Madde… Anti Madde… Nasıl? Bu iki sözcük kulağa bilim kurgu romanlarından fırlamış gibi geliyor değil mi? Öyle değil işte, çağdaş fiziğin son derece gerçek ve sağlam bir parçası ve dahası var. Tahmin edilen yapısı itibarıyla bize işte o sözünü ettiğimiz romanlarda rastladığımız bazı olasılıklara da kapı açıyor. Örneğin 1 gram anti madde sıradan bir maddeyle temas ederse nükleer bomba kadar etkili bir patlamaya neden olur.  

Öte yandan anti madde çok verimli bir enerji kaynağı olabileceği düşünüldüğünden dolayı gelecekteki uzay aracı itki sistemleri için ideal bir aday olarak görülüyor. Bununla birlikte, anti maddenin doğasında çok da şaşırtıcı bir şey yok. Anti madde, atom altı parçacıklar hakkındaki fikirlerimizin doğal bir sonucu. Paul Dirac, elektron gibi parçacıkların ışık hızına yaklaştığında nasıl davrandığını anlamak için geliştirdiği denklem son derece basit ama içerik bakımından da bir o kadar geniş bir denklem ortaya atıyor. Denkleme burada girmeyeceğim ama iki yanıtlı bir soru ile karşılaşan Dirac’ın bu denklemi duyurması tam üç senesini aldı. Formül ilk cevabı negatif yüklü bir elektron olarak verirken ikinci yanıtı ise olmayan bir şeyi ortaya atıyordu. Kimsenin olamaz dediği türden bir yanıttı. Kimsenin bilmediği bir anti elektrondan söz ediyordu Dirac. Elektronun neredeyse aynısı, aynı kütleye aynı spine (kendi ekseni etrafındaki dönüşe) sahipti ama elektrik yükü farklıydı. Pozitif yüklü bir elektron, bu nedenle kendisine pozitron adı verildi. Ancak Dirac’ın iddiaları bununla sınırlı kalmadı ve elektron için geçerli olan bu durum atom altı tüm parçacıklar için geçerliydi. Kuark varsa anti kuark da vardı. Kuarkların protonları oluşturması anti protonları doğurdu. Bu silsile önce atoma sonra maddeye kadar uzanıyordu aslında. İşte bu nedenle anti madde var olmalıydı.

Dirac’ın keşfinden 4 yıl sonra 1932’de Carl David Anderson bir fotoğraf çekti ve orada negatif yüklü elektronları namı diğer pozitronları görüntülemeyi başardı. Cambridge, Cavendish Laboratuvarında Patrick Blackett önderliğindeki grubun üyesi olan İtalyan fizikçi Guiseppe Occhialini pozitronun varlığını yaptıkları çalışmalarla onayladılar ve böylece şüpheye yer kalmadı.

Biraz da atomların yapısını inceleyelim. Atomların kütlesinin çoğu, protonlar ve nötronlardan oluşan çekirdekte bulunur. Çekirdeğin etrafında dönen elektron adlı parçacıkların kütlesi çok daha azdır. Elektronlar elektronikteki rolleri nedeniyle bizim için önemlidir: Her elektron negatif bir elektrik yükü taşır. (Bu yük, bir protondaki pozitif yükle dengelenir.) Başka parçacık türleri de var ama genellikle sadece yüksek enerji fiziği deneylerinde görülüyorlar. Normal maddeleri oluşturan tüm parçacıklar iki kategoriye ayrılıyor: "baryonlar" (örn. proton ve nötronlar) ve "leptonlar" (örn. elektronlar).

Kafanız karışmaya başlamış olabilir ama emin olun, doğanın "korunum yasaları" denilen temel ilkeleri olmasaydı işler çok daha karışacaktı. Bu yasaların sağladığı düzen olmasaydı tam bir kaos yaşanırdı. Parçacıklar birbiriyle etkileşime girdiğinde (örn. CERN'deki yüksek enerjili hızlandırıcılarda) belirli nicelikler her zaman korunur. Enerji ve elektrik yükü bu niceliklerdendir. Bunların yanı sıra "baryon sayısı" ve "lepton sayısı" da korunur. İşte bu noktada anti madde kavramı karşımıza çıkıyor.

Bir protonun baryon sayısı +1 ve yükü +1'dir. Teoriye göre bu parçacığın bir de "anti parçacığı" var. Anti proton denilen bu anti parçacığın enerjisi aynı ama baryon sayısı -1 ve yükü -1. Aynı mantığa göre elektronun da anti parçacığı var: Pozitron denilen bu anti parçacığın elektrik yüzü pozitif, lepton sayısı ise -1.

Peki, bir anti proton bir protonla karşılaşırsa ne oluyor? Muhtemelen cevabı zaten biliyorsunuz çünkü anti madde hakkında en iyi bilinen gerçek bu. Pozitif ve negatif baryon sayıları birbirini yok ediyor. Aynı şekilde pozitif ve negatif elektrik yükleri ve diğer korunan nicelikler de birbirini yok ediyor, geriye sadece bu iki parçacığın enerjisi kalıyor. Enerji de korunan niceliklerden biri ama her iki parçacık için de zıt değil, aynı değerde. Bunlar da "gama ışını" denilen bir enerji patlamasıyla yok oluyor. Gama ışını, ışığa benzeyen elektromanyetik bir dalga ama ışıktan çok daha fazla enerji taşıyor. Taşıdığı enerji ise az önce protonla anti protonun içinde bulunan enerji. "Anhilasyon" (yok olma) denilen bu süreç, bildiğimiz kadarıyla kütleyi %100 verimlilikle enerjiye dönüştürebilen tek süreç.

Bunun tersi bir süreç de mümkün. Yeterli enerji verilirse bir parçacık-anti parçacık çifti - oluşabilir. Proton ve antiproton gibi büyük kütleli parçacıklar söz konusu olduğunda böyle bir çift oluşumu sadece yüksek enerjili hızlandırıcıların içinde veya egzotik astrofizik süreçlerinde gerçekleşebiliyor. Ancak elektron-pozitron çiftlerinin oluşması daha yaygın: Dünya'daki bazı doğal radyoaktif bozunma türlerinde bu gerçekleşiyor. "Yaygın" derken abartmıyoruz çünkü birazdan açıklayacağımız üzere, bildiğimiz muz bile pozitron üretiyor. Ancak bu şekilde üretilen anti madde çok çok kısa bir süre var olabiliyor. Neredeyse oluştuğu anda karşıtı olan normal maddeyle karşılaşıp küçük bir gama ışınımıyla yok oluyor.

Günlük Hayatta Anti Madde

Normal madde atomları bile bazen anti parçacık üretiyor. Bunun sorumlusu ise radyoizotoplar (çok az veya çok fazla nötronu olduğu için kararsız atomlar). Yüksek enerjili parçacıklar yayarak daha kararlı şekillere bozunan bu izotoplardan küçük miktarlarda içeren bazı yaygın maddeler var. Bunlar genellikle normal maddeler (örn. beta bozunması durumunda elektronlar) ama bazı radyoizotoplar "beta artı" bozunması da geçiriyor ve elektron yerine pozitron üretiyor.

Pozitronlar saniyeden çok daha kısa bir süre var olduktan sonra elektronlarla karşılaşıp yok olarak gama ışınları oluşturuyor. Ancak tek bir parçacığın enerjisi günlük yaşam standartlarımıza göre çok küçük olduğu için bu olayların önemli bir etkisi olmuyor. Bu iyi bir şey çünkü vücudumuzda da pozitron yayan izotoplar var. En yaygın olanı, doğada bulunan her 10.000 potasyum atomundan birini oluşturan potasyum-40. Bu izotop genellikle düzenli beta parçacıklarına bozunuyor ama yaklaşık %0,001 ihtimalle pozitron oluşuyor.

Levent Aslan

11 Aralık 2024