Tek bir pozitron aylarca tuzakta kaldı: antimaddenin aynası artık ölçülebilir
Northwestern Üniversitesi fizikçileri tek bir pozitronu Penning tuzağında aylarca tuttu ve enerji basamaklarını tek tek denetledi. Hedef, elektron ile antimadde ikizi arasındaki simetriyi sınamak.
Chicago'nun hemen kuzeyindeki Evanston'da, Northwestern Üniversitesi'nin bir laboratuvarında, mutlak sıfırın yalnızca 0,3 derece üzerinde tutulan bir boşluğun ortasında tek bir parçacık aylarca asılı kaldı. Hiçbir yüzeye değmedi, hiçbir şeye çarpmadı. Bu parçacık bir pozitron, yani elektronun antimadde ikizi. Araştırmacılar onu, kendi deyişleriyle, aylarca "orada oturup uslu durmaya" ikna etti.
Gerald Gabrielse'nin yönettiği ekip, bu düzeneğe "tek pozitronlu kuantum siklotron" adını veriyor. Çalışma 21 Ekim'de Physical Review Letters dergisinde yayımlandı. Başarının değeri, bir antimadde parçacığını uzun süre saklamaktan çok daha fazlası: Pozitronun enerji basamakları artık tek tek görülebiliyor ve dışarıdan denetlenebiliyor. Bu, fiziğin en temel varsayımlarından birini şimdiye kadarkinden çok daha keskin biçimde sınamanın kapısını aralıyor.
Antimadde neden kutuya konamaz
Pozitron, elektronla aynı kütlede ama artı yüklü bir parçacık. Varlığını 1928'de Paul Dirac'ın denklemleri öngörmüş, 1932'de Carl Anderson bir bulut odasında ilk kez izini yakalamıştı. Sorun şu: Pozitron bir elektronla karşılaştığında ikisi birden yok olur, kütleleri enerjiye dönüşür. Sıradan bir kap da elektronlarla dolu olduğundan, pozitron duvara değdiği anda kaybolur.
Gabrielse, Northwestern'in duyurusunda bunun bir tehlike anlamına gelmediğinin altını çiziyor: "Antimaddeyi incelemek istiyorsak onu dikkatle tutmamız gerekir. Açık olayım, tehlikeli değil; bir patlama yaratacak kadar antimaddemiz yok."
Yarım milyon elektronvolttan neredeyse durgunluğa
Ekibin pozitron kaynağı, radyoaktif sodyum-22. Bu çekirdekler bozunurken saçtığı pozitronlar 546 bin elektronvolta varan enerjiyle fırlıyor. Makaleye göre asıl güçlük, bu hızlı parçacığı tuzakta ancak 26 mikroelektronvoltluk bir hareket enerjisi kalacak kadar yavaşlatmak.
Bunun için pozitronlar önce tek kristal bir tungsten levhadan geçiriliyor ve çarpışmalarla enerjilerini yitiriyor. Levhadan sızan yavaş pozitron, yüzeyden bir elektronu yanına çekip onunla gevşek bağlı bir pozitronyum "atomu" oluşturuyor. Yüksüz olduğu için elektrotlardan etkilenmeden 625 mikrometrelik küçük bir delikten tuzağa giren bu çift, içerideki elektrik alanında ayrışıyor: Elektron kaçıyor, pozitron tuzakta kalıyor. Yöntem yavaş; tek bir pozitronu yüklemek 8 ila 11 saat sürüyor. Buna karşılık yalnızca 18 mikrokürilik zayıf bir kaynak yetiyor. Yazarlar, 1980'lerdeki en iyi ölçüm için kurulan 500 mikrokürilik kaynağın bugünün üniversite güvenlik kurallarıyla neredeyse kullanılamayacağını not ediyor.
Penning tuzağı: elektrik ve mıknatıstan görünmez kafes
Pozitronu tutan düzenek bir Penning tuzağı. Süperiletken bir mıknatısın ürettiği 5,6 teslalık güçlü manyetik alan parçacığın yana kaçmasını önlüyor; silindir biçimli elektrotların oluşturduğu elektrik alanı ise onu alan çizgisi boyunca bir ileri bir geri salınan bir yaya bağlıyor. Bu tür tuzaklarla tek tek parçacıkları hapsetme yöntemi, 1989 Nobel Fizik Ödülü'nü paylaşan Hans Dehmelt'in çalışmalarına dayanıyor.
Elektrotlar ve çevrelerindeki kapalı hazne bir seyreltme soğutucusuyla yaklaşık 300 milikelvine indiriliyor. Bu soğukluk iki işe yarıyor: Kalan gaz atomları donup duvarlara yapışıyor ve neredeyse kusursuz bir boşluk oluşuyor; ayrıca pozitronu uyarabilecek ısıl ışıma ortadan kalkıyor.
Bir parçacığın merdiven basamakları
Manyetik alanda dönen yüklü parçacığın enerjisi sürekli değil, eşit aralıklı basamaklar halinde. Gabrielse'nin deyişiyle pozitron "kuantum taban durumunda" oturuyor, yani merdivenin en alt basamağında. Ekip, yaklaşık 156 gigahertzlik mikrodalgalarla pozitronu bir basamak yukarı çıkarabildi ve birkaç saniye sonra kendiliğinden geri indiğini gördü.
Normal koşulda bu üst basamak saniyenin onda birinden kısa sürede boşalırdı; tuzağın elektrotları aynı zamanda bir mikrodalga kovuğu gibi davrandığı için bu süre birkaç saniyeye uzuyor ve ölçüm için gereken süre elde ediliyor. Basamak değişimleri, parçacığın ileri geri salınım frekansındaki yaklaşık 3,8 hertzlik kaymadan okunuyor. Bu okuma pozitronun durumunu bozmuyor. Kaymanın büyüklüğü, tuzakta gerçekten tek bir pozitron bulunduğunu da doğruluyor; iki parçacık olsaydı yarısı kadar olacaktı.
Asıl hedef: ayna simetrisini sınamak
Parçacık fiziğinin Standart Modeli, CPT simetrisi denen bir ilkeye dayanır: Yükleri tersine çevirip, uzayı aynadaki gibi yansıtıp, zamanı geri sardığınızda, üçü birlikte yapıldığında fizik yasaları değişmemeli. Bunun bir sonucu, elektronla pozitronun manyetik momentlerinin büyüklükçe birebir aynı olması.
Aynı ekip 2023'te tek elektronlu kuantum siklotronla elektronun manyetik momentini yaklaşık on trilyonda bir duyarlıkla ölçmüştü. Pozitron için ise en iyi ölçüm hâlâ 1987'den kalma ve kuantum değil, klasik yöntemle yapılmış. Makalenin sonucuna göre pozitronu elektronla aynı duyarlıkta ölçmek, bu ilkeyi lepton ailesinde şimdiye kadarkinden 30 kattan daha keskin sınayabilir. Gabrielse beklentiyi açıkça söylüyor: "Mevcut kuramlar iki ölçüm arasında fark olmayacağını öngörüyor. Eşit çıkmazlarsa bu, son yüzyılın fizikteki en büyük keşfi olur."
Şimdilik bir ölçüm değil, bir araç
Bulgunun sınırını görmek gerekiyor: Ekip henüz pozitronun manyetik momentini ölçmedi. Yayımlanan çalışma, ölçümü mümkün kılacak aracın çalıştığını gösteren bir ilk adım. Yazarlar, belirsizlikleri tek tek incelemenin "hatırı sayılır zaman" alacağını ve düzeneğin daha da iyileştirilmesi gerektiğini yazıyor. Yükleme hızı düşük, ölçüm yöntemi de bu gösterim için sadeleştirilmiş durumda.
Evrenin neden antimaddeden değil de maddeden oluştuğu sorusu da bu deneyle tek başına çözülmeyecek. Gabrielse'nin hatırlattığı gibi Büyük Patlama eşit miktarda madde ve antimadde üretmiş olsaydı ikisi birbirini yok eder, geriye bir şey kalmazdı. Bir fark bulunursa bu bilmeceye ipucu olabilir; bulunmazsa da Standart Model'in çatlak aranabilecek alanı biraz daha daralmış olacak.
Sırada ne var
Ekibin bir sonraki hedefi, elektronda yaptığı kuantum ölçümünü aynı tuzak düzeninde pozitronla tekrarlamak ve iki sonucu yan yana koymak. Bu ölçümün ne zaman çıkacağı belli değil. Ama aylarca yerinden kıpırdamayan tek bir antimadde parçacığı, fizikçilere sabırla sorulacak sorular için ilk kez yeterince uzun bir süre tanıyor.
Fotoğraf: Arian Kriesch Akriesch 23:40, 6 April 2006 (UTC), CC BY 2.5, Wikimedia Commons
