İlk duyduğunuzda “antimadde” kelimesini bilim kurgu yazarlarının uydurduğu bir şey sanabilirsiniz ama antimadde çağdaş fiziğin son derece gerçek ve sağlam bir parçası. Üstelik bilim kurgu eserlerinden fırlamış gibi görünen bazı olasılıklara da kapı açıyor. Örneğin, bir gram antimadde sıradan bir maddeyle temas ederse nükleer bomba kadar büyük bir patlamaya neden olur. Ancak antimadde çok verimli bir enerji kaynağı olduğundan gelecekteki uzay aracı itki sistemleri için ideal bir aday. Bununla birlikte, antimaddenin doğasında çok da şaşırtıcı bir şey yok. Antimadde, atom altı parçacıklar hakkındaki fikirlerimizin doğal bir sonucu.
Bir atomun 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 görülür. Normal maddeleri oluşturan tüm parçacıklar iki kategoriye ayrılır: ”baryonlar” (örneğin proton ve nötronlar) ve “leptonar” (örneğin elektronlar).
Kafanız karışmaya başlamış olabilir ama emin olun doğanın “korunum yasaları” denilen temel ilkeleri olmasaydı işler çok daha fazla karışacaktı. Bu yasaların sağladığı düzen olmasaydı tam bir kaos yaşanırdı. Parçacıklar birbiriyle etkileşime girdiğinde (örneğin 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 antimadde kavramı karşımıza çıkıyor.
Bir protonun baryon sayısı +1 ve yükü +1’dir. Teoriye göre bu parçacığın bir de “antiparçacığı”var. Antiproton denilen bu antiparçacığın enerjisi aynı ama baryon sayısı -1 ve yükü -1. Aynı mantığa göre elektronun da antiparçacığı elektrik yükü pozitif, lepton sayısı ise -1.
Peki, bir antiproton bir protonla karşılaşırsa ne olur? Muhtemelen cevabı zaten biliyorsunuz çünkü antimadde hakkında en iyi bilinen gerçek bu. Pozitif ve negatif baryon sayıları birbirini yok eder. Aynı şekilde pozitif ve negatif elektrik yükleri ve diğer korunan nicelikler de birbirini yok eder. Geriye sadece bu iki parçacığın enerjisi kalır. Enerji de korunan niceliklerden biri ama her iki parçacık için de zıt değil, aynı değerde. Bunlar da “gama ışını” denilen bir enerji patlamasıyla yok olur. Gama ışını, ışığa benzeyen elektromanyetik bir dalgadır ama ışıktan çok daha fazla enerji taşır. Taşıdığı enerji ise az önce protonla antiprotonun içinde bulunan enerjidir. ”Anhilasyon” (yok olma) denilen bu süreç, bildiğimiz kadarıyla kütleyi %100 verimlilikle enerjiye dönüştürebilen tek süreçtir.
Bunun tersi bir süreç de mümkün. Yeterli enerji verilirse bir parçacık-antiparçacık 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 antimadde çok ama çok kısa bir süre var olabiliyor. Neredeyse oluştuğu anda karşıtı olan normal maddeyle karşılaşıp küçük bir gama ışınımıyla yok oluyor.
Antimadde Kaynakları
Kozmik Işınlar
Dünya’yı bombardımana tutan hızlı parçacıkların küçük bir kısmı yıldızlararası uzaydaki çarpışmalarla oluşan antiprotonlardır. Parçacıklar atmosfere girdikten sonra daha çok çarpışma olur ve daha çok antiparçacık oluşur.
Muz
Evet, bildiğimiz muz. Potasyum bakımından zengin olan muzun yaklaşık %0,01’i ara sıra pozitron yayan potasyum-40 formundadır. Ortalama bir muz günde yaklaşık 20 pozitron üretir.
Fırtınalar
2011’de bir NASA uydusu, gök gürültülü fırtınaların üzerinde oluşan antimadde parçacıklarını gözlemledi. Bunlar yıldırımların ürettiği yüksek enerjili gama ışınlarının bir sonucuydu.
Nükleer Patlamalar
Neyse ki nükleer patlamalar nadiren yaşanıyor ama 1950’lerde yapılan hidrojen bombası testlerinde bombaların ürettiği gama ışınları elektron-pozitron çiftlerinin oluşmasına neden oldu.
Pozitron Emisyon Tomografisi
PET cihazlarıyla insan vücudunun içini görmek için kan dolaşımına enjekte edilen bir radyoizotoptaki pozitronlar kullanılır. Cihaz, pozitronlarla elektronlar birbirini yok ettiğinde oluşan gama ışınlarını tespit eder.
Kaynak: How It Works Türkiye Dergisi