Evrenin karanlık yüzü: antihidrojenin sırları

Evrenin en büyük gizemlerinden birisi olan antimadde, bilim dünyası için en büyük merak konuları arasında yer almaktadır. Antimaddenin bu kadar merak konusu olmasının başlıca sebepleri arasında maddeye karşın tamamen zıt özelliklere sahip olması ve özel koşullar dışında tespitinin zorlaşması gibi etkenlerin yer almasıdır. CERN’deki Alpha deneyi, antimaddenin sırlarını çözmemiz konusunda antihidrojen ile karşımıza çıkmaktadır. Antihidrojen, Penning-Malmberg tuzağında yaklaşık 3 milyon pozitronun, 100 bin antiprotonun çarpıştırılması ile sentezlenmektedir (Şekil 1). Bu işlemler sonucunda manyetik tuzakta hapsedilen antihidrojen, lazer spektroskopisi için kullanılmaktadır.¹

CERN’deki son çalışmalarda, anti hidrojenin 1S-2S enerji geçişi ve hiperince bölünmesi üzerine en hassas ölçümler gerçekleştirilmiştir. Deneyde, hapsedilmiş antihidrojen atomlarında bu iki enerji geçişi eş zamanlı olarak gözlemlenmiştir. Bu gözlemler, madde ve anti maddenin doğasını ve yük-parite-zaman tersinirliği (CPT) ihlalini anlamaya olanak tanımaktadır. Ayrıca, geliştirilen yeni yöntemler sayesinde veri toplama süresi 70 kat hızlanmış ve lazer soğutma tekniğinin yeni yöntemler ile birleştirilebileceği gözlemlenmiştir.³

Antimadde konusunda en önemli gelişmelerden birisi lazer soğutma tekniğidir. Yakın zamanda CERN’de gerçekleştirilen bir başka araştırmada, antimadde sistemlerinden birisi olan pozitronyum (Ps) üzerinde lazerle soğutma tekniği kullanılmıştır. Soğutma sonucunda Ps bulutunun sıcaklığı 380K’den 170K’ye düşürülerek hız dağılımı azaltılmıştır. Buna ek olarak Ps atomlarının lazerle uyarılmasından sonra temel duruma dönerken yok olmasını geciktirerek daha fazla sayıda atomun korunması sağlanmıştır. Ayrıca bu teknik, antihidrojen çalışmalarında da uygulanmaktadır.⁴

Alpha ekibi, manyetik tuzaklarda biriktirilen antihidrojen atomlarını kullanarak daha önceden doğrudan ölçülemeyen c-c hiperince bileşeninin rezonans frekansını belirlemiştir. Bu sonuçların büyük ölçüde hidrojen ile uyumlu olduğu ve CPT simetrisinin ihlaline dair herhangi bir belirti gözlemlenmemiştir. Lazer soğutma yöntemi ile elde edilen düşük sıcaklığa sahip antimadde bulutları, bu tür ölçümlerin daha hassas yapılmasını sağlamaktadır. Lazer soğutma tekniği, antihidrojeni daha düşük hızlarda tutarak ölçümlerin hassaslığını artırmaktadır. Özellikle lazer soğutmada pozitronyumun kullanılması ile antimadde sistemleri daha detaylı incelenmekte ve bu sayede spektroskopik analizlerin güvenilirliği artmaktadır.

Bu gelişmeler, Lorentz ve CPT simetrisini değerlendirmek ve Standart Model’in sınırlarını keşfetmek için öne çıkmaktadır. Bu noktada Standart Model Genişletmesi (SME) denilen teorik çerçeve, Lorentz ve CPT ihlallerini tespit etmek için kullanılan en yaygın model olarak karşımıza çıkmaktadır. SME, bilinmeyen yüksek enerji fiziğinin etkilerini, düşük enerji seviyelerinde modellememizi sağlamaktadır. Bu model sayesinde antimadde ve madde arasındaki farkları en detaylı şekilde inceleyebilmekteyiz. SME’nin en önemli avantajlarından birisi deneysel çeşitlilik sağlamasıdır ve buna ek olarak farklı araştırmalardan alınan bilgilerin standart bir parametreleme sistemi ile karşılaştırılmasını sağlamasıdır. Ancak, antihidrojen ve hidrojenin doğrudan karşılaştırılması tekniksel olarak karşımıza bazı zorluklar çıkarmaktadır. Bunun sebebi hidrojenin, antihodrejinin aksine yok olma sinyali üretmemesi ve bu sebeple tespitinin zorlaşmasıdır. Bu yüzden antihidrojenin spektroskopik verileri, farklı laboratuvar koşullarında elde edilen hidrojen ölçümleriyle karşılaştırılarak analiz edilmektedir. Alpha deneyi, anti hidrojenin spektral yapısını analiz ederek madde ve antimadde arasındaki en küçük farkları incelemektedir.

Alpha deneyinde kullanılan lazer soğutma tekniği, yüksek basınçlı bir gaz karışımında üretilen darbe lazerleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Lazer darbelerinden elde edilen ışık, anti hidrojenin bulunduğu manyetik tuzağa gönderilmiş ve anti hidrojenin yok olma durumları analiz edilmiştir. Bu çalışmada lazer etkileşimleri çeşitli simülasyonlarla modellenmiştir. Simülasyonlar, lazer soğutma sırasında atomların hareketlerini ve geçiş olasılıklarını içermektedir. Bu yöntem anti hidrojenin spektroskopisinde daha hassas ve güvenilir sonuçlar elde edilmesini sağlamış ve CPT ile Lorentz simetri testlerinin yapılmasına katkıda bulunmuştur.

Bu gelişmeler, antimaddenin doğasını anlayarak, evrenin temel fizik yasalarının doğruluğunu anlamamızda yardımcı olmaktadır. Lazer soğutma gibi tekniklerin kullanımı şu anda devam etmekte olan antimadde araştırmalarında ve gelecekte yapılacak araştırmalar için önemli bir gelişmedir.¹

Kaynaklar

1. Phys.org. (2025, February). The ALPHA experiment moves towards the increasingly precise study of antihydrogen.
2. upscgspedia.com. (2023, September). CERN Experiment Confirms Antimatter Falls Down.
3. Baker, C. J., Bertsche, W., Capra, A., Carruth, C., Cesar, C. L., Charlton, M., … & Shore, G. M. (2025). Precision spectroscopy of the hyperfine components of the 1S–2S transition in antihydrogen. Nature Physics, 1-7.
4. Phys.org. (2024, February). Experiment paves the way for new set of antimatter studies by laser-cooling positronium.