Labmedya - Laboratuvar ve Sağlık Gazetesi

KARANLIK FOTON

Astrofizikçiler Samanyolu kütlesini ölçtükleri zaman, galaksimizin barındırdığı yıldızları yerçekimiyle bir arada tutacak kadar ağır olmadığını gördüler. Galaksinin merkezinde yer alan 4 milyon güneş ağırlığındaki süper kütleli kara delik bile hafif kalıyordu ve karanlık madde teorisi de buradan çıktı:

Fizikçiler karanlık maddenin toplandığı yerlerde yerçekiminin arttığını ve bunun da yüz milyarlarca yıldız barındıran galaksilerin oluşmasını sağladığını düşünüyor.
Adına gelince; karanlık madde elektromanyetik kuvvet ve dolayısıyla ışıktan etkilenmiyor. Bu nedenle tıpkı görünmezlik pelerini giymiş Harry Potter gibi göze görünmüyor.
Karanlık madde varsa karanlık ışık (karanlık foton) var mı? Karanlık foton varsa beşinci element mi ve bu durumda Evren’de bilinmeyen beşinci bir fizik kuvveti var mı?

KARANLIK MADDE PARÇACIKLARI
Fizikte öne sürülen farklı karanlık madde türleri için karanlık madde kara delik mi yazıma bakabilirsiniz. Ancak, fizikçilerin en popüler teorisinde öngörülen egzotik karanlık madde parçacıklarının bugüne kadar keşfedilemediğini söylememiz gerekiyor.
Egzotik karanlık maddenin sadece yerçekimi ve nükleer radyasyondan etkilendiği sanılıyordu; ama son 15 yılda yapılan araştırmalarda WIMP denilen bu karanlık madde parçacıklarının izini bulmadık ve bilim insanları da karanlık maddenin atom boyundaki mikro kara deliklerden oluştuğunu düşünmeye başladı.

OYUNBOZAN
Tam fizik camiası egzotik karanlık maddeden vazgeçip normal maddenin çökmesinden oluşan mikro kara delikler fikrine kendini alıştırmaya başlamıştı ki karanlık fotonu araştıran Macar fizikçilerden şaşırtıcı bir açıklama geldi:

BEŞİNCİ ELEMENT
Attila Krasznahorkay ve ekibi karanlık fotonları ararken fizikte bilinmeyen yeni bir parçacık bulduklarını söylediler. Yeni parçacığın fizikteki beşinci kuvveti taşıdığını ve beşinci element temsilcisi olduğunu düşünüyorlar.

Evren’deki fiziksel etkileşimleri kontrol eden 4 fizik kuvveti var: Bunlardan ilki kara deliklerden sorumlu olan ve galaksileri oluşturan yıldızları bir arada tutan kütleçekim kuvveti. Einstein’ın görelilik teorisinden beri yerçekiminin üstadı olduk ve sonunda çarpışan kara deliklerin ürettiği kütleçekim dalgalarını keşfettik.
İkinci kuvvet elektromanyetizma ve mikrodalga fırınlarını, radyo dalgalarını, kablosuz internet bağlantısını ve evet, yaz sabahlarını aydınlatan gün ışığını bu kuvvete borçluyuz. İnsan vücudunun yapıtaşları olan hücreleri bir arada tutan atomları da güçlü nükleer kuvvete borçluyuz. Atomu parçalayınca bu muazzam güç açığa çıkıyor ve nükleer patlama oluyor.

Nükleer radyasyon (radyoaktif bozunma) ise zayıf nükleer kuvvetin işi ve biz de son 40 yılda çok çalışarak bu dört fizik kuvvetinin üçünü nükleer fiziği tanımlayan standart modelde birleştirmeyi başardık. Sadece yerçekimini kuantum fiziğine bağlayan bir kuantum kütleçekim kuramı geliştiremedik.

NEDEN 4 KUVVET?
Gerçekten de neden 5 değil? Örneğin Macarlar haklıysa şiirsel bir şekilde beşinci element diyebileceğimiz beşinci fizik kuvvetini keşfetmiş olacağız. Ancak bu kez baştan söyleyelim; beşinci fizik kuvveti bildiğimiz fizik yasalarına aykırı değil ve bu yeni kuvveti mevcut fizik yasalarına bağlayabiliriz.

HER ŞEYİN TEORİSİ
Bilim insanlarının hayali bütün evreni tek bir fizik denklemi ile açıklamak. Hatta bunun için büyük patlamadan bu yana sürekli soğuyan Evren’in ısı haritasını bile çıkardılar. Çizimde görüldüğü gibi Evren’in sıcaklığı büyük patlama anına yaklaştıkça artırıyor (adı üstünde, patlama).
Sıcaklık arttıkça önce elektromanyetik kuvvet ve zayıf çekirdek kuvveti “elektrozayıf kuvvet” halinde birleşiyor. Sonra güçlü nükleer kuvvet ikiliye katılıyor ve filmi geri sarıp Evren’in doğumuna gelmeden hemen önce, kuantum fiziğinin tanımladığı bu üç kuvvet geçerliliğini yitirip yerçekimiyle birleşiyor!

BÜYÜK PATLAMANIN SIRRI
Öyle ki büyük patlama anında evren kuantum fiziğinin alanına girecek kadar küçük bir noktaydı ve fizikçiler sırf bu yüzden yerçekimini atom ölçeğinde tanımlayan bir kuantum kütleçekim kuramı geliştirmek istiyor.

Ancak, kuantum fiziğini ortaya çıkaran üç kuvvetin büyük patlamadan önce yerçekimiyle birleşip anlamını yitirdiğini görüyoruz. Bu sıkıntılı durum bize fizikte daha işin başında olduğumuzu gösteriyor.

BEŞİNCİ ELEMENT KARANLIK FOTON MU?
Fizikçiler bu sorunu çözmek için yerçekiminin spin durumu denilen bir kuantum özelliğinden, yani kuantum fiziğinden etkilenip etkilenmediğini görmek istediler. Bunun için de yerçekimini atom boyunda test eden bir deney yaptılar (Popular Science Türkiye Eylül sayısındaki yazımda okuyacaksınız).
Onlar bu tür sorunlarla uğraşırken Macarlar da laboratuvarda karanlık foton arıyorlardı; ama karanlık foton bulmak yerine, karanlık maddeyi karanlık yapan beşinci fizik kuvvetini bulduklarını açıkladılar.
Kafalar karışmadan belirtelim: Her şeyin teorisi için bugün bilinen 4 fizik kuvvetinin büyük patlama anında nasıl tek kuvvet halinde birleştiğini göstermemiz gerek. Bunun için de kuantum kütleçekim kuramı geliştirmemiz lazım ve biz buna çabalarken Macarlar beşinci kuvveti keşfettiklerini söylediler. Oysa daha dördünü bir araya getiremiyoruz. Beşini nasıl birleştireceğiz?
Peki Cem Yılmaz haklı mı? Tahta olmasın? Beşinci fizik kuvveti hiç bilmediğimiz bir şey çıktı ve hava yerine tahta demek kadar kulağa yabancı geliyor.

BEŞİNCİ ELEMENTİN KISACIK TARİHİ
2015 yılında Attila Krasznahorkay liderliğindeki bir grup Macar fizikçi, karanlık maddenin kendi elektromanyetik kuvvetini taşıdığı düşünülen karanlık fotonları araştırıyordu. Karanlık foton başlı başına bir gariplik:
Karanlık maddeye ışıktan etkilenmediği için karanlık diyoruz. Sonra da bizim göremediğimiz karanlık elektromanyetizmadan sorumlu karanlık fotonları arıyoruz. Yetmiyor: Uzayda tümüyle karanlık maddeden oluşan görünmez galaksiler, güneşler ve gezegenler olduğunu düşünüyoruz.
Bu da fizikçilerin doğanın sırlarını aydınlatmak üzere art arda birbirinden ilginç teoriler geliştirdiklerini gösteriyor. Fizik deneme yanılma yoluyla ilerlediği için bunda sorun yok. Öte yandan, birçok fizikçi karanlık galaksileri en az bizim kadar garipsiyor. Bu yüzden karanlık fotonlara pek itibar etmiyor.
Beşinci fizik kuvvetini 27 km’lik dev CERN parçacık hızlandırıcısı yerine masaüstü sistemlerinde araştırabiliriz. Masaüstüne sığacak kadar zayıf, kısa mesafeli bir kuvvet.

BEKLENMEDİK BULUŞ
Oysa fizik çoğu zaman beklenmedik keşiflerle ilerler ve Macarlar bu kez iki beklenmedik keşif yaptıklarını söylediler: 1) Beşinci element babında beşinci fizik kuvveti ve 2) Bu kuvvetin karanlık maddeye “karanlık olma” özelliği kazandırdığı.

NE BULDULAR, NASIL BULDULAR?
Fizikçiler lityum-7 atomlarından oluşan ince bir film tabakasını fotonlarla bombalıyordu. Aslında 27 km’lik CERN kadar büyük olmasa da bir tür masaüstü parçacık hızlandırıcısı kullanarak parçacıkları atomlarla çarpıştırıyor ve küçük patlamada etrafa saçılan parçalara bakarak karanlık fotonları arıyorlardı.

Lityum-7 foton bombardımanına maruz kaldığında kararsız berilyum-8 atomuna dönüşüyor. Berilyum-8 zayıf nükleer kuvvet uyarınca bozunurken, yani enerji kaybederek daha hafif ve kararlı bir çekirdeğe dönüşürken bozunma ürünleri dediğimiz küçük parçacıklar salıyor.
Biz de bütün bu parçacıkları nükleer fiziğin temeli olan standart modele göre izliyoruz. Hangi atom hangi parçacıkla çarpışırsa nasıl parçalanacağını biliyoruz. Nükleer fizik diyor ki Berilyum-8 gibi radyoaktif bir izotop bozunursa elektron-pozitron çiftleri yayar (elektron ve anti elektron çiftleri).
Hatta burada eklemeye gerek olmayan bir detay sebebiyle bu parçacıklar daha geniş bir açıyla uzaya saçılıyorsa daha az sayıda elektron-pozitron çifti görmemiz gerek. Peki, bozunma sırasında salınan parçacıkların azalması beşinci element için ne anlama geliyor?

Macarlar lityum atom çekirdeklerine foton ateşlediler ve çekirdeklerin berilyuma dönüşüp bozunması sırasında yayılan parçacıklara bakıp yeni bir fizik kuvveti keşfettiklerini söylediler. CERN de protonları çarpıştırıp parçalayarak ortaya çıkan parçacıklara bakıyor.
Yazının devamını khosann.com adresinden okuyabilirsiniz.