Antimadde

Antimadde, sıradan maddeyi oluşturan parçacıkların karşıt parçacıklarından oluşan maddedir. Bir parçacık ile karşıt parçacığı aynı kütleye ama zıt elektrik yüküne sahiptir: elektronun eşi artı yüklü pozitron, protonun eşi eksi yüklü antiprotondur. Bir pozitron ile bir antiproton birleşince antihidrojen atomu oluşur.

Nasıl işler?

Bir parçacık karşıt parçacığıyla karşılaştığında ikisi birden yok olur, bu olaya yok olma (annihilasyon) denir. Kütleleri kütle-enerji eşdeğerliğine, yani E = mc² bağıntısına uygun olarak enerjiye dönüşür; bu enerji çoğunlukla yüksek enerjili gama fotonları, nötrinolar ve bazen daha hafif parçacık çiftleri olarak açığa çıkar. Bir elektronla bir pozitron yok olduğunda çıkan gama ışınlarının her biri 511 kiloelektronvolt enerji taşır. Çevrede madde varsa bu ışınım soğurulur ve ısıya ya da ışığa dönüşür; açığa çıkan enerji, karşılaşan madde ile antimaddenin toplam kütlesiyle orantılıdır. Kâğıt üzerinde bu son derece yoğun bir enerji kaynağı demektir, ama üretim o kadar pahalı ve zordur ki gözle görülür miktarda antimadde bugüne dek hiç bir araya getirilemedi.

Kuramsal temel 1928'de Paul Dirac'ın elektron denkleminden geldi. Denklem artı yüklü bir elektronun varlığına izin veriyordu. Carl Anderson 1932'de kozmik ışınlarda bu parçacığı buldu ve "pozitron" adını verdi. Antiproton 1955'te Emilio Segrè ve Owen Chamberlain tarafından keşfedildi; ikili 1959 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı. Antinötron bir yıl sonra bulundu.

Örnekler

CERN 1995'te ilk dokuz antihidrojen atomunu üretti, ama bunlar incelenemeyecek kadar hızlıydı. ALPHA deneyi Kasım 2010'da 38 antihidrojen atomunu manyetik bir tuzakta saniyenin altıda biri kadar tuttu; 2011'de 309 atomu 1.000 saniyeye kadar tutmayı başardı. 2023'te yayımlanan sonuçlar, antimaddenin kütleçekime sıradan madde gibi tepki verdiğini gösterdi. Bugüne kadar yapay yollarla üretilen toplam antimadde yalnızca birkaç nanogramdır.

Doğada da antimadde oluşur. Kozmik ışın çarpışmaları ve potasyum-40 gibi bazı radyoaktif çekirdeklerin bozunması pozitron üretir. 2011'de fırtına bulutlarının üzerinde pozitronlar saptandı. PAMELA aleti Dünya'yı saran Van Allen kuşaklarında antiprotonlar buldu. Uluslararası Uzay İstasyonu'ndaki Alfa Manyetik Spektrometresi (AMS-02, kapak görselinde) kozmik ışınlardaki pozitronları ölçüyor; bunların gökyüzünün belirli bir yönünden gelmediği görüldü.

Dirac'ın denklemi ilk başta yanlış yorumlandı; Dirac artı yüklü parçacığın proton olabileceğini düşünmüştü. Robert Oppenheimer 1930'da bu parçacığın kütlesinin elektronunkine eşit olması gerektiğini savundu, Dirac da 1931'de ondan "karşı elektron" diye söz etti. Pozitronun keşfinden sonra bir sonraki karşıt parçacığın bulunması 22 yıl sürdü. Bugün laboratuvarda üretilebilen en karmaşık karşıt çekirdekler antihelyum çekirdekleridir. Düşük enerjili, incelenebilir "soğuk" antihidrojeni ilk kez 2002'de CERN'deki ATHENA deneyi üretti; ALPHA ekibi de bu deneyin eski üyelerini içerir. Deneylerin ana amacı hidrojen ile antihidrojenin tayflarını karşılaştırıp doğanın temel simetrilerini sınamaktır.

Neden önemli?

Antimadde tıpta günlük hayata girmiştir: pozitron emisyon tomografisi (PET) bu parçacıklarla görüntü alır. Kozmoloji açısından ise büyük bir bilmeceye işaret eder. Kuram, Büyük Patlama'da madde ve antimaddenin eşit miktarda oluşması gerektiğini söyler, ama gözlemlenebilir evren neredeyse tümüyle maddeden yapılmıştır. Bu dengesizliğin nedeni madde-antimadde asimetrisi sayfasında ele alınıyor.

İlgili terimler

• Pozitron
• Foton
• Kozmik ışın
• Kütle-enerji eşdeğerliği
• Standart Model