Yerçekimi Her Şeye Aynı Mı Davranıyor?

Şu düşünceye bir bak: bir bowling topuyla bir tüyü (vakumda) serbest bırakırsan ikisi de tamamen aynı anda yere düşer. Galileo bunu yüzyıllar önce keşfetti, Einstein da yerçekimi teorisini bu fikir üzerine inşa etti. Buna eşdeğerlik ilkesi diyor ve bu ilke evreni anlamamızın temel taşı.

Ama bir sorun var: bunu sadece "sıradan" maddeyle test ettik. Yani protonlar, nötronlar, elektronlar. Görebildiğimiz ve dokunabildiğimiz her şeyi oluşturan parçacıklar.

Ya doğada var olan bu garip, ağır akrabaları? Onlar da aynı şekilde mi düşüyor?

İsviçre'deki ETH Zurich ve Paul Scherrer Enstitüsü'nden bir ekip tam da bunu bulmak istiyor — ve evrendeki en tuhaf parçacıklardan birini kullanarak.

Müonla Tanışın

Müon, elektronun ağır akrabası gibi düşünün. Hemen her açıdan elektrona benziyor, tek farkı yaklaşık 200 kat daha ağır olması. İşte işlerin ilginçleştiği nokta burası: fizikçiler bu ağır "kuşakların" neden var olduğunu bilmiyor.

Standart Model — parçacıkların nasıl çalıştığını anlattığımız en iyi teori — üç kuşak madde tanımlıyor. Birinci kuşak: tanıdık protonlar, nötronlar ve elektronlar. İkinci kuşak: müonlar ve arkadaşları. Üçüncü kuşak: tau parçacıkları denilen daha da ağır şeyler.

"Peki bu ekstra kuşaklar neden var? Ve neden tam olarak üç tane?" fizikçi Anna Soter'ın dediği gibi.

Harika bir soru, değil mi? Cevabı bilmiyoruz. Ve bu gizem ekibi şu düşünceye itti: belki bu ağır parçacıklar yerçekimine hafif akrabalarından farklı tepki veriyordur. Belki de yıllardır yanlış varsayım yapıyorduk.

Müonlarda Yerçekimini Test Etmenin Sorunu

Müonların da elektronlar gibi aynı hızda düşüp düşmediğini test etmek istiyorsunuz? Kolay, değil mi? Sadece birkaç müon bırakın ve ne olduğunu görün.

Keşke o kadar kolay olsaydı.

Birinci sorun: müonlar pek sosyal değil. Başka parçacıklara dönüşmeden önce sadece yaklaşık 2,2 mikrosaniye yaşıyorlar. Yani 0,0000022 saniye. Bu kadar kısa sürede yok olan bir şeyle rahat bir düşme deneyi yapamazsınız.

İkinci sorun: yüklü bir müon kullanmaya çalışırsanız, etraftaki manyetik alanlar ölçmeye çalıştığınız minicik yerçekimi kuvvetini gölgede bırakır. Yerçekimi zayıftır, unutmayın. Kolayca baskı altına alınır.

Çözüm mü? Müonyum yapmak.

En Garip Atomu İnşa Etmek

Müonyum bilim kurgu filmlerinden bir şey gibi geliyor ama gerçek. Artı yüklü bir anti-müonu eksi yüklü bir elektronla birleştir. Sonuç?

Temelde madde ve anti-madde melezi olan yüksüz bir atom.

Yüksüz olması çok önemli çünkü manyetik alanların yerçekimi ölçümünü etkilemeyeceği anlamına geliyor. Müonyum yüksüz olduğundan, ekip atomun düşüşünü izleyebiliyor.

Ama hız sorunu hâlâ var. Geleneksel yöntemlerle üretilen müonyum atomları rastgele yönlerde ve rastgele hızlarda uçuşuyordu — hassas ölçümler için tamamen işe yaramaz.

Ekip "soğuk" müonyum üretmeyi başardığında atılım geldi: atomlar yaklaşık aynı yönde ve hemen hemen aynı hızda hareket ediyor. İşte bu sayede yerçekimi deneyi gerçekten mümkün hale geldi.

Atomik Bir Topla Atom Fırlatmak

İşte asıl ilginç kısım. Bu soğuk müonyum ışını oluşturmak için ekip, mutlak sıfırın hemen üstüne — eksi 273 derece Celsius'a — soğutulmuş süperakışkan helyum kullanıyor.

Süperakışkan helyum temelde atomların bireysel kimliklerini kaybettiği ve sıvının tamamen sürtünmesiz hale geldiği bir kuantum sıvısı. Ayrıca hiçbir safsızlığa tahammül etmez. Sıvıların divası gibi düşünün.

PSI'nin güçlü hızlandırıcısından gelen anti-müonlar bu helyuma girdiklerinde yavaşlıyor. Bir anti-müon serbest bir elektron yakalayıp müonyum oluşturduğunda, büyülü bir şey gerçekleşiyor: sıvının içindeki kimyasal potansiyel, yeni oluşan atomu yüzeyden yukarı doğru iten minicik bir roket motoru gibi çalışıyor.

Baş yazar Jesse Zhang bunu güzel bir şekilde anlatıyor: "Kimyasal potansiyeli atomik bir top olarak kullanıyoruz."

Bu cümleyi çok sevdim. Einstein'ın teorisini test etmek için kuantum sıvıdan egzotik atomlar fırlatmak. Bilim harika şey.

Sırada Ne Var?

Ekip şimdi bir girişimölçer (interferometer) inşa ediyor — atomların dalga özelliklerini kullanarak inanılmaz küçük etkileri ölçen bir cihaz. Müonyum atomları yükselip Dünya'nın yerçekimi altında düşerken, girişimölçer dalga desenlerindeki en küçük sapmaları bile tespit edecek.

Einstein haklıysa ve eşdeğerlik ilkesi ikinci kuşak parçacıklar için de geçerliyse, müonyum olağan maddeler gibi tam olarak aynı şekilde davranmalı.

Ama en küçük bir sapma bile olursa? Bu çok büyük şey. Nobel Ödülü potansiyeli ve fizik ders kitaplarının baştan yazılması gerekebilir.

Dürüst olmak gerekirse, bir şey bulmalarını umuyorum. Einstein'ın yanılmasını istediğim için değil, yüzyıllardır eşdeğerlik ilkesini aynı tür maddeyle test ediyoruz. Artık farklı alanlara açılmamın zamanı geldi. Evrenin tüm parçacıklarına mı yoksa sadece aşina olduğumuzlara mı eşit davrandığını görmek lazım.

Bu deney, doğanın neden birden fazla madde kuşağı yaratma zahmetine girdiğini anlamamıza yardımcı olabilir. Sadece 2,2 mikrosaniye yaşayan bir parçacık için oldukça büyük bir şey.

Bazen en kısa ömürlü şeyler en derin dersleri veriyor.

Kaynak: ScienceDaily