Bilim insanları, Einstein’ın kütleçekim teorisinin temel ilkelerinden birini daha önce erişilemeyen bir alanda sınamak amacıyla yeni bir parçacık ışını geliştirmiştir.
Bu çalışma, antimadde içeren “müonyum” atomlarından oluşturulan bir ışın sayesinde, yerçekiminin ikinci nesil temel parçacıklara da sıradan maddeyle aynı biçimde etki edip etmediğini ölçmeyi hedeflemektedir.
Einstein’ın Genel Görelilik Kuramı ve YerçekimiEinstein’ın genel görelilik kuramının temel varsayımlarından biri, yerçekiminin bir cismin neyden oluştuğuna bakmaksızın ona aynı şekilde etki etmesidir.
Fizikte zayıf eşdeğerlik ilkesi olarak bilinen bu düşünceye göre, aynı yerde serbest bırakılan farklı cisimler yerçekimi altında aynı ivmeyle düşmelidir.
Bu ilke, sıradan madde üzerinde son derece hassas biçimde test edilmiştir.
Antimadde için de 2023 yılında CERN’de gerçekleştirilen ALPHA deneyi, antihidrojen atomlarının Dünya’nın çekimine kapıldığını ve aşağı doğru düştüğünü göstermiştir.
Ancak antihidrojen, proton ve antiproton gibi birinci nesil parçacıklardan oluşmaktadır.
Yeni çalışma, ilk kez ikinci nesil bir temel parçacığın yerçekimiyle ilişkisini doğrudan ölçmenin yolunu açmaktadır.
Müonyum Atomunun Özellikleri ve KullanımıETH Zürih ve Paul Scherrer Enstitüsü’nden araştırmacıların geliştirdiği sistemin merkezinde müonyum adı verilen egzotik bir atom bulunmaktadır.
Müonyum, pozitif yüklü bir antimüon ile negatif yüklü bir elektrondan oluşmaktadır.
Antimüon, elektrona benzeyen ancak yaklaşık 200 kat daha ağır bir parçacık olup, müonyumun kütlesinin neredeyse tamamını bu antimadde bileşeni oluşturmaktadır.
Atomun toplam elektrik yükünün nötr olması, onu yerçekimi deneyleri açısından özellikle kullanışlı hale getirmektedir. Çünkü yüklü parçacıklarda çok zayıf olan yerçekimi etkisi, çevredeki elektrik ve manyetik alanlar tarafından kolayca maskelenebilmektedir.
Araştırmanın başyazarlarından fizikçi Anna Soter, amaçlarının “müonun kütleçekimsel etkileşimini ölçmek” olduğunu belirtmektedir.
Deneyin Zorlukları ve Gelecek PlanlarıMüonyumla deney yapmanın önündeki en büyük engel, son derece kısa ömürlü olmasıdır.
Müonlar yaklaşık 2,2 mikrosaniye içinde bozunmaktadır.
Bu nedenle müonyum atomlarının yerçekimi nedeniyle ne kadar saptığını ölçebilmek için araştırmacıların çok sayıda atomu aynı yönde ve benzer hızlarda hareket ettirebilmesi gerekmektedir. Önceki müonyum kaynaklarında atomlar farklı yönlere ve farklı hızlarla dağıldığı için bu ölçüm yeterince hassas biçimde yapılamamıştır.
Araştırmacılar bu problemi, antimüonları yaklaşık 0,2 Kelvin sıcaklıktaki süperakışkan helyuma göndererek aşmayı başarmıştır.
Antimüonlar helyum içinde enerji kaybedip bir elektron yakalayarak müonyum oluşturmaktadır.
Oluşan atomlar daha sonra süperakışkan helyumdan dışarı itilerek vakuma çıkmaktadır.
Sonuçta saniyede yaklaşık 2,2 kilometre hızla, birbirine yakın hızlarda ve büyük ölçüde aynı doğrultuda ilerleyen yoğun bir müonyum ışını elde edilmiştir.
Deneyde helyuma gönderilen antimüonların yaklaşık yüzde 8’i vakumda müonyuma dönüştürülmüştür.
Araştırmacıların önemli bir eşiği aşmış olmasına karşın, müonyumun yerçekimi altında nasıl davrandığı henüz ölçülmemiştir. Şimdiki sistem atomları yukarı doğru göndermekte olup, yerçekiminin etkisini hassas biçimde gözlemlemek için ışının yatay hale getirilmesi planlanmaktadır.
Böylece atomlar ileri doğru hareket ederken Dünya’nın çekimi nedeniyle çok küçük miktarda aşağı sapacaktır.
Bu sapmanın ölçülmesi için parçacıkların çok ince üç ızgaradan geçirileceği bir interferometre geliştirilmesi planlanmaktadır.
Müonyum atomlarının kuantum dalga özelliğinden yararlanılarak oluşan girişim desenindeki küçük değişimin ölçülmesiyle yerçekimi ivmesi hesaplanabilecektir.
Ekip, yeni yöntemle müonyumun yerçekimi ivmesini yaklaşık yüzde 1 hassasiyetle belirleyebileceğini öngörmektedir.
Yöntemin atom ışınıyla ilk testlerinin bu yıl yapılması, asıl yerçekimi deneyinin ise iki ila üç yıl içinde gerçekleştirilmesi planlanmaktadır.
Einstein’ın Öngörüsünün GeleceğiBeklenti, müonyumun da diğer maddeler gibi Dünya’ya doğru düşmesidir.
Ancak ölçüm, ikinci nesil parçacıkların yerçekimine beklenenden farklı tepki verdiğini gösterirse bunun sonuçları son derece önemli olabilir.
Araştırmacılara göre böyle bir fark, bilinen dört temel kuvvetin dışında henüz keşfedilmemiş bir “beşinci kuvvetin” varlığına işaret edebilecek olasılıklardan biridir.
Bununla birlikte çalışma “Einstein’ı yanlışlamak” amacıyla yapılmamaktadır.
Soter, temel amaçlarının yerçekimsel kütle ile eylemsizlik kütlesi arasındaki eşdeğerliğin ikinci nesil parçacıklar için de geçerli olup olmadığını ilk kez doğrudan ölçmek olduğunu vurgulamaktadır.
