Bilimin En Büyük Deneyi - CERN |
2. Bölüm

CERN’de LHD’de  yapılan deneylerde Higgs Parçacığı’yla birlikte karanlık maddenin de izlerine rastlanılmaya başlandı. Bugüne kadar var olduğundan emin olduğumuz ama asla göremediğimiz ve kaynağını bilmediğimiz bu madde evrendeki birçok cevabı bilinmeyen sorunun da aydınlatılmasının yanında evrenimizin eşsiz yapısını anlamamıza bir adım daha yaklaşmamızı sağlayabilir.

Karanlık maddenin var olduğunu en kolay bir biçimde görebileceğimiz yerlerinde başında Güneş geliyor. Güneş civarındaki madde yoğunluğu diskin oldukça dışına çıkan etkin ışıma yapabilen yıldızların gruplanmasıyla ölçülmekte. Bu yıldızların ortalama uzaklıkları ve diskten olan dik uzaklık bu yıldızları diskin içinde tutan kuvvetin bir ölçüsüdür. Bu kuvvetin ölçülmesiyle kütle çekimi uygulayan maddenin yoğunluğuna bulabiliriz. Yapılan hesaplamalarda ise bulunan yoğunluğun var olan yıldızların ancak yarısıyla elde edebileceği tespit edilmiştir. İşte bu farkı kapatan madde, Güneş çevresinde var olan karanlık maddedir. Benzer şekilde bir diğer olgu, tüm evrende var olan yer çekimi kuvvetini yaratabilmek için evrenin toplam kütlesinin 9 katına daha ihtiyaç duyduğumuzdur. Bu ihtiyacımızı şu ana kadar görmediğimiz karanlık madde bizim adımıza sağlıyor. Bu madde en kolay çekimsel etkilerle fark edebiliyor, çünkü madde hiçbir şeklide elektromanyetik ışıma yapmıyor.

Evrenimizdeki karanlık maddenin 3 boyutlu olarak modellenmesi Karanlık maddenin evrende ne şekilde dağıldığı hala cevabı bulunmamış sorulardan  

CERN’deki deneylerde karanlık maddeyle birlikte karanlık enerjinin de varlığı sorgulanıyor. Evrendeki enerji yoğunluğunun yüzde %23’ünü karanlık madde, yüzde 73’ünü karanlık enerji sağlamakta. Evrenin sürekli genişlediği gerçeğini göz önünde bulundurduğumuzda evrenin bu genişlemesini sağlayan enerjinin karanlık enerji tarafından sağlandığı düşünülmekte. Bu genişlemenin ne kadar süreceğini ise tam bir muamma. Bilim insanlarına göre bu süreyi karanlık maddeyle karanlık enerjinin birbirine göre oranları belirleyecek.

Birinci durum karanlık maddenin fazla olduğu ikinci durumsa karanlık enerjinin fazla olduğu durum. Son durumdaysa karanlık maddeyle karanlık enerjinin birbirine eşit olduğu evren. Eğer birinci durum gerçekleşirse evrenimizdeki büyük parçalanma devam edecek, ikinci durum gerçekleşirse evren içine doğru çökmeye başlayacak, 3.durum gerçekleşirse evrenimiz şu andaki hızıyla genişlemeye devam edecek. CERN’deki deneylerde bu oran doğru bir şeklide tahmin edilmeye çalışılıyor böylece evreni nasıl bir son beklediği hakkında bir bilgiye sahip olabileceğiz.

Öte yandan evrenimiz oluşumunu anlayabilmemiz için önemli noktalardan biride simetri ve anti madde kavramı. Yine evrenin genişlediği gerçeğinden yola çıkarak söyleyebiliyoruz ki başlangıçta evrende hiç madde yoktu ve bugün 4 temel kuvvet olan kütle çekim kuvveti, elektromanyetik kuvvet, zayıf ve güçlü kuvvet bir aradaydılar. Noktasal teklikten gelen evrenimizde sıcaklık o derece yüksekti ki tüm maddeler bir kuark madde halindeydi. Bu ilk aşamada kütle çekim diğer kuvvetlerden ayrıldı. Daha sonraki soğuma evresinde ise diğer 3 kuvvet birbirinden ayrıldı. Böylece Higgs mekanizmasına benzer şekilde kendiliğinden gerçekleşen süreç simetri kırınımı olarak adlandırıldı. Bu olguya göre evrende başlangıçta eşit miktarda madde ve anti madde vardı. Evrenin soğumasıyla birlikte bu simetri de yavaş yavaş bozulmaya başladı. Elektronlar, protonlar, nötrinolar, anti nötrinolar ve fotonlardan oluşan başlangıç anı maddeleri bu simetri kırınımıyla karşılıklı bir yok ediliş ve yaratılışa başladılar. Bu süreçle birlikte galaksiler, yıldızlar ve dünyamız meydana geldi.  

Konuyu biraz daha iyi anlamak için evrendeki enerji yoğunluğuna bakalım Enerjinin E=(m^2h)²+X*h⁴ olduğunu varsayalım. Burada h Higgs alanı, X değeri belli olmayan bir sayıdır. M^2 ide Higgs bozonlarının kütlesidir. Buradan gördüğümüz gibi Higgs alanı sıfırken evrendeki eneri yoğunluğu sıfırdı, yani evren bir simetri halindeydi dolasıyla hiçbir şey evrende gerçekleşmemekteydi.

m² negatif değerler aldığı durumlardaki diyagram bu durumda ise evrendeki en düşük enerji yoğunluğu Higgs alanında gerçekleşmez Bu olay ise kendiliğinden simetri kırılmasıyla gerçekleşir.  Yine bu teoriye göre Higgs alanıda hiçbir zaman sıfır olamaz çünkü enerji yoğunluğunun en düşük olduğu nokta da değişmiştir; yani evrenimiz boşken bile Higgs alanıyla doludur. Higgs parçacığının tespiti madde anti madde kavramını anlamamızda büyük yardımcı olacağı muhakkak.

CERN‘de bu konuda çalışmalar 1995’e kadar dayanıyor. İlk defa o yıl 9 tane anti-hidrojen atomu üretildi, ancak ömürleri maddeden dolayı sadece 40 nano saniye oldu. Bu tarihten sonra 2002 yılında ATHENA ve ATRAP deneylerinde büyük miktarda anti madde üretilebileceği gösterildi. 2010 yılının sonlarına doğru ise bu konudaki en büyük gelişmelerden biri yaşandı. Daha önceki deneylerde de anti madde üretilmiş fakat bunlar madde ile çevreli olduğundan dolayı üzerinde çalışma olanağı bulunamamıştı. Bu çalışmada ise madde –anti madde sönümlenmesi saniyenin onda biri kadar daha uzatıldı. Bu süre anti maddeler üzerinde çalışmak için yeterli süreyi oluşturdu. Hükmedilen anti proton sayısı da bin kadardı ki oldukça iyi bir sayı olarak değerlendirilebilirdi. Bu çalışmalardan sadece 9 ay kadar sonra 5 Haziran 2011 tarihinde Nature Pyhsics’de yayınlanan makalede CERN’de yapılan deneylerde hükmedilen anti protonların madde tarafından yok edilmeden 16 dakikanın üzerinde tutulabildiğinin açıklanmasıyla anti maddeler üzerinde detaylı olarak çalışabilme imkanın doğduğu tüm dünyaya duyurulmuş oldu.   

Evrenimizin maddeden meydana geldiğini bilsek de evrenin oluşumunda neden anti maddenin değil de maddenin öncelikli tercih edildiği yönünde kuvvetli delillerimiz yok. ALPHA deneylerinde bir sonraki amaç doğru frekanstaki mikrodalgalarla bu anti maddeleri görselleştirmek.

28 Temmuz 2011 tarihinde yapılan CERN’den yapılan açıklamada ise anti maddenin şu ana kadar başarılmamış ölçüde doğru olarak tespit edildiği açıklandı. Doğruluğun milyarda bir oranında sapmayla hesaplandığı belirtilirken bu oranda bir doğruluğun madde anti madde tercihinin neden madde yönünde olduğunu araştıran çalışmalara kaynak olabileceği belirtildi.

CERN’deki deneylerde sadece kuvvetli hızlandırıcılar değil üstün yetenekli yavaşlatıcılar da kullanılıyor. Henüz yeni başlayan ELANA projesinde anti proton yavaşlatıcılar kullanılıyor. 2016 yılında eklenmesi beklenen yeni halkayla düşük enerji seviyesinde daha fazla anti proton üretilmesi hedefleniyor.

CERN’de yapılan deneylerde şu an için geçmişe göre çok ilerde olsak da birçok konuda henüz daha yolun başındayız. Karanlık madde ve anti madde bu konulardan sadece birkaçı. Bu konudaki  deneylerin önümüzdeki 15-20 yıl daha süreceği tahmin ediliyor. Tabi bu konuda  CERN’de yapılan çalışmaların birçoğunun teorik hesaplamalar temel alındığı düşünüldüğünde bize bu bütün bildiklerimizde (daha doğrusu bildiğimizi düşündüğümüz) başa dönmemize neden olabilecek sonuçlarda alınabilir. Bunun en çarpıcı örneğini geçtiğimiz aylarda yaşadık. Işık hızının aşıldığı yönünde CERN’den  gelen haberler büyük heyecan yaratmakla beraber kafalarda yeni sorular oluşturdu. Serinin son yazısında bu konunun arka planını ele almaya çalışacağım. 

Kaynaklar

http://public.web.cern.ch/public/

http://press.web.cern.ch/press/

http://web.itu.edu.tr/~kcankocak/docs/kerem-cankocak-LHC-simetri.pdf

http://j-walkblog.com/index.php?/weblog/comments/29347
 

http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/dark_matter.html