CERN Fizikçileri Maddenin ve Antimaddenin Gizemini Çözecek Kilit Parçayı Buldu

Evrenimizdeki tüm madde kötü bir ikize sahiptir: antimadde. Kozmolojik modeller, Büyük Patlama’nın birbirini yok eden eşit miktarda madde ve antimadde yaratmış olması gerektiğini öne sürüyor. Ancak fizikçilerin hâlâ tam olarak açıklayamadığı nedenlerden dolayı bu olmadı. Sonuç olarak, günümüzde evrenimizde antimaddeden biraz daha fazla madde var—varlığımızın kendisi bunun net fiziksel kanıtı.

Şimdi, madde ve antimadde arasındaki dengesizliği açıklamaya bir adım daha yaklaşıyor olabiliriz; fiziğin çözülmemiş bir gizemi olan yük-parite (CP) ihlali veya CP asimetrisi olarak bilinen bu konuya. Bugün Nature‘da yayınlanan bir makalede, İsviçre’deki CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı güzellik (LHCb) İşbirliği‘nden araştırmacılar, gözlemlenebilir evrendeki çoğu maddeyi oluşturan temel parçacıkların bozunumunda CP ihlalinin ilk deneysel doğrulamasını bildirdi. Sonuçlar bu yılın başlarında Rencontres de Moriond konferansında duyuruldu.

“Yakın zamana kadar, CP ihlali sadece mezonlarda [veya] bir kuark ve bir antikuarktan oluşan parçacıklarda açıkça gözlemlenmişti,” diye açıkladı Xueting Yang, LHC fizikçisi ve çalışmanın baş yazarı, Gizmodo’ya gönderdiği bir e-postada. “Bu sonuç, protonlar ve nötronlar gibi üç kuarktan oluşan baryonların da CP simetrisinin ihlal edebileceğini gösteriyor.”

Bu önemli bir ilk adım olsa da, yeni bulgu, evrende günümüzde antimaddeden daha fazla madde olmasına ilişkin paradoksu ifade eden baryon asimetrisini gözlemlemek noktasında yetersiz kalıyor. Yang’in ekibinin özel olarak gözlemlediği şey, baryon bozunumundaki bir CP ihlali örneğiydi, yani bir baryon ve onun antimadde karşıtı arasındaki davranıştaki hafif fark, parçacığın daha küçük parçacıklara ayrılması sırasında. 

“Bu, daha büyük bir bulmacanın küçük bir parçası ama görüyorsunuz, her parça önemlidir,” Sean Carroll, bu yeni çalışmaya dahil olmayan ve Johns Hopkins Üniversitesi’nde teorik fizikçi, Gizmodo ile yaptığı bir görüntülü aramada. “Daha önce hiç gözlemlenmemiş bir fenomen bulduğunuzda bu içsel olarak ilginçtir, ama… belki de evrende neden daha fazla baryon olduğuna ilişkin bir şeyler öğretir.”

Çalışma için, Yang’in ekibi yaklaşık bir trilyon güzellik-lambda (Λb) baryon, protonlar ve nötronların ağır kuzen parçacığı olan baryonların bozunmasını gözlemledikleri dokuz yıllık veriyi aldı. Güzellik-lambda baryonları ve onların antimadde karşıtları, yaklaşık bir trilyon saniyede daha küçük parçalara ayrıldığından böylesi bir kapsama için LHC’nin büyüklüğünde bir teknik ustalık gerektiriyor. 

Verilerden, araştırmacılar, özellikle güzellik-lambda baryonlarının ve antimadde karşıtlarının bozunum davranışlarına odaklanarak ilgi alanlarına giren etkileşimleri ayıkladı. “Eğer CP simetrisi doğru olsaydı, bu etkileşimler için tam olarak aynı oranı elde edersiniz,” dedi Carroll. “Ama ihlal edilmiş, bu yüzden biraz farklı oranlar alıyorsunuz.”

Bu oran yaklaşık %2.5’ti, küçük ama istatistiksel olarak anlamlı bir fark—en azından, ekibin bu sonuca nasıl devam edeceğini planlamak için yeterliydi.

“Baryonların nasıl oluştuğunu, etkileştiğini ve bozunduğunu incelemek, doğanın temel kuvvetlerini anlamamız için esastır,” dedi Yang. “Bu gözlem sadece başlangıcı işaretliyor. Neden [evrenin] daha fazla madde içerdiğine cevap vermek için, mevcut [Standart Parçacık Fiziği Modeli] dışında daha fazla CP ihlali kaynağına ihtiyacımız var.”

Standart Model—parçacık davranışını soğukkanlı bir hassasiyetle tanımlayan teori—hem parçacık fiziğinin başyapıtı hem de dayak yediği nokta. Her şeyi o kadar iyi açıklıyor ki bu korkunç bir şekilde, yerçekimi veya karanlık madde gibi bilinen bazı büyük fiziksel fenomenleri atlamasına rağmen. Böylece, LHC geldiğinde, fizikçiler onun büyük şeyler başaracağını beklediler ki başardı ve yapmaya devam ediyor. Ancak tüm büyük fizik keşiflerinde olduğu gibi, gerçekleştirmesi biraz daha zaman alacak kutsal bir kase.

“Açık olmak gerekirse, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın Standart Model dışında herhangi bir fizik bulamamasından biraz hayal kırıklığına uğradık,” dedi Carroll. “Ama bence keşfetmeye devam etmek gerçekten önemli. LHC muhteşem bir makine ve harika işler yaptı—ama henüz vaat edilen diyara ulaşamadı. Dolayısıyla, insanların bu büyük sorular üzerinde çalışmaya devam etmesi gerektiğine dair bir başka hatırlatıcı.”