Madde-antimadde asimetrisi

Parçacık fiziğinin bilinen yasaları, madde ile antimaddeye neredeyse simetrik davranır. Enerjiden parçacık üretirken daima çiftler çıkar: bir elektron ile bir pozitron, bir proton ile bir antiproton. Büyük Patlama'nın ilk anlarında da madde ile antimadde neredeyse eşit miktarda üretilmiş olmalıydı. Eşit olsalardı tamamen birbirlerini yok edip arkada yalnızca ışıma bırakırlardı.

Oysa evren maddeden yapılmış. Gökadalar, yıldızlar, gezegenler ve biz maddeyiz; antimadde yalnızca hızlandırıcılarda, kozmik ışınlarda ve bazı radyoaktif bozunmalarda, eser miktarda karşımıza çıkıyor. Bu dengesizliğe madde-antimadde asimetrisi ya da baryon asimetrisi denir ve açıklaması modern fiziğin en büyük açık sorunlarından biridir.

Dengesizlik ne kadar küçük?

Şaşırtıcı olan, asimetrinin büyüklüğü değil küçüklüğü. Erken evrende her milyar parçacıkta yaklaşık bir fazla madde parçacığı vardı. Daha kesin söylemek gerekirse, baryon-foton oranı η = (nB − nB̄)/nγ olarak tanımlanır ve dengesizliğin "her yaklaşık 1.630.000.000 (≈ 2 × 10⁹) parçacıkta bir" mertebesinde olması gerekir.

Yani madde ile antimadde yüzde 99,9999999 oranında birbirini yok etti. Bugün gördüğümüz bütün madde, o yok oluştan artakalan kırıntıdır. Evrendeki fotonların madde parçacıklarından milyarlarca kat çok olmasının sebebi de bu: o fotonlar, yok olan çiftlerin külü.

Bu rakam bir açıklamayı daha da zorlaştırıyor. Bir açıklama hem sıfırdan farklı bir asimetri üretmeli, hem de tam olarak bu kadar küçük bir asimetri üretmeli.

Sakharov koşulları (1967)

Andrei Sakharov, 1967'de bir kuramın madde fazlalığı üretebilmesi için sağlaması gereken üç koşulu sıraladı. Bu üç koşul bugün hâlâ bütün baryogenez modellerinin ölçütüdür:

1. Baryon sayısının korunmaması. Baryon sayısı (kabaca: kuark sayısı eksi antikuark sayısı) mutlak korunan bir nicelikse, başlangıçtaki değer sonsuza kadar sabit kalır. Fazla madde üretmek için bu sayıyı değiştiren süreçler gerekir.
2. C ve CP simetrilerinin ihlali. Eğer süreçler madde ile antimaddeye birebir aynı davranıyorsa, biri lehine bir fazlalık oluşamaz.
3. Isıl dengenin dışında olmak. Isıl dengede, bir yönde giden her süreç ters yönde de aynı hızla gider; üretilen fazlalık hemen geri yok edilir. Fazlalığın kalıcı olması için evrenin genişlemesi gibi, dengeyi bozan bir koşul gerekir.

CP ihlali: var ama yetmiyor

İkinci koşul, deneysel olarak sağlandığı bilinen tek koşuldur ve hikâyesi uzundur.

1956'da Tsung-Dao Lee ve Chen-Ning Yang, parite korunumunun zayıf etkileşimlerde hiç sınanmadığını fark eden eleştirel bir derleme yayımladı. 1957'de Chien-Shiung Wu, kobalt-60 beta bozunmasıyla yaptığı deneyde zayıf etkileşimin parite simetrisini (P) ihlal ettiğini gösterdi: doğa sağ ile sol arasında ayrım yapıyordu.

Aynı yıl Lev Landau, madde ile antimadde arasındaki gerçek simetrinin P değil CP olduğunu öne sürdü: yük eşlenikliği (C) ile pariteyi birlikte uygularsanız yasalar aynı kalacaktı. Bu umut yedi yıl sürdü.

1964'te James Cronin, Val Fitch, James Christenson ve René Turlay, nötr kaon bozunmalarında CP ihlalini buldu — yaklaşık binde 2 düzeyinde bir etki. Cronin ve Fitch 1980 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı.

CP ihlali Standart Model'e CKM matrisi üzerinden girer. Kuark karışımını betimleyen bu matris, Nicola Cabibbo (1963) ile Makoto Kobayashi ve Toshihide Maskawa (1973) tarafından geliştirildi. Kobayashi ve Maskawa'nın kritik gözlemi şuydu: matristeki karmaşık bir faz, ancak en az üç fermiyon kuşağı varsa CP ihlali üretebilir. O tarihte üçüncü kuşak henüz bulunmamıştı; bulunduğunda kuram doğrulandı ve ikili 2008 Nobel'ini aldı.

Sonraki keşifler CP ihlalinin yaygın olduğunu gösterdi:

• 1999: Nötr kaonlarda doğrudan CP ihlali, KTeV (Fermilab) ve NA48 (CERN) deneyleriyle doğrulandı.
• 2001: B mezonu bozunmalarında doğrudan CP ihlali, BaBar (SLAC) ve Belle (KEK) tarafından gözlendi.
• 2013: LHCb, tuhaf B mezonu bozunmalarında CP ihlalini bildirdi. 2010-2013 arasında alt lambda baryonu bozunmalarında CP'ye duyarlı niceliklerde %20'ye varan asimetriler buldu.
• 2019: LHCb, tılsımlı D⁰ mezonlarında CP ihlalini 5,3 standart sapma ile bildirdi.
• 2020: T2K iş birliği, lepton sektöründe — yani nötrinolarda — CP ihlali işaretleri bildirdi.
• 2025: LHCb, baryon bozunmalarında (alt lambda baryonu) CP ihlalini 5,2 standart sapma ile keşfetti.

Buna rağmen cevap "bulundu" değil. Standart Model'in içerdiği CP ihlali, gözlenen baryon asimetrisini açıklamaya yetmiyor. Dolayısıyla Standart Model ötesi fizik gerekiyor. Sayfanın bilimsel durumunun "tartışmalı" olmasının sebebi bu: olgu kesin, açıklaması değil.

Verileri göster

1956	Lee-Yang: parite sorgulanıyor
1957	Wu deneyi: P ihlali
1964	Kaonlarda CP ihlali
1967	Sakharov koşulları
1973	Kobayashi-Maskawa: CKM matrisi
1999	Doğrudan CP ihlali (KTeV, NA48)
2001	B mezonlarında CP ihlali
2019	D⁰ mezonlarında CP ihlali

Önerilen mekanizmalar

Elektrozayıf baryogenez

Evren soğurken elektrozayıf simetrinin kırıldığı geçiş sırasında baryon fazlalığının üretildiği senaryo. Baryon sayısını değiştiren süreçler, sfaleron denen pertürbatif olmayan elektrozayıf yapılandır. Mekanizmanın çalışması için geçişin birinci dereceden bir faz geçişi olması gerekiyor — yani kaynayan suda buhar baloncukları gibi, yeni fazın baloncuklar hâlinde oluşması. Standart Model'in ölçülen Higgs kütlesiyle bu geçişin birinci dereceden olmadığı anlaşıldı; dolayısıyla senaryo yeni fizik gerektiriyor.

Büyük birleşme (GUT) baryogenezi

Asimetrinin, büyük birleşme döneminde ya da hemen sonrasında, çok ağır X bozonlarının ya da Higgs bozonlarının bozunmalarıyla üretildiği senaryo. Bu modellerin çoğu protonun bozunmasını da öngörür; proton bozunması yoğun biçimde arandı ve bulunamadı — bu, en basit GUT modellerini dışlıyor.

Leptogenez

Bugün en çok çalışılan senaryo. M. Fukugita ve T. Yanagida, 1986'da şunu önerdi: Standart Model'e sağ-elli (ağır) nötrinolar eklenirse, büyük birleşmeye gerek kalmadan asimetri üretilebilir. Mekanizma üç parçadan oluşur: ağır sağ-elli nötrinolar, bunların yol açtığı salıncak (see-saw) mekanizmasıyla hafif nötrinoların kütle kazanması, ve ağır nötrinoların bozunmasıyla kendiliğinden bir lepton asimetrisinin oluşması.

Sonra devreye sfaleronlar girer: "leptonları baryonlara ve baryonları leptonlara çevirebilen" bu süreçler, üretilen lepton asimetrisini gözlenen baryon asimetrisine dönüştürür. Mekanizma o kadar yaygın kabul görüyor ki "bütün bu sürece bazen kısaca leptogenez deniyor".

Leptogenezin çekiciliği, bağımsız bir gözlemle bağlantılı olması: nötrinoların kütlesi olduğu biliniyor ve salıncak mekanizması bunu açıklamanın en doğal yolu. Yani kuram, nötrino kütleleri ile madde fazlalığını tek bir açıklamaya bağlıyor.

Antimadde gerçekten yok mu?

Bir alternatif de şuydu: belki evren simetrik ama madde ile antimadde ayrı bölgelere ayrışmış; uzak gökadaların bir kısmı antimaddeden olabilir. Bu fikir gözlemsel olarak sıkıştırıldı. Madde ile antimadde bölgelerinin sınırlarında şiddetli yok oluş gerçekleşir ve karakteristik gama ışıması yayılır; böyle bir ışıma gözlenmiyor.

Kozmik ışınlardaki antimadde oranı da ölçülüyor. 2011'den beri Uluslararası Uzay İstasyonu'nda çalışan Alpha Manyetik Spektrometresi (AMS-02), kozmik ışınlardaki pozitron ve antiproton oranlarını büyük hassasiyetle kaydediyor. Gözlenen antimadde, bilinen çarpışma süreçleriyle açıklanabilecek ikincil üretimle uyumlu; "antimadde gökadalarından" gelen bir akı işareti yok.

Verileri göster

Erken evrende fazlalık	≈ 10⁹ parçacıkta 1
Dengesizlik mertebesi	≈ 1 / 1.630.000.000
Sakharov koşulu sayısı	3
Kaonlarda CP ihlali (1964)	≈ binde 2
LHCb baryon asimetrisi	%20'ye varan
Gerekli kuşak sayısı (CKM)	en az 3

Bugün nerede duruyor?

Olgu tartışmasız: evren maddeden yapılmış ve bunun nicel ölçüsü biliniyor. Açıklama tartışmalı. Sakharov'un üç koşulundan ikisi (CP ihlali ve ısıl denge dışılık) sağlanıyor, ama Standart Model'in sunduğu CP ihlali miktarı yetersiz; baryon sayısı ihlali ise doğrudan gözlenmedi.

Deneysel cepheler şunlar: nötrino sektöründe CP ihlalinin hassas ölçümü (T2K ve gelecek nesil deneyler), nötrinonun kendi antiparçacığı olup olmadığının sınanması (nötrinosuz çift beta bozunması arayışları), nötronun elektrik dipol momentinin ölçülmesi, LHC'de elektrozayıf faz geçişini birinci dereceden yapabilecek yeni parçacıkların aranması ve proton bozunması arayışları. Bu ölçümlerden herhangi birinde sıfırdan farklı bir sonuç, hangi senaryonun doğru olduğuna dair ilk güçlü ipucu olacak.

Kısaca

• Büyük Patlama madde ile antimaddeyi neredeyse eşit üretmiş olmalıydı; evren ise tamamen maddeden yapılmış.
• Gerekli asimetri çok küçük: erken evrende her yaklaşık iki milyar parçacıkta bir fazla madde parçacığı.
• Sakharov (1967) üç koşul koydu: baryon sayısı ihlali, C ve CP ihlali, ısıl denge dışılık.
• CP ihlali 1964'te kaonlarda bulundu (Cronin ve Fitch, Nobel 1980); Standart Model'e CKM matrisiyle girer.
• Ancak Standart Model'in CP ihlali, gözlenen asimetriyi açıklamaya yetmiyor — yeni fizik gerekiyor.
• Önerilen mekanizmalar: elektrozayıf baryogenez (sfaleronlar), GUT baryogenezi, leptogenez (Fukugita-Yanagida, 1986).
• Leptogenez, nötrino kütleleriyle madde fazlalığını tek açıklamaya bağladığı için en çok çalışılan senaryo.
• "Antimadde gökadaları" fikri, beklenen gama ışıması gözlenmediği için dışlanıyor; AMS-02 kozmik ışın antimaddesini ölçüyor.