Northwestern Üniversitesi araştırmacıları, elektronun antimadde karşılığı olan tek bir pozitronu aylar boyunca izole ederek kuantum durumlarını denetledi. Physical Review Letters’ta yayımlanan çalışma, pozitronun manyetik özelliklerinin elektrona ait son derece hassas ölçümlerle karşılaştırılmasının önünü açtı. Araştırmanın hedefi, parçacık fiziğinin Standart Modeli’ndeki temel simetrilerden birini sınamak ve evrende neden antimaddeden çok madde bulunduğuna dair yeni ipuçları elde etmek.
Pozitronlar, elektronla aynı kütleye ancak ters elektrik yüküne sahip parçacıklar. Bir pozitron sıradan maddeyle, özellikle bir elektronla karşılaştığında çift yok oluyor ve enerji açığa çıkıyor. Antimaddenin maddeyle temas etmeden tutulması gerektiği için deney, parçacığı fiziksel duvarları olmayan elektromanyetik bir kapta hapsetti.
Pozitron radyoaktif sodyumdan elde edildi
Araştırma ekibi pozitronları sodyum-22 adlı radyoaktif izotopun bozunmasından elde etti. Kaynaktan çıkan pozitronlar çok yüksek enerji taşıdığı için doğrudan tuzağa alınmaları mümkün değildi. Fizikçiler, parçacıkları önce soğuttu, ardından tungsten kristalinden geçirerek önemli ölçüde yavaşlattı.
Tungsten kristalindeki yolculuk riskli aşamayı oluşturdu. Pozitronların çoğu kristaldeki elektronlarla karşılaşıp yok oldu. Hayatta kalan az sayıdaki pozitron ise düşük enerjili hâle geldikten sonra vakum odasına yönlendirildi.
Vakum odasının sıcaklığı yaklaşık 300 milikelvin, yani mutlak sıfırın yalnızca 0,3 derece üzerindeydi. Araştırmacılar elektrik alanlarını üst ve alt yönde, manyetik alanı ise çevresel yönde kullanarak yüklü parçacığı boşlukta tuttu. Penning tuzağı adı verilen düzenek, pozitronun kap duvarlarına ya da başka madde parçacıklarına temasını engelledi.
Elektromanyetik tuzak kuantum geçişlerini izledi
Ekip yalnızca pozitronu saklamadı; parçacığın kuantum enerji düzeylerini de ölçüp yönetti. Güçlü manyetik alan içindeki pozitron dairesel bir hareket yapıyor. Fizikçiler, pozitronu en düşük enerji durumuna kadar soğuttuktan sonra hassas ayarlanmış mikrodalga darbeleriyle parçacığı ayrı enerji seviyelerine taşıdı.
Araştırmacılar, pozitronun bir enerji kuantumu kadar yaptığı geçişleri ve spinindeki değişimleri algıladı. Tek parçacık üzerinde kurulan denetim, deneyin esas amacına ulaşmak için gerekli ölçüm altyapısını sağlıyor. Çalışmanın ilk yazarı Thomas Myers’ın geliştirdiği yöntem, yüksek enerjili antimaddeyi yavaşlatma ile kuantum ölçümünü aynı düzende birleştirdi.
Pozitronun aylar boyunca tutulduğu bildirildi. Kaynaklarda gözlem süresi için farklı ifadeler yer alsa da araştırma ekibinin ana bulgusu, parçacığın uzun süre kararlı biçimde hapsedilmesi ve kuantum hâllerinin ölçülebilmesi oldu.
Manyetik moment ölçümü temel simetriyi sınayacak
Araştırmacıların sıradaki hedefi, pozitronun manyetik momentini ölçmek. Manyetik moment, bir parçacığın manyetik alana verdiği tepkinin büyüklüğünü ve yönünü tanımlıyor. Standart Model, elektron ile pozitronun manyetik momentlerinin büyüklük bakımından eşit, işaret bakımından zıt olması gerektiğini öngörüyor.
Gerald Gabrielse’nin laboratuvarı daha önce tek bir elektronun manyetik momentini yaklaşık 10 trilyonda bir hassasiyetle ölçmüştü. Aynı doğruluk düzeyine pozitron için de ulaşılması, elektron ve antimadde karşılığının doğrudan karşılaştırılmasını sağlayacak.
Karşılaştırmada bir fark bulunması, yük, parite ve zaman tersinimi simetrisi olarak bilinen CPT simetrisine ilişkin mevcut anlayışı zorlayabilir. CPT simetrisi, madde ve antimaddeye ait temel fizik yasalarının birleşik dönüşümler altında aynı kalmasını öngörüyor. Pozitron ölçümü, söz konusu öngörünün en hassas sınamalarından biri olabilir.
Madde fazlalığı sorusuna yeni veri aranıyor
Kozmolojiye göre Büyük Patlama’nın madde ve antimaddeyi birbirine yakın miktarlarda üretmiş olması bekleniyor. Eşit miktardaki madde ile antimadde tamamen karşılaşsaydı, günümüzde yıldızları, gezegenleri ve canlıları oluşturacak madde kalmaması gerekirdi. Gözlemlenebilir evrenin neden madde ağırlıklı olduğu ise Standart Model’in açıklamakta yetersiz kaldığı başlıca sorulardan biri.
Elektron ve pozitron arasında manyetik moment farkı saptanması, erken evrende madde lehine işleyen henüz bilinmeyen fiziksel mekanizmalara işaret edebilir. Ölçümlerin Standart Model ile bütünüyle uyumlu çıkması da temel simetriyi daha güçlü biçimde doğrulayacak; ancak evrendeki madde fazlalığı sorusunu açık bırakacak.
Araştırma ekibi, pozitronun manyetik momentine ilişkin sonuçları elde etmeyi planlıyor. Deneyin çok yüksek hassasiyet gerektirmesi nedeniyle ölçüm süresinin ve doğrulama çalışmalarının uzaması olası görülüyor. Tek bir antimadde parçacığını denetim altında tutabilen düzenek, düşük enerjili antimadde araştırmalarında yeni ölçüm deneylerine de temel oluşturabilir.
Sıkça Sorulanlar
Pozitron nedir?
Pozitron, elektronun antimadde karşılığıdır. Elektronla aynı kütleye sahip olan pozitronun elektrik yükü pozitiftir ve elektronla karşılaştığında iki parçacık yok olur.
Tek pozitron nerede ve ne kadar süre tutuldu?
Tek pozitron, ABD'nin Illinois eyaletindeki Northwestern Üniversitesi laboratuvarında vakumlu elektromanyetik tuzakta aylar boyunca tutuldu. Deney düzeneği parçacığın sıradan maddeyle temasını önledi.
Araştırmacılar pozitronu nasıl yakaladı?
Araştırmacılar sodyum-22'nin radyoaktif bozunmasından çıkan pozitronları tungsten kristalinden geçirerek yavaşlattı. Ardından parçacığı yaklaşık 300 milikelvin sıcaklıktaki Penning tuzağına elektrik ve manyetik alanlarla aldı.
Pozitronun manyetik momenti neden ölçülecek?
Pozitronun manyetik momenti, elektronun manyetik momentiyle karşılaştırılacak. Standart Model iki değerin büyüklük bakımından eşit olmasını öngörür; olası fark yeni fiziğe ve evrendeki madde fazlalığına dair ipucu verebilir.