, yok oluşların yaklaşık yüzde 80'i tuzağın merkezinin altında gerçekleşti.

Ölçülen değer, antihidrojenin kütleçekim ivmesi için [0,75 ± 0,13 ± 0,16] g çıktı; buradaki g yerel kütleçekim ivmesi. Yani sonuç sıradan maddeyle uyumlu, ama hata payı g'nin yüzde 20'si dolayında. ALPHA sözcüsü Jeffrey Hangst o dönemde CERN Courier'de sonucu şöyle tanımlamıştı: "Bu, antimaddenin hareketi üzerindeki kütleçekim etkisini gerçekten gözleyen ilk doğrudan deney."

CERN'in kendi YouTube kanalında yayımladığı yukarıdaki kısa görüntüde, ALPHA'nın antimaddenin düşüşünü gözlediği bu ölçüm anlatılıyor.

Bu ölçümlerin arkasındaki asıl merak, evrenin neden maddeden yapıldığı sorusu. Evrenin ilk anlarında madde ve antimadde eşit miktarda ortaya çıkmış olsaydı, ikisinin birbirini yok etmesi gerekirdi; oysa ortada bir evren var. Kuramın omurgasındaki simetrilerden biri CPT simetrisi: yükün, uzaysal yansımanın ve zaman yönünün birlikte tersine çevrildiği bir evrende fizik yasalarının aynı kalması beklentisi. Kütleçekim bu simetrinin doğrudan kapsamında değil; düşüş deneyleri, madde ile antimadde arasında herhangi bir fark olup olmadığını arayan bağımsız ve daha kaba bir hat. Yine de aradaki en ufak fark, kütleçekimin kuantum kuramına giden yolda büyük bir ipucu olurdu.

Sayılarla yeni demet

Aşağıdaki değerler, çalışmanın Nature Physics'teki özetinden, ETH Zürih'in duyurusundan ve karşılaştırma satırı için ALPHA'nın 2023'teki Nature makalesinden derlendi.

Sınır: henüz hiçbir kütleçekim ölçümü yok

Çalışmanın söylediği şeyin sınırı net. Kurulan şey bir demet; ölçülen şey demetin hızı ve dağınıklığı. Müonyumun kütleçekim ivmesi ölçülmedi. Yani "Einstein sınandı" değil, "Einstein'ı sınayacak alet çalıştı" aşamasındayız.

İkinci sınır duyarlıkta. Çalışmanın özeti, bu demetle müonyum girişimölçümü ve kütleçekim ivmesinin "yüzde düzeyinde" bir ölçümünün beklendiğini söylüyor. Yüzde 1, ALPHA-g'nin yüzde 20'lik hata payının yanında büyük bir sıçrama; ama yeni fizik modellerini ayırt etmek için yeterli değil. CERN Courier'de görüşüne yer verilen kuramcı Diego Blas, anlamlı bir sınama için duyarlığın on milyonda bir mertebesine inmesi gerektiğini söylüyordu; aynı yazıda ALPHA, AEgIS ve GBAR deneylerinin önümüzdeki yıllarda yüzde 1 düzeyini hedeflediği belirtiliyor. Müonyum ölçümü de yapıldığında aynı bandın içinde olacak.

Üçüncüsü ölçümün konusu. Müonyum karışık bir atom olduğu için, çıkacak sonuç "antimadde şöyle düşüyor" diye okunamaz. Ölçülen şey, kütlesinin neredeyse tamamı ikinci kuşak bir parçacıktan gelen nötr bir atomun düşüşü olacak. Bu kendi başına yeni bir bilgi; ama antihidrojen ölçümünün yerine geçen bir şey değil, onun yanına eklenen bağımsız bir sınama.

Sırada ne var

Ekibin planı, atomların dalga özelliğinden yararlanan bir atom girişimölçeri kurmak. Bu aletlerde atom demeti girişim deseni oluşturuyor; kütleçekim desende ölçülebilir bir kayma yaratıyor ve kayma miktarından ivme geri hesaplanıyor. Soter'in ETH Zürih duyurusundaki takvimi şöyle: "Yöntemi bu yıl ilk kez atom demetiyle sınamayı umuyoruz; her şey iyi giderse gerçek kütleçekim deneyi iki ya da üç yıl içinde gelmeli." Ara adım olarak demetin yatay yöne çevrilmesi ve girişimölçerle denenmesi bekleniyor.

Aynı demetin ikinci bir kullanımı da var: çalışmanın özeti, kilohertz altı duyarlıkta 1S-2S tayf ölçümüyle müonun kütlesinin daha iyi belirlenebileceğini söylüyor. Müon kütlesi, müonla yapılan başka hassas ölçümlerin de girdisi olduğu için bu ayrı bir getiri.

Açık soru şu: ikinci kuşak bir parçacık, birinci kuşaktan farklı düşer mi? Kuram "hayır" diyor ve bugüne kadarki her ölçüm kuramı destekledi. Ama hiç bakılmamış bir yere ilk kez bakılıyor ve fizikte bu türden ilk bakışlar, beklenmeyen bir şey çıkmadığında bile bir sınır çiziyor: bundan sonra ortaya atılacak her kütleçekim kuramının, müonyumun ne kadar farklı düşemeyeceğini de açıklaması gerekecek.

Fotoğraf: PSI, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons