Antimadde nedir? - özeldersci

son haberler

Post Top Ad

28 Şubat 2017 Salı

Antimadde nedir?


Maddenin de bir karşılığı olduğunu, madde ile anti maddenin birbirini yok ettiğini biliyor musunuz?

Son zamanların popüler bilimsel terimi "anti madde"

MATEMATİK ARTIK ÇOK KOLAY

Antimadde Hakkında Bilmeniz Gereken 10 Önemli Bilgi



Antimadde hakkında birçok hikaye anlatılıyor, peki gerçekte nedir?

Dan Brown’ın Melekler ve Şeytanlar kitabını okuyan ya da kitaptan uyarlanarak çekilmiş olan filmi izleyenler Prof. Langdon’ın Roma'nın ortasında bulunan Vatikan şehrini, antimadde bombasından nasıl kurtarmaya çalıştığını hatırlayacaktır. 

Antimadde terimi ortaya atıldığı günden beri birçok bilimkurgu literatüründe kullanıldı ve kullanılıyor. Uzay Yolu filmini izleyenler, evrenin bilinmeyen köşelerini keşfe çıkmış olan Enterprise gemisinin madde ve antimaddenin birbirini yok ederek oluşan itme ile ışık hızından daha hızlı seyahat edebildiğini hatırlayacaktır. 

Fizik teorilerini ve açıklamalarını öğrenene kadar bu çok güzel bir hayaldi, kütleli hiçbir cisim ya da parçacık, ışık hızında ya da daha hızlı gidemez ve yakıt olarak antimadde kullanan bir gemi henüz yok. Aslına bakarsanız elimizde yeterli antimadde bile yok.


Peki bilimkurgu literatüründe çok kullanılan bu terim aslında nedir, gerçek midir, antimaddenin kullanıldığı yerler var mıdır?

En basit sorudan başlayalım. 

Bilim insanları CERN ve Fermilab gibi laboratuvarlarda ve çarpıştırma deneylerinin yapıldığı yerlerde bu parçacıklar çok sayıda ve kontrollü olarak üretebilmektedirler. Antimadde gerçekten vardır, bilim insanları çok uzun yıllar önce birçok antiparçacık keşfetmiştir.

En basit anlatımı ile evreni ve maddeyi oluşturan ve henüz daha küçük bir altyapı taşından oluştuğu keşfedilememiş olan parçacıklar bulunmaktadır. Bu parçacıkların bir kısmı yüksüzdür, bazıları ise +/- ile adlandırılan bir yüke sahiptir. 

Antimadde terimi, en basit ifadeye göre; kendisiyle spin, kütle ve ölçülebilen tüm özellikleri bakımından tamamen özdeş ve aynı değerlere sahip, fakat elektriksel yükü ters olan parçacıklara verilen isimdir.

Peki biraz daha geriye gidip ilk olarak bu terimin nasıl ortaya çıktığı hakkındaki bu sorunun cevabını verelim. 

1928 yılında İngiliz fizikçi Paul A.M. Dirac, rölativistik (göreli) hızlarda hareket eden bir elektronu ifade edebilmek için kuantum fiziği ile rölativite teorisini birleştiren bir denklem yazdı. Daha sonra kendisine Nobel ödülü kazandıran bu denklem, her ne kadar çok güzel olsa da bir problem ortaya çıkartıyordu.

Basit olarak bu problem şöyle açıklanabilir; 

x2=4x2=4 denklemi çözümlendiğinde xx değişkeni iki adet farklı değere sahip olabilir; 

x=2x=2 ve x=−2x=−2. 

Bu denklemdeki xx değişkeninin iki farklı değer alabilmesi gibi, Dirac denkleminin çözümlerinden bir tanesi pozitif enerjili bir elektronu diğeri ise negatif enerjili bir elektronu ifade etmektedir. Fakat klasik fizik kurallarına göre bir parçacığın enerjisi her zaman pozitif olmalıydı, negatif enerjinin bir tanımı yoktu. Dirac bu denklem üzerinde yeterince çalıştıktan sonra, elektron için tüm özellikleri aynı sadece zıt yüklü bir antielektronun daha olması gerektiğini iddia etti.

Elektron için aynı kütle ve kuantum özelliklerine sahip fakat sadece yükü zıt olan antielektron (pozitron) adında bir parçacık olmalıdır. Daha sonra elektrona benzer şekilde birçok parçacık için de aynı durumun geçerli olabileceği ortaya çıktı. 

Gerçekten de sonraki yıllarda yapılan deneyler ile birçok antiparçacık keşfedilmiştir. İlginç bir durum olarak, herhangi bir parçacık kendi antiparçacığı ile karşılaştığında anında birbirlerini yok ederek bir enerjiye dönüşmektedirler. 

Her ne kadar antimadde bombası ve antimadde kullanılarak itme meydana getiren ya da çalışan uzay gemileri birer bilimsel düş olsa da, antimadde hakkında okuyucuların ilgisini çekecek çok ilginç bilimsel gerçekler bulunmaktadır.

1) Evrenin başlangıcı olduğu söylenen Büyük Patlama sonrasında madde ve antimadde birbirini tamamen yok etmiş olmalıydı.

Evren, Büyük Patlama öncesinde ne olduğunu bilmediğimiz bir boşluk ya da hiçlik, uzay-zaman kavramlarının tanımlı olmadığı bir ortam diye tarif edilebilir, yine bilmediğimiz bir sebepten dolayı da bir anda Büyük Patlama adı verilen çok büyük bir enerji patlaması ile evren genişlemeye başladı. 

Enerjiden muazzam sayıda madde ve antimadde parçacıklar oluştu. Teorik olarak bakıldığında, madde ile antimadde yan yana geldiğinde birbirlerini yok ederek enerjiye dönüşürler. Buna göre madde ile antimadde, Büyük Patlama sonrasında birbirlerini yok ettiklerinden geriye hiç bir şey kalmamış olması gerekirdi. 

Dolayısıyla, aslında atomlar, Dünya, Güneş, gökadalar ve biz insanoğlu hiç bir zaman var olmamamız gerekirdi. Dünya gezegenine uzaydan bakıldığında o siyasi ve politik sınırların hiç biri gözükmez, dünya masmavi ve huzur içinde güneş etrafındaki yolculuğuna devam eder.



Peki evrende aslında hiç bir şey var olmaması gerekirken nasıl oldu da atom çekirdeği oluşabildi? Protonlar nasıl daha fazla çoklukta bir araya gelerek periyodik cetveldeki tüm atomları meydana getirebildi? Atomlar nasıl bir araya kümelenerek, yıldızları, gezegenleri, toz bulutlarını ve gece uzaya baktığımızda gözlemlediğimiz her şeyi meydana getirdi?

Bilim insanlarının yaptığı hesaplara göre, Büyük Patlama sonrasında, her bir milyar tane madde ile antimadde çifti bir araya gelerek birbirlerini yok etmiş ve geriye (bir şekilde) sadece bir tane madde parçacığı kalmıştır. 

Etrafımızı dolduran tüm madde, evrende görülen tüm gökadalar, gezegenler ve yıldızlar işte geriye kalan bu tek maddesel parçacıkların birikmesi ile oluşmuştur.

Bilim insanları farklı teleskoplar ile uzayı inceleyerek, sürekli gözlem yapmaktadırlar ve evrenin belli bir bölgesinde bir şekilde antimaddenin daha fazla ve daha yoğun olduğu bir yer henüz keşfedilememiştir. 

Bu antimadde hakkındaki gizemlerden bir tanesidir. Fizikçiler ortaya çıkan bu asimetriyi açıklamak için geçmişten günümüze dek hala devam eden birçok deney yapmaktadır. Henüz bu sorunun tam cevabı ortaya çıkartılabilmiş değil.


2) Antimadde parçacıklar her yanımızı sarmış, uzaydan muza kadar...

Dünyamız sürekli olarak Güneş'ten ya da farklı kaynaklardan gelen çok yüksek enerjili parçacıkların bombardımanı altındadır. Hatta bu parçacıklar muazzam yüksek enerjilere sahiptir. 

Dünya'nın demir çekirdeğinden dolayı etrafını saran manyetik alan çizgileri, bu parçacıkların ciddi bir kısmını yollarından saptırarak yeryüzüne ulaşmasını engellemektedir. 

Dünya'mızın sahip olduğu atmosferin de eklenmesi ile biz insanlar ve diğer canlılar için yüksek enerjili bu radyoaktif parçacıklardan doğal bir korunak sağlamaktadır. Fakat yine de bu parçacıkların çok çok az bir kısmı Dünya yüzeyine ulaşabilmektedir. 

Dünya atmosferine gelen bu parçacıkların bir kısmı da uzaydan gelen antimadde parçacıklardır ve bir metrekareye 1 ile 100 parçacık arasında bir ortalama ile yağmaktadırlar. Bilim insanları yeryüzüne düşen yıldırımlarda da yine antimadde oluştuğunu gözlemlemişlerdir.

Tüm bunların yanında antimadde oluşumu yapan çok ilginç ve düşündüğünüzden çok daha yakın bir kaynak var, muz meyvesi. 

Evet, muz meyvesi elektronun antiparçacığı olan pozitronu (+ yüklü elektron) her 75 dakikada bir tane ortalama ile yayımlamaktadır. Bunun sebebi muz meyvesinin çok küçük miktarda da olsa doğal Potasyum-40 izotopunu içermesidir. 

Potasyum-40 yaptığı bozunum sayesinde arada bir tane pozitron yayımlamaktadır. Bunların yanında, vücudumuz içerdiği Potasyum-40 izotopu sayesinde muza benzer şekilde pozitron yayımlamaktadır. Fakat bu pozitron yayımlanır yayımlanmaz madde ile etkileşmesi sebebi ile ömrü çok kısadır.


3) Laboratuvarda antimadde üretebilir miyiz acaba?

Antimadde ile maddenin buluşması ortaya ciddi anlamda enerji açığa çıkarabilmektedir. Örneğin, bir gram antimadde nükleer bir bombanın patlamasına eşdeğer bir patlama meydana getirebilir. 

Fakat bilim insanlarının bu kadar az miktarda bile antimadde üretmesi inanılmaz zordur. Şimdiye kadar en fazla antimadde üretimi, ABD’de Chicago şehrinin yakınlarında bulunan Tevatron hızlandırıcısında yapılan proton-antiproton çarpıştırma deneyi için üretilmiştir. 

Çarpıştırıcının çalıştığı süre boyunca toplamda 15 nanogram antimadde üretilebilmiştir.

Benzer şekilde CERN’de bulunan LHC hızlandırıcısında şimdiye kadar toplam 1 nanogram antimadde ancak üretilmiştir. 

Almanya’daki benzer başka bir hızlandırıcıda yaklaşık 2 nanogram kadar pozitron üretilebilmiştir günümüze kadar. İnsanoğlu tarafından günümüze dek üretilen tüm antimaddeyi, madde ile buluşup enerjiye dönüştürebilsek her halde bir bardak suyu kaynatmaya yetmeyecektir. 

Antimadde üretebilmek bir sorun iken, üretilenlerin madde ile buluşmasını engelleyecek şekilde saklayabilmek başka bir sorundur. 

Antimadde üretip saklamak oldukça külfetli bir işlemdir. Yapılan hesaplamalara göre, 1 gram kadarlık bir antimadde üretebilmek 25 milyon kere milyar kilowatt-saat enerji ve finansal maliyet olarak 100 milyon kere milyar ₺ tutacaktır.


4) Antimadde ürettik fakat nasıl saklayacağız? 

Antimadde Kapanı

Antimadde üretebilmenin yolunu bulduk diyelim. Peki biz antimaddeyi incelemek istediğimizde nasıl saklayacağız? 

Antimaddeyi inceleyebilmek için bir kısmını saklayabilmenin de yolunu bulmalıyız. Çünkü biliyoruz ki antimadde madde ile birleştiğinde hızlı şekilde enerjiye dönüşmektedir. 

Bilim insanları; proton, elektron ve antiproton gibi yüklü parçacıkları Penning kapanı adı verilen cihazların içinde tutabilmektedirler.

Parçacıkların manyetik ve elektrik alanlarının sayesinde kapanın duvarlarına çarpması engellenmektedir. 

Fakat Penning kapanı, yüksüz olan nötr parçacıklar üzerinde çalışmamaktadır, bu sebeple elektrik alanlarının içinde tutulamamaktadırlar. 

Bunun yerine Loffe kapanı adı verilen sistem ile tüm yönlerde artan bir manyetik alan meydana getirecek şekilde parçacıklar manyetik alanın en zayıf olduğu yerde tutulabilmektedir. 

Çok ilginç bir keşif, Dünya'ya yağan antiprotonların bir kısmının, Dünya'nın manyetik alanı tarafından antimadde kapanı şeklinde yakalanabildiği Dünya etrafındaki Van Allen radyasyon kuşaklarında keşfedilmiştir.


5) Antimadde ne tarafa doğru düşer; yukarı mı, aşağı mı?

anitmatter_fallMadde ve antimadde parçacıklarının yükleri dışındaki tüm özellikleri aynıdır. Parçacık fiziğinde temel parçacıkları ifade eden Standart Model'e göre yer çekimi, madde ve antimadde parçacıklarında aynı etkiye sahip olmalıdır. 

Fakat bu etki henüz deneysel olarak gözlemlenememiştir. AEGIS, ALPHA ve GBAR gibi deneyler bu doğa olayını gözlemlemek için sıkı şekilde çalışmaktadırlar. 

Böyle bir etkiyi gözlemlemek gerçekten de zor olması sebebi ile bu deneylerde antimadde bir yerde kapana konulmuştur ya da yavaşlatılmış şekilde mutlak sıfır derecenin hemen üzerinde tutulmaktadır. Yer çekimi temel kuvvetler arasında en zayıf olan kuvvet olması sebebi ile bilim insanlarının nötr antimadde parçacıkları kullanmaları gerekmektedir. 

Böylece yer çekiminden daha güçlü elektriksel kuvvetlerin etkisi ortadan kaldırılmaktadır. Deneylerin sonuçları halen bekleniyor.


6) Yavaşlatıcı antiproton makinesi

Parçacık hızlandırıcıları ve çarpıştırıcılarını duymuş olabilirsiniz. Aynı zamanda parçacık yavaşlatma işi yapan deneysel düzeneklerin olduğunu da biliyor muydunuz? 

CERN laboratuvarı Antiproton Yavaşlatıcısı adı verilen bir makineye ev sahipliği yapmaktadır. 

Bu makine yavaş hareket eden antiprotonları yakalayıp davranışlarını ve özelliklerini inceleyebilmek için kullanılan bir depolama halkasıdır. 

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gibi dairesel parçacık hızlandırıcısında parçacıklar halka üzerindeki her döngüde biraz daha enerji almaktadırlar. Yavaşlatıcı sistemler ise tam tersi şekilde çalışmaktadırlar; parçacıkların enerjisini artırmak yerine parçacıkları yavaşlatmaktadırlar.


7) Hayalet parçacıklar (nötrinolar) kendilerinin antiparçacığı olabilir mi?

Antimaddeyi, madde parçacıklarının zıt yüklü olanları olarak tanımlamıştık, böylece parçacık ve antiparçacıkları kolayca ayırabiliyoruz. 

Peki ya nötrino adındaki hayalet parçacıklar?

Dirac’ın elektron için yazmış olduğu teoride bir açık sebebi bazı parçacıklar kendi antiparçacıkları da olabilmektedirler. Bu özellikteki parçacıklara Majarona parçacıkları adı verilmektedir. 

Nötrinolar kütleli fakat çok küçük bir kütle değerine sahiplerdir ve bu sebeple maddelerin içinden geçebilmektedirler. 

Nötrinolar, elektriksel herhangi bir yüke sahip değildirler. Fakat fizikçiler, teoriye göre yarım spinli olan nötrino parçacıklarının Majarona parçacığı olabileceğini ve bu hipotezin deneysel veriler ile kesin olarak yanlışlanana kadar olası bir durum olduğunu düşünüyorlar. 

Majarona parçacıkları, anti-parçacığı kendisi olan parçacıklar şeklinde özel olarak sınıflandırılmışlardır.

Majarona Deneyi ve EXO-200 deneylerinin amaçlarından biri de nötrinoların Majarona parçacığı olup olmadığının belirlenmesidir. 

Bunun için nötrino olmadan meydana gelen çift beta bozunumları gözlemlenmeye çalışılmaktadır. Radyoaktivite, atom çekirdeğinin kendi kendine bozunmasıdır. 

Bazı radyoaktif bozunumlarda iki adet elektron ve iki adet nötrino yayımlamaktadırlar. Eğer nötrinolar kendilerinin antiparçacıkları ise bozunum sonunda birbirlerini yok edeceklerdir. 

Bu durumda bilim insanları, çift beta bozunumu sonucunda sadece elektronları gözlemleyeceklerdir.

Nötrinoların, Majarona parçacığı olması bize madde-antimadde asimetrisinin neden var olduğunu açıklamakta yardımcı olabilir. 

Fizikçilerin ortaya attıkları bazı hipotez ve teorilere göre; Majarona nötrinoları, ağır ya da hafif kütleli de olabilirler. 

Bu durumda, hafif olanlar günümüzde gözlemlediklerimiz olabilir; ağır olanlar ise sadece Büyük Patlama sonrasında var olmuş olabilirler. 

Ağır Majarona nötrinoları, asimetrik olarak bozunacaklarından evrenin var olmasına sebep olan ve gözlemlediğimiz çok küçük madde asimetrisini açıklayabilir.


8) Antimadde günümüzde tıpta kullanılmaktadır.

Bilim insanları antimaddeyi daha fazla üretebilmeye ve tüm özelliklerini keşfetmeye çalışa dursunlar, tıp alanında özellikle vücudun ve iç organlarımızın yüksek çözünürlüklü resimlerini alabilmek için antimadde çoktandır kullanılmaktadır. Pozitron emisyon tomografisi (PET) adı verilen yöntem ile belli hastalıkların tanısı yapılabilmektedir.

Muzdaki gibi pozitron yayımlayan radyoaktif izotoplar vücudun enerji için doğal olarak kullandığı glikoz gibi kimyasal içeriklere yapışmaktadırlar. 

Bu izotoplar damardan enjekte edilerek vücutta dolaşımı sağlanmaktadır, daha sonra bu radyoaktif izotoplar pozitron yayımlayarak elektron ile yok olmaktadır. 

Doğal şekilde yok olan bu pozitronların yayımlanması sonucu ortaya çıkan gama ışıması yakalanarak, vücudun istenen bölgesine ait 3 boyutlu resim çıkarılmaktadır. 

Böylelikle glikozun fazla olduğu yer kolayca belirlenebilmektedir. Vücut içinde metabolizma süreçleri sonucu fazla kullanılan glikoz bölgesi, metastaz yapan kanser hücrelerinin yerini belirtebilmektedir.

Bilim insanları CERN’deki ACE projesi kapsamında antimaddenin kanser tedavisi için potansiyelinin ne olduğunu da incelemişlerdir. Buna ek olarak, hekimler parçacık demetlerini kanserli hücreler sağlıklı dokuya zarar vermeden parçacık demetlerini gönderebilmenin yolunu da keşfettiler. 

Antiprotonların kullanılması vücut içinde daha fazla enerji patlaması meydana getirebiliyor. Bu teknik deney hayvanlarının üzerinde etkili olduğu belirlenmiştir, yaygın etkisinin görülebilmesi için insan hücreleri üzerinde deneyler yapılması gerekmektedir.


9) Evrende var olmamızı engelleyen antimadde, evrende hala bir yerlerde saklanıyor olabilir mi?

Bilim insanları madde antimadde asimetrisini çözmek için Büyük Patlama sonrasında evrende geriye kalan antimaddeyi gözlemleyebilmek için birçok seçeneği denemektedirler. 

Bunun için Uluslararası Uzay İstasyonu'nda kurulmuş olan Alpha Manyetik Spektrometresi (AMS) adlı cihaz ile bu parçacıklar aranmaktadır. 

AMS uzaydan dünyamıza doğru gelen parçacıkları manyetik alanlar kullanarak eğmekte, her bir eğriye ait izleri inceleyerek parçacık ve antiparçacığı birbirinden kolayca ayırabilmektedir. 

Üzerinde bulunan dedektörler, içinden geçen her bir parçacığın izini değerlendirerek parçacıkların kimliklerini de tanımlamaya çalışmaktadırlar.

Kozmik ışınların madde ile etkileşmesi sonucunda sürekli olarak pozitron ve antiproton üretilmektedir, fakat antihelyum atomu üretebilmek yüksek enerjiye ihtiyaç duyması sebebi ile oldukça düşük bir olasılıktır. 

Bu sebeple AMS dedektörü tarafından tek bir antihelyum çekirdeği gözlemlemek bile evrenin bir yerlerinde büyük miktarda antimaddenin var olduğuna dair güçlü bir kanıttır.

Acaba evrenin başka yerlerinde antimaddeden oluşan gökadalar, yıldızlar ve gezegenler olabilir mi? Bilim insanları bu sorunun cevabını bulmak için çalışmaktadırlar.


10) Antimadde kullanılarak uzayda, yıldızlar arasında yolculuk mümkün olabilir mi?

Az miktarda antimadde büyük miktarda bir güç ortaya çıkarabilmektedir. Fakat bilimkurgu filmlerinden çıkmış bu fikir uyarınca çalışan araçlarda kullanılacak popüler bir yakıt haline gelmesi için henüz çok erken. 

Antimadde kullanılarak uzay gemilerinde ve roketlerde itme kuramsal olarak mümkün olsa da, bu hayalin önündeki en önemli zorluk yeterli miktarda antimadde biriktirememektir.

Günümüzde bu şekildeki bir kullanıma yetecek kadar yüksek miktarda antimadde üretebilmek için bir teknoloji henüz geliştirilememiştir. Yine de bilim insanları durur mu? 

Antimaddenin kullanımı için itme gücüne ait ve antimaddenin saklanması üzerine simülasyon çalışmalarını çoktan yapmışlardır. 

Bilim insanları yüksek miktarlarda antimadde üretebilme ve saklayabilme ile ilgili problemleri halledebilirlerse, bu çalışmalar yıldızlararası yolculukta antimadde kullanarak hareket eden uzay gemilerini gerçekliğe taşıyabilir.

Nasuf Sönmez

Post Top Ad