Kayıp Antimadde Sorusunun Cevabı Nötrinolar mı?

Uluslararası bir araştırma grubu, nötrinoların ve antinötrinoların birbirlerine dönüşme süreçleri arasında belirgin farklar tespit etti. Bu farkların, neden evrendeki madde miktarının antimadde miktarından çok daha fazla olduğunu açıklayabilecek kadar büyük olduğu belirtiliyor.

Günlük hayattan aşina olduğumuz sıradan maddeyi oluşturan proton, nötron ve elektron gibi parçacıkların hepsinin birer antiparçacığı da vardır. Sıradan parçacıklar ve antiparçacıklar aynı kütleye sahiptir ancak elektrik ve diğer fiziksel yükleri zıt işaretlidir. Örneğin elektronun antiparçacığı pozitron olarak adlandırılır. Elektron ve pozitronun kütleleri aynıdır. Ancak elektron -1, pozitronsa +1 elektrik yüküne sahiptir.

Sıradan parçacıklar ve antiparçacıklar etkileştiklerinde birbirlerini yok ederek enerjiye dönüşür. Örneğin proton ve antiproton etkileştiğinde yok olur. Parçacıkların sahip olduğu tüm kütle enerjisi E=mc² eşitliğine uygun olarak enerjiye dönüşür ve bir foton tarafından ortamdan uzaklaştırılır. Benzer biçimde yüksek enerjili fotonlar da E=mc² eşitliğine uygun biçimde parçacık-antiparçacık çiftlerini oluşturabilir.

Yüksek enerjili fotonlar madde ve antimadde çiftleri oluşturabilir (altta). Bir foton, elektron ve pozitron üretirken aynı zamanda bir elektronu da harekete geçiriyor (üstte).

Sıradan parçacıkların bir araya gelerek sıradan maddeyi oluşturmasına benzer biçimde, antiparçacıklar da bir araya gelerek antimaddeyi oluşturabilir. Ancak bugün evreni gözlemlediğimizde neredeyse tamamen maddeden oluştuğunu, antimadde miktarınınsa çok az olduğunu görürüz. Bu ilk bakışta beklenmeyen bir durumdur. Çünkü Büyük Patlama sırasında eşit miktarda madde ve antimadde oluşmuş olmalıdır. Peki öyleyse neden madde ve antimadde zamanla birbirini yok etmedi? Nasıl oldu da antimadde büyük oranda yok olurken madde var olmaya devam etti? Sıradan parçacıklar ve antiparçacıkların uyduğu fizik yasaları arasında, bu durumun ortaya çıkmasına yol açabilecek hangi farklar olabilir?

Neden evrendeki madde miktarının antimadde miktarından fazla olduğuyla ilgili bugüne kadar çeşitli görüşler öne sürülmüştü. Ancak hiçbiri tam olarak gözlemsel ve deneysel verileri açıklayamıyordu. Uluslararası bir araştırma grubu tarafından yakın zamanlarda Nature’da yayımlanan bir makaleye göreyse sorunun cevabı nötrinolar ve antinötrinoların fiziksel davranışları arasındaki farklarda gizli olabilir.

Nötrinolar, leptonlar olarak adlandırılan temel parçacıklardandır. En bilinen örneği elektron olan bu parçacıkların “üç nesli” vardır. Her bir nesilde elektrik yükü -1 olan bir temel parçacık ve çeşitli fiziksel etkileşimlerde bu parçacıkla beraber yer alan bir nötrino bulunur. Bu üç nesildeki parçacıklar sırasıyla şunlardır: elektron ve elektron nötrinosu, müon ve müon nötrinosu, tau ve tau nötrinosu. Nötrinolar, diğer parçacıklarla çok az etkileşir. Öyle ki Güneş’ten yayılan 50 trilyon nötrino siz farkında olmadan her saniye vücudunuzun içinden geçip gider.

Farklı tür nötrinolar zaman içinde birbirlerine dönüşebilir. Aynı durum antinötrinolar için de geçerlidir. Eğer doğa yasaları madde ve antimadde parçacıkları için tamamen simetrikse, nötrinolar ve antinötrinolar arasındaki bu dönüşüm süreçlerinin de benzer olmasını beklersiniz. Ancak yakın zamanlarda yayımlanan sonuçlar bu süreçlerde belirgin farklar olduğunu söylüyor.

Çalışmaya imza atan araştırmacılar T2K çalışma grubu adı altında faaliyet gösteriyorlar. Müon nötrinolarının elektron nötrinolarına dönüştüğünü gösteren ilk deneysel çalışmalar da yine bu grup tarafından 2013 yılında yapılmıştı.

Süper-Kamiokande dedektöründe nötrinolar kaydedilirken ortaya ışık çıkıyor.

Yaptıkları son çalışmada araştırmacılar, Japonya’nın Tokai kentindeki J-PARC tesisinden 295 kilometre uzaklıktaki Süper-Kamiokande dedektörüne doğru müon nötrinolarını ve müon antinötrinolarını ateşlemişler. Daha sonra dedektöre ulaşan elektron nötrinoları ve elektron antinötrinolarının sayısını tespit etmişler. Eğer nötrinoların ve antinötrinoların birbirlerine dönüşme süreçleri tamamen simetrik olsaydı elektron nötrinolarına ve antinötrinolarına dönüşen müon nötrinosu ve antinötrinosu sayısının aynı olması beklenirdi. Ancak araştırmacılar dedektöre ulaşan elektron nötrinoları ve antinötrinoları arasında belirgin bir fark tespit etmişler. Araştırma ekibinin üyelerinden Dr. Patrick Dunne, yapılan keşfin kendi başına zaten önemli bir bilimsel gelişme olduğunu ancak daha da önemlisi gözlemlenen farkın neden evrenin büyük ölçüde maddeden oluştuğunu açıklayabilecek kadar da büyük olduğunu belirtiyor.