Bir teoriye göre eğer iki fotonu yeterince sert bir şekilde çarparsanız, madde üretebilirsiniz: bir elektron-pozitron çifti. Yani Einstein’ın özel görelilik teorisine göre ışığın kütleye dönüşümü. 1934’te Gregory Breit ve John A. Wheeler tarafından ortaya atıldığından dolayı bu süreç Breit-Wheeler süreci olarak adlandırılmaktadır ve işe yarayacağına inanmak için geçerli nedenlerimiz mevcuttur.
Ancak şimdiye kadar yalnızca iki fotonu içeren saf olgunun doğrudan gözlemlenmesi biraz zor olmuştur. Çünkü fotonların aşırı enerjik olması gerekir (gama ışınları gibi) ve henüz bir gama ışını lazeri inşa edecek teknolojiye sahip değiliz.
Şimdilerde ise Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndan fizikçiler, tesisin Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı’nı (RHIC) kullanarak bu engeli aşmanın bir yolunu bulduklarını söylüyorlar; bu da Breit-Wheeler sürecinin doğrudan gözlemlenmesiyle sonuçlanıyor.
Brookhaven Laboratuarı’ndan fizikçi Zhangbu Xu, “Breit ve Wheeler, bunu yapmanın neredeyse imkansız olduğunu zaten fark etmişlerdi” dedi.
“Lazerler söz konusu bile değildi. Ama Breit ve Wheeler bir alternatif önerdiler: ağır iyonları hızlandırmak. Ve bu alternatif tam olarak bizim RHIC’de yaptığımız şeydir.”
Peki hızlandırılmış iyonların foton çarpışmalarıyla ne ilgisi var?
Çarpıştırıcının adından da anlaşılacağı gibi bu süreç hızlanan iyonları, yani elektronlarından sıyrılmış atom çekirdeklerini içerir. Elektronların negatif yükü ve çekirdek içindeki protonların pozitif yükü olduğundan, onu sıyırmak çekirdeği pozitif bir yük ile bırakır. Element ne kadar ağırsa o kadar fazla protona sahip olur ve ortaya çıkan iyonun pozitif yükü o kadar güçlü olur.
Ekip, 79 proton ve güçlü bir yük içeren altın iyonları kullandı. Altındaki iyonlar çok yüksek hızlara çıkarıldığında çarpıştırıcıdaki dikey elektrik alanı kadar güçlü olabilen dairesel bir manyetik alan oluştururlar. Kesiştikleri yerde bu manyetik alanlar elektromanyetik parçacıklar veya fotonlar üretebilir.
Xu, “Yani, iyonlar ışık hızına yakın hareket ederken, altının çekirdeğini çevreleyen ve onunla bir bulut gibi seyahat eden bir grup foton var” dedi.
Burada iyonlar, ışık hızının önemli bir kısmını oluşturan göreli harekete göre hızlandırılır. Bu deneyde, altındaki iyonlar ışık hızının %99,995’i kadar hızlandırıldı.
Sihrin gerçekleştiği yer burasıdır: İki iyon birbirini ıskaladığında, bu iki iyonun foton bulutu etkileşime girebilir ve çarpışabilir. Çarpışmaların kendileri tespit edilemez, ancak ortaya çıkan elektron-pozitron çiftleri tespit edilebilir. Ancak sadece bir elektron-pozitron çiftini tespit etmek de yeterli olmaz.
Bunun nedeni, elektromanyetik etkileşim tarafından üretilen fotonların sanal fotonlar olmalarıdır. Yani kısa bir süreliğine var olup yok olmaları ve ‘gerçek’ karşılıklarıyla aynı kütleye sahip olmamalarıdır. Bir Breit-Wheeler süreci yaratmak için iki gerçek fotonun çarpışması gerekir; iki sanal foton, bir sanal ve bir gerçek foton değil.
İyonların göreli hareketlerinde sanal parçacıklar gerçek fotonlar gibi davranabilir. Neyse ki, fizikçilerin hangi elektron-pozitron çiftlerinin gerçek olduğunu söyleyebilmelerinin bir yolu var: çarpışma tarafından oluşturulan çiftteki elektron ve pozitron arasındaki açılar.
Her çarpışma türü (sanal-sanal, sanal-gerçek ve gerçek-gerçek) üretilen iki parçacık arasındaki açıya göre tanımlanabilir. Böylece araştırmacılar, deneyleri sırasında üretilen 6.000’den fazla elektron-pozitron çiftinin açılarını tespit etti ve karşılaştırdı.
Gerçek fotonlar arasındaki çarpışmalarda açıların tutarlı olduğunu buldular.
Brookhaven Laboratuarı’ndan fizikçi Daniel Brandenburg, “Sistemlerin tüm enerjisini, kütle dağılımlarını ve kuantum sayılarını da ölçtük ve bütün teorik hesaplamaların tutarlı olduğunu gördük” dedi.
“Sonuçlarımız, Breit ve Wheeler tarafından da tahmin edildiği gibi, ışık çarpışmalarından madde-antimadde çiftlerinin doğrudan ve tek adımlı yaratılmasının kanıtıdır.”
Breit-Wheeler sürecinde gama ışınlarının enerjisine yaklaşan fotonlarla çarpışana kadar, tek ve yalın bir foton-foton çarpışmasına sahip olamayacağımız argümanı çok makul bir şekilde yapılabilir.
Yapılan bu ilgi çekici çalışma en azından Breit ve Wheeler’ın önünü açtığı yolda boşa kürek çekmediğimizi gösteriyor.
Araştırma, Physical Review Letters akademik dergisinde yayınlandı.
Eylül Ustaoğlu
