Antimadde

İlk gözlemlenen pozitronun bulut odası fotoğrafı, 2 Ağustos 1932. ⓘ

Modern fizikte antimadde, "sıradan" maddede karşılık gelen parçacıkların antiparçacıklarından (veya "ortaklarından") oluşan madde olarak tanımlanır. Parçacık hızlandırıcılarında (toplam yapay üretim yalnızca birkaç nanogramdır) ve kozmik ışın çarpışmaları ve bazı radyoaktif bozunma türleri gibi doğal süreçlerde her gün çok az sayıda antiparçacık üretilmektedir, ancak bunların yalnızca küçük bir kısmı deneylerde antiatom oluşturmak üzere başarılı bir şekilde bir araya getirilmiştir. Üretim ve kullanımın aşırı maliyeti ve zorluğu nedeniyle hiçbir makroskopik miktarda antimadde bir araya getirilememiştir. ⓘ

Teorik olarak, bir parçacık ve onun karşıt parçacığı (örneğin bir proton ve bir antiproton) aynı kütleye, ancak zıt elektrik yüküne ve kuantum sayılarındaki diğer farklılıklara sahiptir. ⓘ

Herhangi bir parçacık ile anti-parçacık partneri arasındaki bir çarpışma, karşılıklı olarak yok olmalarına yol açar ve çeşitli oranlarda yoğun fotonlara (gama ışınları), nötrinolara ve bazen daha az kütleli parçacık-antiparçacık çiftlerine yol açar. Toplam yok olma enerjisinin büyük kısmı iyonlaştırıcı radyasyon şeklinde ortaya çıkar. Çevredeki madde mevcutsa, bu radyasyonun enerji içeriği emilecek ve ısı ya da ışık gibi diğer enerji biçimlerine dönüştürülecektir. Açığa çıkan enerji miktarı genellikle çarpışan madde ve antimaddenin toplam kütlesiyle orantılıdır, bu da kütle-enerji denkliği denklemi E=mc² ile uyumludur. ⓘ

Antimadde parçacıkları, tıpkı normal parçacıkların normal maddeyi oluşturmak için birbirlerine bağlandıkları gibi, antimadde oluşturmak için birbirlerine bağlanırlar. Örneğin, bir pozitron (elektronun karşıt parçacığı) ve bir antiproton (protonun karşıt parçacığı) bir antihidrojen atomu oluşturabilir. Antihelyum çekirdeği zor da olsa yapay olarak üretilmiştir ve şimdiye kadar gözlemlenen en karmaşık anti çekirdeklerdendir. Fiziksel prensipler, bilinen kimyasal elementlere karşılık gelen anti-atomların yanı sıra karmaşık antimadde atom çekirdeklerinin de mümkün olduğunu göstermektedir. ⓘ

Gözlemlenebilir evrenin, madde ve antimaddenin eşit bir karışımının aksine neredeyse tamamen sıradan maddeden oluştuğuna dair güçlü kanıtlar vardır. Görünür evrendeki bu madde ve antimadde asimetrisi, fizikteki çözülmemiş en büyük sorunlardan biridir. Madde ve antimadde parçacıkları arasındaki bu eşitsizliğin geliştiği sürece baryogenez denir. ⓘ

Antimadde ya da karşıt madde, maddenin ters ikizi. Paul Dirac denklemiyle ortaya çıkarılmış ve daha sonraki gözlemlerle de varlığı doğrulanmıştır. Antimadde en basit hâliyle normal maddenin zıttıdır. Daha da özelleştirecek olursak, antimaddenin atomaltı parçacıkları, normal maddeye göre zıt özellikler taşımaktadır. Bu atomaltı parçacıkların elektrik yükleri, normal maddenin atomaltı parçacıklarının tam tersidir. Antimadde, Büyük Patlama'dan sonra normal maddeyle birlikte oluşmuştur; fakat sebebinin ne olduğunu bilim insanları tam anlamıyla bilemeseler de, evrende oldukça nadir bulunmaktadır. ⓘ

Tanımlar

Antimadde parçacıkları negatif baryon sayıları veya lepton sayıları ile tanımlanabilirken, "normal" (antimadde olmayan) madde parçacıkları pozitif baryon veya lepton sayısına sahiptir. Bu iki parçacık sınıfı birbirlerinin antiparçacık partnerleridir. Bir "pozitron", "elektron "un antimadde eşdeğeridir. ⓘ

Fransızca kontra-terren terimi "C.T." baş harflerine ve Seetee Ship gibi romanlarda kullanılan "seetee" bilim kurgu terimine yol açmıştır. ⓘ

Kavramsal tarihçe

Negatif madde fikri, artık terk edilmiş olan geçmiş madde teorilerinde ortaya çıkmıştır. Bir zamanlar popüler olan girdap yerçekimi teorisi kullanılarak, negatif yerçekimine sahip madde olasılığı 1880'lerde William Hicks tarafından tartışılmıştır. 1880'ler ve 1890'lar arasında Karl Pearson, eter akışında "fışkırmalar" ve çökmelerin varlığını öne sürmüştür. Fışkırmalar normal maddeyi, çukurlar ise negatif maddeyi temsil ediyordu. Pearson'ın teorisi, eterin akması ve içine girmesi için dördüncü bir boyut gerektiriyordu. ⓘ

Antimadde terimi ilk kez Arthur Schuster tarafından 1898 yılında Nature dergisine yazdığı iki tuhaf mektupta kullanıldı. Schuster, antiatomların yanı sıra tümüyle antimadde güneş sistemlerini varsaymış ve madde ile antimaddenin birbirini yok etme olasılığını tartışmıştır. Schuster'in fikirleri ciddi bir teorik öneri değil, sadece spekülasyondu ve önceki fikirler gibi, negatif yerçekimine sahip olması bakımından modern antimadde kavramından farklıydı. ⓘ

Modern antimadde teorisi 1928 yılında Paul Dirac'ın bir makalesi ile başladı. Dirac, elektronlar için Schrödinger dalga denkleminin rölativistik versiyonunun antielektron olasılığını öngördüğünü fark etti. Bunlar 1932 yılında Carl D. Anderson tarafından keşfedildi ve "pozitif elektron" anlamına gelen pozitron olarak adlandırıldı. Dirac'ın kendisi antimadde terimini kullanmamış olsa da, bu terimin kullanımı doğal olarak antielektronlar, antiprotonlar vb. terimlerden gelmektedir. Antimaddenin tam bir periyodik tablosu 1929'da Charles Janet tarafından öngörülmüştür. ⓘ

Feynman-Stueckelberg yorumu, antimadde ve antiparçacıkların zamanda geriye doğru hareket eden düzenli parçacıklar olduğunu belirtir. ⓘ

Notasyon

Bir antiparçacığı göstermenin bir yolu, parçacığın sembolünün üzerine bir çubuk eklemektir. Örneğin, proton ve antiproton şu şekilde gösterilir
p
ve
p
sırasıyla. Aynı kural, bir parçacığı bileşenlerine göre ele aldığımızda da geçerlidir. Bir proton şunlardan oluşur
u

u

d
kuarklardan, dolayısıyla bir antiprotonun
u

u

d
anti-kuarklar. Bir başka gelenek de parçacıkları pozitif ve negatif elektrik yüklerine göre ayırmaktır. Böylece, elektron ve pozitron basitçe şu şekilde gösterilir
e-
ve
e⁺
sırasıyla. Ancak karışıklığı önlemek için bu iki kural asla karıştırılmamalıdır. ⓘ

Özellikler

Antimaddenin teorize edilen anti-yerçekimsel özellikleri şu anda CERN'deki AEGIS deneyinde test edilmektedir. Madde ile temas eden antimadde her ikisini de yok ederken geride saf enerji bırakacaktır. Madde ile antimadde ve antimadde ile antimadde arasındaki olası kütleçekim etkilerini incelemek için araştırmalara ihtiyaç vardır. Ancak, ikisi bir araya geldiğinde yok oldukları ve antimaddeyi yakalamanın ve kontrol altına almanın mevcut zorlukları göz önünde bulundurulduğunda araştırma yapmak zordur. ⓘ

Antiparçacıkların tüm yüklerde (elektrik ve baryon yükleri gibi) farklı işaretlere sahip olmasının yanı sıra, madde ve antimaddenin tamamen aynı özelliklere sahip olduğuna inanmak için zorlayıcı teorik nedenler vardır. Bu, bir parçacığın ve ona karşılık gelen antiparçacığın özdeş kütlelere ve bozunma ömürlerine (eğer kararsızsa) sahip olması gerektiği anlamına gelir. Bu aynı zamanda, örneğin antimaddeden oluşan bir yıldızın ("antistar") tıpkı sıradan bir yıldız gibi parlayacağı anlamına gelir. Bu fikir 2016 yılında, antihidrojenin en düşük iki enerji durumu arasındaki geçişi ölçen ALPHA deneyi tarafından deneysel olarak test edildi. Hidrojenle aynı olan sonuçlar, kuantum mekaniğinin antimadde için geçerliliğini doğruladı. ⓘ

Kökeni ve asimetri

Günde yaklaşık 500 karasal gama ışını parlaması olmaktadır. Kırmızı noktalar 2010 yılında Fermi Gama-ışını Uzay Teleskobu tarafından tespit edilenleri göstermektedir. Mavi alanlar karasal gama ışını parlamaları için potansiyel şimşeklerin oluşabileceği yerleri göstermektedir.

Bilim insanlarının Fermi Gama-ışını Uzay Teleskobu'nun gama-ışını detektörünü kullanarak fırtınalardan kaynaklanan antimadde patlamalarını nasıl ortaya çıkardıklarını gösteren bir video ⓘ

Dünya'dan gözlemlenebilen maddenin çoğu antimaddeden ziyade maddeden oluşuyor gibi görünmektedir. Eğer uzayın antimadde ağırlıklı bölgeleri mevcut olsaydı, madde ve antimadde bölgeleri arasındaki sınır boyunca yok olma reaksiyonlarında üretilen gama ışınları tespit edilebilirdi. ⓘ

Antiparçacıklar evrende yüksek enerjili parçacık çarpışmalarının gerçekleştiği her yerde yaratılır. Dünya'nın atmosferine (ya da Güneş Sistemi'ndeki herhangi bir maddeye) çarpan yüksek enerjili kozmik ışınlar, ortaya çıkan parçacık jetlerinde çok küçük miktarlarda antiparçacık üretir ve bunlar yakındaki maddeyle temas ederek hemen yok olur. Benzer şekilde Samanyolu'nun merkezi ve diğer galaksiler gibi çok enerjik göksel olayların meydana geldiği bölgelerde de üretilebilirler (esas olarak rölativistik jetlerin yıldızlararası ortamla etkileşimi). Ortaya çıkan antimaddenin varlığı, pozitronların yakındaki maddeyle her yok oluşunda üretilen iki gama ışını ile tespit edilebilir. Gama ışınlarının frekansı ve dalga boyu, her birinin 511 keV enerji (yani bir elektronun dinlenme kütlesinin c² ile çarpımı) taşıdığını gösterir. ⓘ

Avrupa Uzay Ajansı'nın INTEGRAL uydusu tarafından yapılan gözlemler, galaktik merkezi çevreleyen dev bir antimadde bulutunun kökenini açıklayabilir. Gözlemler, bulutun asimetrik olduğunu ve çoğunlukla galaktik merkezin bir tarafında bulunan X-ışını ikililerinin (kara delikler veya nötron yıldızları içeren ikili yıldız sistemleri) modeliyle eşleştiğini gösteriyor. Mekanizma tam olarak anlaşılmamış olsa da, sıradan madde bir yıldız kalıntısına düşerken kinetik enerji kazandığından, elektron-pozitron çiftlerinin üretimini içermesi muhtemeldir. ⓘ

Antimadde, evrenin ilk zamanlarındaki kozmik şişme nedeniyle uzak galaksilerde nispeten büyük miktarlarda mevcut olabilir. Antimadde galaksilerinin, eğer varsa, normal madde galaksileriyle aynı kimyaya ve emilim ve emisyon spektrumlarına sahip olması ve astronomik nesnelerinin gözlemsel olarak aynı olması ve ayırt edilmelerini zorlaştırması beklenir. NASA, çarpışan süper kümelerdeki yok olma olaylarının X-ışını ve gama ışını imzalarını arayarak bu tür galaksilerin var olup olmadığını belirlemeye çalışıyor. ⓘ

Ekim 2017'de CERN'deki BASE deneyinde çalışan bilim insanları, antiproton manyetik momentinin milyarda 1,5 parça hassasiyetle ölçüldüğünü bildirdi. Bu ölçüm, CPT simetrisi hipotezini destekleyen proton manyetik momentinin en hassas ölçümüyle (yine BASE tarafından 2014 yılında yapılan) tutarlıdır. Bu ölçüm, antimaddenin bir özelliğinin maddedeki eşdeğer özelliğinden daha kesin olarak ilk kez bilinmesini temsil etmektedir. ⓘ

Antimadde kuantum interferometrisi ilk kez Como'daki (İtalya) R. Ferragut'un L-NESS Laboratuvarında M. Giammarchi liderliğindeki bir grup tarafından gösterilmiştir. ⓘ

Doğal üretim

Pozitronlar, doğal olarak oluşan radyoaktif izotopların (örneğin potasyum-40) β⁺ bozunumlarında ve gama kuantumlarının (radyoaktif çekirdekler tarafından yayılan) madde ile etkileşimlerinde doğal olarak üretilir. Antinötrinolar doğal radyoaktivite (β- bozunumu) tarafından yaratılan bir başka antiparçacık türüdür. Birçok farklı türde antiparçacık da kozmik ışınlar tarafından üretilir (ve bu ışınlarda bulunur). Ocak 2011'de Amerikan Astronomi Topluluğu tarafından yapılan bir araştırmada, fırtına bulutlarının üzerinde ortaya çıkan antimadde (pozitronlar) keşfedilmiştir; pozitronlar, bulutlardaki güçlü elektrik alanları tarafından hızlandırılan elektronlar tarafından yaratılan karasal gama ışını flaşlarında üretilir. Antiprotonların da PAMELA modülü tarafından Dünya etrafındaki Van Allen Kuşaklarında var olduğu bulunmuştur. ⓘ

Yeterince yüksek sıcaklığa (çift üretim eşiğinden daha büyük ortalama parçacık enerjisi) sahip herhangi bir ortamda da antiparçacıklar üretilir. Evrenin aşırı sıcak ve yoğun olduğu baryogenez döneminde, madde ve antimaddenin sürekli olarak üretildiği ve yok olduğu varsayılmaktadır. Kalan maddenin varlığına ve tespit edilebilir kalan antimaddenin yokluğuna baryon asimetrisi denir. Bariyogenez sırasında bu asimetriyi üreten kesin mekanizma hala çözülmemiş bir sorundur. Bu asimetri için gerekli koşullardan biri, zayıf etkileşimde deneysel olarak gözlemlenen CP simetrisinin ihlalidir. ⓘ

Son gözlemler kara deliklerin ve nötron yıldızlarının jetler aracılığıyla büyük miktarlarda pozitron-elektron plazması ürettiğini göstermektedir. ⓘ

Kozmik ışınlarda gözlem

Uydu deneyleri, birincil kozmik ışınlardaki parçacıkların %1'inden daha azını oluşturan pozitronlar ve birkaç antiprotona dair kanıtlar bulmuştur. Bu antimaddenin tamamı Büyük Patlama'da yaratılmış olamaz, bunun yerine yüksek enerjilerdeki döngüsel süreçler tarafından üretildiği düşünülmektedir. Örneğin elektron-pozitron çiftleri pulsarlarda oluşabilir, çünkü mıknatıslanmış bir nötron yıldızı dönüş döngüsü elektron-pozitron çiftlerini yıldız yüzeyinden keser. Burada antimadde, öncü süpernovanın püskürmesi üzerine çarpan bir rüzgar oluşturur. Bu ayrışma, "yıldız tarafından fırlatılan soğuk, manyetize edilmiş relativistik rüzgarın relativistik olarak genişlemeyen ejektaya çarpmasıyla gerçekleşir, çarpışmada bir şok dalgası sistemi oluşur: dıştaki şok ejektada yayılırken, ters şok yıldıza doğru geri yayılır." Dış şok dalgasında maddenin fırlatılması ve ters şok dalgasında antimadde üretimi uzay hava döngüsünün adımlarıdır. ⓘ

Uluslararası Uzay İstasyonu'nda halen çalışmakta olan Alfa Manyetik Spektrometresi'nden (AMS-02) elde edilen ilk sonuçlar, kozmik ışınlardaki pozitronların yönsüz ve 10 GeV ile 250 GeV arasında değişen enerjilerle geldiğini göstermektedir. Eylül 2014'te, neredeyse iki kat daha fazla veri içeren yeni sonuçlar CERN'de yapılan bir konuşmada sunuldu ve Physical Review Letters dergisinde yayınlandı. Pozitron fraksiyonunun 500 GeV'e kadar yeni bir ölçümü rapor edildi ve pozitron fraksiyonunun 275 ± 32 GeV'lik bir enerji civarında toplam elektron+pozitron olaylarının yaklaşık %16'sında maksimuma ulaştığını gösterdi. Daha yüksek enerjilerde, 500 GeV'e kadar, pozitronların elektronlara oranı tekrar düşmeye başlar. Pozitronların mutlak akısı da 500 GeV'den önce düşmeye başlar, ancak yaklaşık 10 GeV'de zirve yapan elektron enerjilerinden çok daha yüksek enerjilerde zirve yapar. Yorumlamaya ilişkin bu sonuçların, büyük karanlık madde parçacıklarının yok olma olaylarındaki pozitron üretiminden kaynaklandığı öne sürülmüştür. ⓘ

Kozmik ışın antiprotonları da normal madde muadillerinden (protonlar) çok daha yüksek bir enerjiye sahiptir. Dünya'ya 2 GeV'lik karakteristik bir maksimum enerji ile ulaşırlar, bu da ortalama olarak sadece altıda bir enerjiye sahip olan kozmik ışın protonlarından temelde farklı bir süreçte üretildiklerini gösterir. ⓘ

Kozmik ışınlarda antihelyum çekirdekleri (yani anti-alfa parçacıkları) gibi daha büyük antimadde çekirdekleri için devam eden bir araştırma vardır. Doğal antihelyumun tespiti, antistar gibi büyük antimadde yapılarının varlığına işaret edebilir. AMS-02'nin AMS-01 olarak adlandırılan bir prototipi, Haziran 1998'de STS-91'de Uzay Mekiği Discovery ile uzaya uçuruldu. Hiç antihelyum tespit edemeyen AMS-01, antihelyum-helyum akı oranı için 1.1×10-6'lık bir üst sınır oluşturmuştur. AMS-02 Aralık 2016'da birkaç milyar helyum çekirdeği arasında antihelyum çekirdekleriyle tutarlı birkaç sinyal keşfettiğini açıkladı. Sonuç doğrulanmayı beklemektedir ve ekip şu anda kontaminasyonu ekarte etmeye çalışmaktadır. ⓘ

Yapay üretim

Pozitronlar

Pozitronların Kasım 2008'de Lawrence Livermore Ulusal Laboratuarı tarafından daha önceki sentetik süreçlerden daha fazla sayıda üretildiği rapor edilmiştir. Bir lazer elektronları altın bir hedefin çekirdeğinden geçirdi ve bu da gelen elektronların hem maddeye hem de antimaddeye bozunan enerji kuantumları yaymasına neden oldu. Pozitronlar daha önce bir laboratuvarda tespit edilenden daha yüksek bir oranda ve yoğunlukta tespit edildi. Önceki deneylerde lazerler ve kağıt inceliğindeki hedefler kullanılarak daha az miktarda pozitron elde edilmişti; yeni simülasyonlar kısa süreli ultra yoğun lazer patlamalarının ve milimetre kalınlığındaki altının çok daha etkili bir kaynak olduğunu gösterdi. ⓘ

Antiprotonlar, antinötronlar ve antinükleuslar

Karşıt proton araştırmaları 1940'larda ve 1950'lerde laboratuvar deneylerinin o zamana kadarki en yüksek enerjili seviyelere çıkmasıyla kızıştı. ⓘ

1930'da, 1939 Nobel Fizik Ödülü sahibi Ernest Orlando Lawrence "siklotron" denen proton gibi bir parçacığı onlarca MeV enerjiye çıkartan parçacık hızlandırıcıyı icat etti. Hemen ardından, karşıt protonun bulunması için harcanan efordan dolayı hızlandırıcılar çağı başlamış oldu. Ve yeni bir bilim dalı olarak parçacık fiziği doğdu. ⓘ

Berkeley'deki Betatron'u 1954 yılında inşa eden yine Lawrence idi (o zamanlar BeV idi, şimdi GeV denilmekte.). Betatron, 2 elektronu karşıt proton üretmek için en uygun yüzey olarak öngörülen 6,2 GeV'luk enerjide çarpıştırabiliyordu. Aynı zamanda başlarında Emilio Segre olan diğer bir fizikçi grubu, karşıt protonları saptamak için yeni bir makine tasarladı ve yaptı. ⓘ

Ekim 1955'te büyük haber New York Times'ın ön sayfasından duyuruluyordu: "Yeni Atom Parçacığı Bulundu, Negatif Proton!" Karşıt protonun keşfiyle Segre ve takımı (O. Chamberlain, C. Wiengand ve T. Ypsilantis) doğanın temel simetrilerinden birinin kanıtında başarılı olmuş oldular: madde ve karşıt madde. ⓘ

Segre ve Chamberlain 1959 Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldüler. Sadece bir yıl sonra, Betatron'da çalışan ikinci takım (B. Cork, O. Piccione, W. Wenzel ve G. Lambertson) karşıt nötronu bulduklarını duyurdular. ⓘ

Antiprotonun varlığı 1955 yılında Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley fizikçileri Emilio Segrè ve Owen Chamberlain tarafından deneysel olarak doğrulanmış ve 1959 Nobel Fizik Ödülü'ne layık görülmüşlerdir. Bir antiproton iki yukarı antikuark ve bir aşağı antikuarktan oluşur (
u

u

d
). Antiprotonun ölçülen tüm özellikleri, protondan zıt elektrik yüküne ve manyetik momente sahip olması dışında, protonun karşılık gelen özellikleriyle eşleşmektedir. Kısa bir süre sonra, 1956'da Bruce Cork ve arkadaşları tarafından Bevatron'da (Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı) proton-proton çarpışmalarında antinötron keşfedildi. ⓘ

Antibaryonlara ek olarak, birden fazla bağlı antiproton ve antinötrondan oluşan anti çekirdekler de yaratılmıştır. Bunlar tipik olarak antimadde atomları (elektronların yerine bağlı pozitronlarla) oluşturmak için çok yüksek enerjilerde üretilir. 1965 yılında Antonino Zichichi liderliğindeki bir grup araştırmacı CERN'deki Proton Sinkrotronunda antidöteryum çekirdeklerinin üretildiğini bildirmiştir. Aşağı yukarı aynı zamanlarda, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndaki Alternatif Gradyan Sinkrotronunda bir grup Amerikalı fizikçi tarafından antidöteryum çekirdeklerinin gözlemleri rapor edildi. ⓘ

Antihidrojen atomları

Antimadde tesisleri ⓘ

Düşük Enerji Antiproton Halkası (1982-1996)
Antiproton Akümülatörü	Antiproton üretimi
Antiproton Toplayıcı	Yavaşlatılmış ve depolanmış antiprotonlar
Antimadde Fabrikası (2000-günümüz)
Antiproton Yavaşlatıcı (AD)	Antiprotonları yavaşlatır
Ekstra Düşük Enerjili Antiproton Halkası (ELENA)	AD'den alınan antiprotonları yavaşlatır

1995 yılında CERN, PS210 deneyi sırasında SLAC/Fermilab konseptini uygulayarak dokuz sıcak antihidrojen atomunu başarıyla var ettiğini duyurdu. Deney Düşük Enerji Antiproton Halkası (LEAR) kullanılarak gerçekleştirildi ve Walter Oelert ve Mario Macri tarafından yönetildi. Fermilab kısa süre sonra kendi tesislerinde yaklaşık 100 antihidrojen atomu üreterek CERN bulgularını doğruladı. PS210 ve sonraki deneyler (hem CERN hem de Fermilab'da) sırasında üretilen antihidrojen atomları son derece enerjikti ve çalışmaya pek uygun değildi. Bu engeli çözmek ve antihidrojeni daha iyi anlamak için 1990'ların sonunda ATHENA ve ATRAP olmak üzere iki işbirliği kuruldu. ⓘ

1999'da CERN, antiprotonları 3500 MeV'den 5,3 MeV'e yavaşlatabilen bir cihaz olan Antiproton Yavaşlatıcıyı devreye soktu - hala çalışma açısından etkili antihidrojen üretmek için çok "sıcak", ancak ileriye doğru büyük bir adım. 2002 yılının sonlarında ATHENA projesi dünyanın ilk "soğuk" antihidrojenini ürettiklerini duyurdu. ATRAP projesi de çok kısa bir süre sonra benzer sonuçlar açıkladı. Bu deneylerde kullanılan antiprotonlar, Antiproton Yavaşlatıcı ile yavaşlatılarak, ince bir folyo tabakasından geçirilerek ve son olarak bir Penning-Malmberg tuzağında yakalanarak soğutuldu. Genel soğutma süreci uygulanabilir, ancak oldukça verimsizdir; yaklaşık 25 milyon antiproton Antiproton Yavaşlatıcıyı terk eder ve kabaca 25.000'i Penning-Malmberg tuzağına ulaşır, bu da orijinal miktarın yaklaşık 1/1000'i veya %0,1'idir. ⓘ

Antiprotonlar ilk tuzaklandıklarında hala sıcaktır. Onları daha da soğutmak için bir elektron plazmasına karıştırılırlar. Bu plazmadaki elektronlar siklotron radyasyonu yoluyla soğur ve ardından antiprotonları Coulomb çarpışmaları yoluyla sempatik olarak soğutur. Sonunda, elektronlar kısa süreli elektrik alanlarının uygulanmasıyla uzaklaştırılır ve geriye 100 meV'den daha düşük enerjili antiprotonlar kalır. Antiprotonlar ilk tuzakta soğutulurken, Surko tarzı bir pozitron akümülatöründe radyoaktif sodyumdan küçük bir pozitron bulutu yakalanır. Bu bulut daha sonra antiprotonların yakınındaki ikinci bir tuzakta yeniden yakalanır. Tuzak elektrotlarının manipülasyonları daha sonra antiprotonları pozitron plazmasına yönlendirir ve burada bazıları antiprotonlarla birleşerek antihidrojen oluşturur. Bu nötr antihidrojen, yüklü pozitronları ve antiprotonları hapsetmek için kullanılan elektrik ve manyetik alanlardan etkilenmez ve birkaç mikrosaniye içinde antihidrojen tuzak duvarlarına çarparak yok olur. Bu şekilde yüz milyonlarca antihidrojen atomu üretilmiştir. ⓘ

2005 yılında ATHENA dağıldı ve eski üyelerden bazıları (diğerleriyle birlikte) yine CERN'de bulunan ALPHA İşbirliği'ni kurdu. Bu çabanın nihai amacı, hidrojen ve antihidrojenin atomik spektrumlarının karşılaştırılması yoluyla CPT simetrisini test etmektir (bkz. hidrojen spektral serisi). ⓘ

2016 yılında ELENA (Extra Low ENergy Antiproton decelerator) adı verilen yeni bir antiproton yavaşlatıcı ve soğutucu inşa edildi. Antiproton yavaşlatıcısından antiprotonları alır ve onları 90 keV'ye kadar soğutur, bu da çalışmak için yeterince "soğuktur". Bu makine yüksek enerji kullanarak ve oda içindeki parçacıkları hızlandırarak çalışır. Saniyede yüzden fazla antiproton yakalanabilir, bu büyük bir gelişme, ancak bir nanogram antimadde yapmak hala birkaç bin yıl alacaktır. ⓘ

Antihidrojenin özelliklerine ilişkin aranan yüksek hassasiyetli testlerin çoğu ancak antihidrojen tuzağa düşürülürse, yani nispeten uzun bir süre yerinde tutulursa gerçekleştirilebilir. Antihidrojen atomları elektriksel olarak nötr olsa da, bileşen parçacıklarının spinleri bir manyetik moment üretir. Bu manyetik momentler homojen olmayan bir manyetik alanla etkileşime girebilir; bazı antihidrojen atomları manyetik bir minimuma çekilebilir. Böyle bir minimum, ayna ve çok kutuplu alanların bir kombinasyonu ile oluşturulabilir. Antihidrojen böyle bir manyetik minimum (minimum-B) tuzağına hapsedilebilir; Kasım 2010'da ALPHA işbirliği 38 antihidrojen atomunu saniyenin yaklaşık altıda biri kadar bir süre için hapsettiklerini duyurdu. Bu, nötr antimaddenin ilk kez tuzağa düşürülmesiydi. ⓘ

26 Nisan 2011'de ALPHA, bazıları 1.000 saniye (yaklaşık 17 dakika) olmak üzere 309 antihidrojen atomunu hapsettiklerini duyurdu. Bu, nötr antimaddenin daha önce hapsedildiğinden daha uzun bir süreydi. ALPHA bu hapsedilmiş atomları antihidrojenin spektral özellikleri üzerine araştırma başlatmak için kullandı. ⓘ

Büyük ölçekli antimadde üretiminde en büyük sınırlayıcı faktör antiprotonların mevcudiyetidir. CERN tarafından yayınlanan son veriler, tesislerinin tam olarak faaliyete geçtiğinde dakikada on milyon antiproton üretme kapasitesine sahip olduğunu belirtmektedir. Antiprotonların %100 oranında antihidrojene dönüştüğü varsayılırsa, 1 gram ya da 1 mol antihidrojen (yaklaşık 6,02×10²³ anti-hidrojen atomu) üretmek 100 milyar yıl alacaktır. Ancak CERN, Fermilab'ın ürettiği anti-maddenin yalnızca %1'ini üretmektedir ve her ikisi de anti-madde üretmek üzere tasarlanmamıştır. Gerald Jackson'a göre, bugün kullanılmakta olan teknolojiyi kullanarak, tesis başına yıllık 670 milyon dolar maliyetle yılda 20 gram anti-madde parçacığı üretebilir ve yakalayabiliriz. ⓘ

Karşıt çekirdek yaptıktan sonraki soru, "Karşıt elektronlar karşıt çekirdekle karşıt maddeyi oluşturacak bağları yapabilir mi?" idi. ⓘ

Cevap oldukça sonra çok özel bir makine, CERN'ün eşsiz Düşük Enerji Karşıt Proton Çemberi (LEAR) sayesinde geldi. Hızlandırıcıların aksine LEAR aslında karşıt protonları yavaşlatıyordu. Fizikçiler bundan sonra bir pozitronu yani karşıt elektronu karşıt protonla bağ kurup gerçek bir karşıt hidrojen, gerçek bir karşıt madde atomu oluşturması için denemelere başladılar. ⓘ

1995'in sonlarına doğru bu şekildeki ilk karşıt atomlar Alman ve İtalyan fizikçilerden oluşan bir takım tarafından CERN'de elde edildi. Sadece 9 karşıt atom üretilmesine karşın, haber tüm dünya gazetelerinin ön sayfasına çıkacak kadar heyecan uyandırıcıydı. ⓘ

Başarı, karşıt hidrojen atomlarının karşıt dünya üzerindeki çalışmalarda, hidrojenin bilim tarihinde son asırda oynadığı role benzer bir rol oynayabileceğini söylüyordu. Hidrojen evrenimizin üç çeyreğini oluşturuyor ve kâinat hakkında bildiklerimizin çoğu sıradan hidrojen hakkındaki araştırmalardan elde edilmişti. ⓘ

Fakat akıllarda bir soru kalmıştı: karşıt hidrojen tamamen sıradan hidrojen gibi mi davranıyor? Bu soruyu cevaplamak için CERN yeni bir deney tesisi yapmaya karar verdi: Karşıt Proton Yavaşlatıcısı. ⓘ

Antihelyum

Antihelyum-3 çekirdekleri (³
O
) ilk olarak 1970'lerde Y. Prockoshkin'in grubu tarafından Yüksek Enerji Fiziği Enstitüsü'nde (Moskova yakınlarındaki Protvino, SSCB) proton-çekirdek çarpışma deneylerinde gözlemlenmiş ve daha sonra çekirdek-çekirdek çarpışma deneylerinde yaratılmıştır. Çekirdek-çekirdek çarpışmaları, bu reaksiyonlarda yaratılan antiproton ve antinötronların birleşmesi yoluyla antinüklei üretir. 2011 yılında STAR dedektörü yapay olarak yaratılan antihelyum-4 çekirdeklerinin (anti-alfa parçacıkları) gözlemlendiğini rapor etmiştir (⁴
O
) bu tür çarpışmalardan kaynaklanır. ⓘ

Uluslararası Uzay İstasyonu'ndaki Alfa Manyetik Spektrometresi 2021 itibariyle antihelyum-3'ün tespit edildiğini gösteren sekiz olay kaydetmiştir. ⓘ

Koruma

Antimadde sıradan maddeden yapılmış bir kapta saklanamaz çünkü antimadde dokunduğu herhangi bir maddeyle reaksiyona girerek kendisini ve kabın eşit bir miktarını yok eder. Yüklü parçacıklar şeklindeki antimadde, Penning tuzağı adı verilen bir cihazda elektrik ve manyetik alanların bir kombinasyonu ile tutulabilir. Ancak bu cihaz, atomik tuzakların kullanıldığı yüksüz parçacıklardan oluşan antimaddeyi içeremez. Özellikle böyle bir tuzak, hapsedilen parçacıkların dipol momentini (elektrik veya manyetik) kullanabilir. Yüksek vakumda, madde veya antimadde parçacıkları bir manyeto-optik tuzak veya manyetik tuzak kullanılarak hafif rezonans dışı lazer radyasyonu ile tuzağa düşürülebilir ve soğutulabilir. Küçük parçacıklar, yüksek derecede odaklanmış bir lazer ışını kullanılarak optik cımbızlarla da askıya alınabilir. ⓘ

2011 yılında CERN bilim insanları antihidrojeni yaklaşık 17 dakika boyunca muhafaza etmeyi başardılar. Antiparçacık saklama rekoru şu anda CERN'deki TRAP deneyine aittir: antiprotonlar bir Penning tuzağında 405 gün boyunca tutulmuştur. 2018'de, daha ileri deneyler için başka bir laboratuvara götürülecek taşınabilir bir cihazda bir milyar anti-protonu içerecek kadar gelişmiş bir muhafaza teknolojisi geliştirmek için bir teklif yapıldı. ⓘ

Maliyet

Bilim adamları antimaddenin üretilmesi en maliyetli madde olduğunu iddia etmektedir. Gerald Smith 2006'da 250 milyon dolarla 10 miligram pozitron üretilebileceğini tahmin etmiştir (gram başına 25 milyar dolara eşdeğer); 1999'da NASA bir gram antihidrojen için 62,5 trilyon dolarlık bir rakam vermiştir. Bunun nedeni üretimin zor olması (parçacık hızlandırıcılarındaki reaksiyonlarda çok az antiproton üretilir) ve parçacık hızlandırıcılarının diğer kullanımlarına olan talebin daha yüksek olmasıdır. CERN'e göre, bir gramın yaklaşık 1 milyarda birini (parçacık/antiparçacık çarpışmaları için şimdiye kadar kullanılan miktar) üretmek birkaç yüz milyon İsviçre frangına mal olmuştur. Karşılaştırma yapmak gerekirse, ilk atom silahını üretmek için Manhattan Projesinin maliyeti 2007 yılındaki enflasyonla birlikte 23 milyar dolar olarak hesaplanmıştır. ⓘ

NASA İleri Kavramlar Enstitüsü tarafından finanse edilen bazı çalışmalar, Dünya'nın Van Allen kuşağında ve nihayetinde Jüpiter gibi gaz devlerinin kuşaklarında doğal olarak oluşan antimaddeyi toplamak için manyetik kepçeler kullanmanın mümkün olup olamayacağını araştırmaktadır. ⓘ

Kullanım Alanları

Tıbbi

Madde-antimadde reaksiyonları, pozitron emisyon tomografisi (PET) gibi tıbbi görüntülemede pratik uygulamalara sahiptir. Pozitif beta bozunumunda, bir nüklit bir pozitron yayarak fazla pozitif yükünü kaybeder (aynı olayda bir proton nötrona dönüşür ve bir nötrino da yayılır). Fazla pozitif yüke sahip nüklidler bir siklotronda kolayca üretilir ve tıbbi kullanım için yaygın olarak üretilir. Antiprotonların da laboratuvar deneylerinde, şu anda iyon (proton) terapisi için kullanılan benzer bir yöntemle bazı kanserleri tedavi etme potansiyeline sahip olduğu gösterilmiştir. ⓘ

Yakıt

İzole edilmiş ve depolanmış antimadde, antimadde katalizli nükleer darbe tahrikinin veya başka bir antimadde roketinin bir parçası olarak gezegenler arası veya yıldızlar arası seyahat için yakıt olarak kullanılabilir. Antimaddenin enerji yoğunluğu geleneksel yakıtlardan daha yüksek olduğundan, antimadde yakıtlı bir uzay aracı geleneksel bir uzay aracından daha yüksek bir itme/ağırlık oranına sahip olacaktır. ⓘ

Madde-antimadde çarpışmaları sadece foton emisyonu ile sonuçlansaydı, parçacıkların kalan kütlelerinin tamamı kinetik enerjiye dönüştürülürdü. Birim kütle başına enerji (9×10¹⁶ J/kg) kimyasal enerjilerden yaklaşık 10 kat daha büyüktür ve günümüzde nükleer fisyon kullanılarak açığa çıkarılabilen nükleer potansiyel enerjiden (fisyon reaksiyonu başına yaklaşık 200 MeV veya 8×10¹³ J/kg) yaklaşık 3 kat daha büyüktür ve füzyondan beklenen olası en iyi sonuçlardan (proton-proton zinciri için yaklaşık 6,3×10¹⁴ J/kg) yaklaşık 2 kat daha büyüktür. 1 kg antimaddenin 1 kg madde ile reaksiyonu 1.8×10¹⁷ J (180 petajul) enerji (kütle-enerji eşdeğerliği formülüne göre, E=mc²) ya da 43 megaton TNT'nin kabaca eşdeğeri - şimdiye kadar patlatılan en büyük termonükleer silah olan 27,000 kg'lık Çar Bomba'nın veriminden biraz daha az - üretecektir. ⓘ

Bu enerjinin tamamı, yok olma ürünlerinin doğası gereği herhangi bir gerçekçi tahrik teknolojisi tarafından kullanılamaz. Elektron-pozitron reaksiyonları gama ışını fotonlarıyla sonuçlansa da, bunların yönlendirilmesi ve itme için kullanılması zordur. Protonlar ve antiprotonlar arasındaki reaksiyonlarda, enerjileri büyük ölçüde rölativistik nötr ve yüklü pionlara dönüşür. Nötr pionlar neredeyse anında (85 attosaniye ömürle) yüksek enerjili fotonlara bozunur, ancak yüklü pionlar daha yavaş bozunur (26 nanosaniye ömürle) ve itme gücü üretmek için manyetik olarak saptırılabilir. ⓘ

Yüklü pionlar nihayetinde nötrinoların (yüklü pionların enerjisinin yaklaşık %22'sini taşır) ve kararsız yüklü müonların (yüklü pion enerjisinin yaklaşık %78'ini taşır) bir kombinasyonuna bozunur, müonlar daha sonra elektron, pozitron ve nötrinoların bir kombinasyonuna bozunur (bkz. müon bozunumu; bu bozunumdan kaynaklanan nötrinolar müonların enerjisinin yaklaşık 2/3'ünü taşır, yani orijinal yüklü pionlardan, enerjilerinin bir yolla nötrinolara dönüştürülen toplam oranı yaklaşık 0.22 + (2/3)⋅0.78 = 0.74 olacaktır). ⓘ

Silahlar

Antimadde nükleer silahlar için bir tetikleme mekanizması olarak düşünülmüştür. Yeterince büyük miktarlarda antimadde üretmenin zorluğu büyük bir engeldir ve bunun hiçbir zaman mümkün olacağına dair bir kanıt yoktur. Bununla birlikte, ABD Hava Kuvvetleri Soğuk Savaş döneminde antimadde fiziği üzerine yapılan çalışmaları finanse etmiş ve sadece tetikleyici olarak değil, patlayıcının kendisi olarak da silahlarda kullanılabileceğini düşünmeye başlamıştır. ⓘ

Tarihçe

1928: Başlangıç

Karşıt madde tarihi Paul Dirac adlı genç bir fizikçinin matematiksel denkleminin garip çıkarımıyla başlar. ⓘ

20. yüzyılın başlarında iki önemli teori olan kuantum mekaniği ve görelilik kuramı fiziği temellerinden sarsıyordu. 1905 yılında Albert Einstein'ın meydana çıkardığı özel görelilik kuramı uzay-zaman ve kütle-enerji arasındaki ilişkiyi açıklıyordu. Bu sırada yapılan deneyler ışığın bazen dalga, bazen de küçük parçacık akımları hâlinde davrandığını gösteriyordu. Max Planck'ın önerdiği teoriye göre ışık dalgaları "kuanta" adı verilen küçük paketçikler hâlinde yayılıyordu, bu ışığın hem dalga hem parçacık hâlinde yayılması anlamına geliyordu. ⓘ

1920'lerde fizikçiler atom ve bileşenlerine aynı kavramı uygulamaya çalışıyorlardı. 1920'lerin sonunda Erwin Schrödinger ve Werner Heisenberg yeni kuantum teorisini keşfettiler. Bundaki tek sorun teorinin görecelik teorisine uygulanabilir olmayışı yani sadece yavaş hızlardaki parçacıklar için geçerli olup ışık hızına yakın hareket edenler için sonuç vermemesiydi. ⓘ

1928'de Paul Dirac problemi çözdü. Elektron davranışını tanımlamak için özel göreliliği ve kuantum teorisini bir araya getiren bir denklem yazdı. Dirac'ın denklemi, ona 1933 Nobel Fizik Ödülü'nü getirdi, aynı zamanda başka bir problem yarattı: x²=4 denkleminin iki çözümü olduğu gibi (x= -2, x=2), Dirac denkleminin de biri pozitif enerjili diğeri negatif enerjili elektronlar için olmak üzere iki çözümü vardı. Fakat klasik fiziğe göre bir parçacığın enerjisi daima pozitif bir sayı olmalıydı. ⓘ

Dirac bunun, her parçacığın kendisiyle tıpatıp aynı ama yükü zıt olan bir karşıt parçacığı olacağı anlamına geleceğini açıkladı. Örneğin elektron için her yönüyle aynı ama pozitif yük içeren bir karşıt elektron olmalıydı. Nobel konferansında karşıt maddeden oluşan tamamen yeni bir evrenin varlığını kurgulamıştı. ⓘ

1930: Doğanın yardım eli

1930'da gizemli karşıt parçacık avı başladı. O yüzyılın daha öncesinde, 1936 Nobel Fizik Ödülü sahibi Victor Hess yüksek enerjili parçacıkların bir kaynağını keşfetmişti: kozmik ışınlar. Kozmik ışınlar, dış uzaydan gelen çok yüksek enerjili parçacıklardır. Dünya atmosferine çarptıklarında muazzam bir düşük enerjili parçacık sağanağı yaratırlar ki bunun fizikçiler için çok kullanışlı olduğu ispatlanmıştır. ⓘ

1932'de Carl Anderson ve CalTech'ten genç bir profesör, kozmik parçacık sağanağı hakkında çalışırken, pozitif yüklü ve elektronla aynı kütleli bir parçacığın bıraktığı izi gördü. Bir yıllık çalışma ve gözlemler sonucu, izlerin gerçekten karşıt elektron olduğuna ve her birinin kozmik ışınların etkisiyle kendi yanına bir elektron ürettiklerine karar verdi. Karşıt elektronlara pozitif yüklerinden dolayı "pozitron" adını verdi. Doğrulama kısa bir süre içinde Occhialini ve Blackett'ten geldi, böylece bu çalışma Anderson'a 1936 Nobel Fizik Ödülü'nü getirdi ve Dirac'ın öngörüsü doğrulanmış oldu. ⓘ

Uzun yıllar kozmik ışınlar, yüksek enerjili parçacıkların tek kaynağı olarak kaldılar. Keşiflerin akışı durmadı ama beklenen karşıt parçacığın, karşıt protonun keşfi için fizikçiler 22 yıl beklemek zorunda kaldılar. ⓘ

Hızlandırıcılar çağı

Öncü makineler

Ernest Lawrance'ın siklotronu icadından sonra fizikçilerin maddenin yapısında derinlere inmeleri için hızlandırıcıların en iyi yol olduğu anlaşılmış oldu. ⓘ

Hemen sonra ABD yolu gösterdi. Böylesi makineler herhangi bir Avrupa ülkesinin tek başına yapması için çok büyük ve pahalıydı. Fakat 1954'te Avrupalı fizikçiler Cenevre'de merkezî bir laboratuvar kurmaya karar verdiler ve böylece CERN kurulmuş oldu. Bu tarihten sonra CERN yüksek enerji fiziğindeki teknik ve bilimsel gelişmelerde başrolü oynamaya başladı. ⓘ

Protonları ve elektronları onlarca MeV enerjilere hızlandıran ilk tek mıknatıslı siklotronlardan ve betatronlardan sonra, yeni simit şekilli ("doughnut-shaped") iki türlü parçacığı da GeV'luk enerjilere hızlandırabilen senkrotronlar geliştirildi. 1950'lerden itibaren yeni odaklama teknikleriyle makineler 30 GeV'luk hâle getirildi. ⓘ

1970'lerin başlarına kadar maddenin yapısı hakkındaki araştırmalarda birkaç önemli adım daha atıldı. Bulunan yeni parçacıkların sayısı çığ gibi arttı, tabii bu CERN'deki 28 GeV Proton Synchrotron'un, Brookhaven'daki 33 GeV Alternating Gradient Synchrotron'un ve yeni ve etkili parçacık dedektörü "bubble chamber"ın (kabarcık odası) başarılı bütünleşmeleri sayesinde elde edildi. ⓘ

Çarpıştırıcılar

Büyük hızlandırıcılar macerasının başlamasından hemen sonra fizikçiler fark ettiler ki hızlandırılmış bir parçacık demeti sabit bir hedefe çarptığında, enerjinin çoğu hedefin geri tepmesinde harcanıyor ki asıl amaç olan parçacık çalışmaları ve parçacıkların etkileşim araştırmaları için geriye sadece küçük bir yüzde kalıyor. Bunun yerine eğer iki parçacık demeti birbiriyle kafa kafaya çarpıştırılırsa geri tepme için hiç enerji harcanmayacak, tüm enerji deneye kalacaktı. ⓘ

Diğer laboratuvarlar elektronları çarpıştırmaya yoğunlaşırlarken, CERN protonlar üstünde çalışıyordu. Fikre göre, protonlar PS'den alınıp yeni bir makinenin birbirine bağlı iki çemberinde hızlandırılıp çarpışmalarını sağlamaktı. Yeni makinenin adı The 31+31 GeV Intersecting Storage Rings idi ve birçok teknolojik zorluğun üstesinden geldikten sonra ilk proton-proton çarpışması 1971 yılında gerçekleşti. ⓘ

Aynı zamanda parçacık detektörleri de yeni gelişmeler göstermekteydi ve eski "bubble-chamber" yerini daha çok sayıda ve büyüklükte etkileşimleri gösteren daha hızlı ve teknolojik aletlere bıraktı. Fakat ana gelişmelerden biri ancak 1980'lerde gerçekleşti: etkili soğutma teknikleriyle karşıt maddenin oyuna girmesi sağlandı ve hemen oyuna hâkim bir pozisyon kazandı. ⓘ

İki paralel yol, hızlandırıcıların gelişmesinde etkili oldu. Biri fizikçilerin maddenin temel bileşenlerini öğrenme hakkındaki meraklarını gidermekte karşıt parçacıkları kullanmaya devam ederek bizi yüksek enerji bilgilerimizin sınırlarının ötesine taşımasıydı. Diğeri ise karşıt parçacıkların çalışmanın ana konusu hâline gelmesiyle düşük enerjilere yavaşlatılması ve karşıt maddenin özelliklerinin keşfi için izole edilmesiydi. ⓘ

Doğal oluşum

Amerika Astronomi Cemiyeti'nin son araştırmalarına göre fırtınaların üzerinde karşıt madde oluşmakta. Şans eseri Fermi uzay teleskobuyla gözlemlenen bulgu karşıt maddenin ilk kez doğal yolla oluşabileceğini ortaya çıkarttı. ⓘ