1928–1995 Başlangıc

Karşıt maddenin tarihi Paul Dirac adlı genc bir fizikcinin matematiksel denkleminin garip cıkarımıyla başlar.
20. yuzyılın başlarında 2 onemli teori olan kuantum mekaniği ve gorecelik teorileri fiziği temellerinden sarsıyordu. 1905 yılında Albert Einstein'ın meydana cıkardığı ozel gorecelik teorisi uzay-zaman ve kutle-enerji arasındaki ilişkiyi acıklıyordu. Bu sırada yapılan deneyler ışığın bazen dalga; bazen de kucuk parcacık akımları halinde davrandığını gosteriyordu. Max Planck'ın onerdiği teoriye gore ışık dalgaları "kuanta" adı verilen kucuk paketcikler halinde yayılıyordu, bu ışığın hem dalga hem parcacık halinde yayılması anl***** geliyordu.
1920'lerde fizikciler atom ve bileşenlerine aynı kavramı uygulamaya calışıyorlardı. 1920'lerin sonunda Erwin Schrodinger ve Werner Heisenberg yeni kuantum teorisini keşfettiler. Bundaki tek sorun teorinin gorecelik teorisine uygulanabilir olmayışı yani sadece yavaş hızlardaki parcacıklar icin gecerli olup ışık hızına yakın hareket edenler icin sonuc vermemesiydi.
1928'de Paul Dirac problemi cozdu: elektron davranışını tanımlamak icin ozel goreliliği ve kuantum teorisini bir araya getiren bir denklem yazdı. Dirac denklemi, ona 1933 Nobel Odulunu getirdi, aynı zamanda başka bir problem yarattı: x2=4 denkleminin 2 cozumu olduğu gibi (x= -2, x=2), Dirac denkleminin de biri pozitif enerjili diğeri negatif enerjili elektronlar icin olmak uzere 2 cozumu vardı. Fakat klasik fiziğe ( ve sağduyuya) gore bir parcacığın enerjisi daima pozitif bir sayı olmalıydı!
Dirac bunun, her parcacığın kendisiyle tıpatıp aynı ama yuku zıt olan bir karşıt-parcacığı olacağı anl***** geleceğini acıkladı. Mesela elektron icin her yonuyle aynı ama pozitif yuk iceren bir karşıt-elektron olmalıydı. Nobel konferansında karşıt maddeden oluşan tamamen yeni bir evrenin varlığını kurgulamıştı.
1930 - Doğanın Yardım Eli

1930'da gizemli karşıt parcacık avı başladı. O yuzyılın daha oncesinde, Victor Hess (1936 Nobel Odulu sahibi) yuksek enerjili parcacıkların bir kaynağını keşfetmişti: kozmik ışınlar. Kozmik ışınlar, dış uzaydan gelen cok yuksek enerjili parcacıklardır. Dunya atmosferine carptıklarında muazzam bir duşuk enerjili parcacık sağanağı yaratırlar ki bunun fizikciler icin cok kullanışlı olduğu ispatlanmıştır.
1932'de Carl Anderson, CalTech'ten genc bir profesor, kozmik parcacık sağanağı hakkında calışırken, pozitif yuklu ve elektronla aynı kutleli bir parcacığın bıraktığı izi gordu. Bir yıllık calışma ve gozlemler sonucu, izlerin gercekten karşıt elektron olduğuna ve her birinin kozmik ışınların etkisiyle kendi yanına bir elektron urettiklerine karar verdi. Karşıt elektronlara pozitif yuklerinden dolayı "pozitron" adını verdi. Doğrulama kısa bir sure icinde Occhialini ve Blackett'ten geldi, boylece bu calışma Anderson'a 1936 Nobel Odulunu getirdi ve Dirac'ın ongorusu doğrulanmış oldu.
Uzun yıllar kozmik ışınlar, yuksek enerjili parcacıkların tek kaynağı olarak kaldılar. Keşiflerin akışı durmadı ama beklenen karşıt parcacığın, karşıt protonun keşfi icin fizikciler 22 yıl beklemek zorunda kaldılar.
1954 - Guc Aracları

Karşıt proton araştırmaları 1940larda ve 50lerde laboratuar deneylerinin o zamana kadar ki en yuksek enerjili seviyelere cıkmasıyla kızıştı.
1930'da, Ernest Lawrance (1939 Nobel Odulu sahibi) siklotron denen proton gibi bir parcacığı onlarca MeV enerjiye cıkartan parcacık hızlandırıcıyı icat etti. Hemen ardından, karşıt-protonun bulunması icin harcanan efordan dolayı hızlandırıcılar cağı başlamış oldu. Ve yeni bir bilim dalı olarak yuksek enerji fiziği doğdu.
California, Berkeley'deki Betatron’u 1954 yılında inşa eden yine Lawrence idi (o zamanlar BeV idi, şimdi GeV diyoruz). Betatron, 2 elektronu karşıt proton uretmek icin en uygun yuzey olarak ongorulen 6,2 GeVluk enerjide carpıştırabiliyordu. Aynı zamanda başlarında Emilio Segre olan diğer bir fizikci grubu karşıt protonları saptamak icin yeni bir makine tasarladılar ve yaptılar.
Ekim 1955'de buyuk haber New York Times'ın on sayfasından duyuruluyordu: "Yeni Atom Parcacığı 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 Odulune layık gorulduler. Sadece bir yıl sonra, Betatronda calışan ikinici takım (B. Cork, O. Piccione, W. Wenzel ve G. Lambertson) karşıt notronu bulduklarını duyurdular.
1965 - Karşıt Cekirdek

O zamana kadar atomu oluşturan 3 parcacığının da birer karşıt parcacığı olduğu biliniyordu. Yani, eğer parcacıklar atomda birbirlerine bağlanıp maddenin en kucuk yapı birimini Cevap 1965te karşıt doteryumun (ağır hidrojen), bir karşıt madde cekirdeğinin bir karşıt proton ve bir karşıt notrondan oluşmuş hali (tıpkı doteryumun bir proton ve bir notrondan oluşması gibi), bulunmasıyla geldi. Hedef, eşzamanlı olarak iki takım tarafından vurulmuştu: biri Antonino Zichichi onderliğinde CERN'deki Proton Synchrotron'u kullanmışlardı, diğerleri ise Leon Lederman başkanlığında New York'taki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nın Alternating Gradient Synchrotron (AGS) hızlandırıcısını kullanarak başarmışlardı.
1995 - Karşıt Parcacıktan Karşıt Maddeye

Karşıt cekirdek yaptıktan sonraki soru, karşıt elektronlar karşıt cekirdekle karşıt maddeyi oluşturacak bağları yapabilir miydi?
Cevap baya sonra, cok ozel bir makine, CERN'nin eşsiz Duşuk Enerji Karşıt Proton Cemberi (Low Energy Anti proton Ring (LEAR)) sayesinde geldi. Hızlandırıcıların aksine LEAR aslında karşıt protonları "yavaşlatıyordu". Fizikciler bundan sonra bir pozitronu (yani karşıt elektronu) karşıt protonla bağ kurup gercek bir karşıt hidrojen, gercek bir karşıt madde atomu oluşturması icin denemelere başladılar.
1995'in sonlarına doğru bu şekildeki ilk karşıt atomlar Alman ve İtalyan fizikcilerden oluşan bir takım tarafından CERNde elde edildi. Sadece 9 karşıt atom uretilmesine karşı, haber tum dunya gazetelerinin on sayfasına cıkacak kadar heyecan uyandırıcıydı.
Başarı, karşıt hidrojen atomlarının karşıt dunya uzerindeki calışmalarda, hidrojenin bilim tarihinde son asırda oynadığını role benzer bir rol oynayabileceğini soyluyordu. Hidrojen evrenimizin 3 ceyreğini oluşturuyor ve kainat hakkında bildiklerimizin coğu sıradan hidrojen hakkındaki araştırmalardan elde edilmişti. Fakat karşıt hidrojen tamamen sıradan hidrojen gibi mi davranıyor? Bu soruyu cevaplamak icin CERN yeni bir deney tesisi yapmaya karar verdi: Karşıt-proton Yavaşlatıcısı ( the Antiproton Decelerator (AD) ).
Hızlandırıcılar Cağı

Oncu Makineler

Ernest Lawrance'ın kiklotronu icadından sonra fizikcilerin maddenin yapısında derinlere inmeleri icin hızlandırıcıların en iyi yol olduğu anlaşılmış oldu.
Hemen sonra ABD yolu gosterdi: boylesi makineler herhangi bir Avrupa ulkesinin tek başına yapması icin cok buyuk ve pahalıydı. Fakat 1954te Avrupalı fizikciler İsvicre Cenova'da merkezi bir laboratuar kurmaya karar verdiler ve boylece CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) kurulmuş oldu. Bu tarihten sonra CERN yuksek enerji fiziğindeki teknik ve bilimsel gelişmelerde başrolu oynamaya başladı.
Protonları ve elektronları onlarca MeV enerjilere hızlandıran ilk tek mıknatıslı siklotronlardan ve betatronlardan sonra, yeni simit şekilli ("doughnut-shaped") iki turlu parcacığı da GeVluk enerjilere hızlandırabilen senkrotronlar geliştirildi. 1950lerden itibaren yeni odaklama teknikleriyle makineler 30 GeVluk hale getirildi. 1970lerin başlarına kadar maddenin yapısı hakkındaki araştırmalarda birkac onemli adım daha atıldı. Bulunan yeni parcacıkların sayısı cığ gibi arttı, tabii bundaki katkıları icin CERNdeki 28 GeV Proton Synchrotron (PS)un, Brookhavendaki 33 GeV Alternating Gradient Synchrotron (AGS)un ve yeni ve etkili parcacık detektoru "bubble chamber"in (kabarcık odası) başarılı butunleşmelerine teşekkur borcluyuz.
Carpıştırıcılar

Buyuk hızlandırıcılar macerasının başlamasından hemen sonra fizikciler fark ettiler ki hızlandırılmış bir parcacık demeti sabit bir hedefe carptığında, enerjinin coğu hedefin geri tepmesinde harcanıyor ki asıl amac olan parcacık calışmaları ve parcacıkların etkileşim araştırmaları icin geriye sadece kucuk bir yuzde kalıyor. Bunun yerine eğer iki parcacık demeti birbiriyle kafa kafaya carpıştırılırsa geri tepme icin hic enerji harcanmayacak, tum enerji deneye kalacaktı - 2 hızlanmış arabanın kafa kafaya carpmasındaki yıkımla birinin durgun olduğundaki arasındaki farkı duşunun.
Diğer laboratuarlar elektronları carpıştırmaya yoğunlaşırlarken, CERN protonlar ustunde calışıyordu. Fikre gore, protonlar PSden alınıp, yeni bir makinenin birbirine bağlı iki cemberinde hızlandırılıp carpışmalarını sağlamaktı. Yeni makinenin adı "The 31+31 GeV Intersecting Storage Rings (ISR)"dı ve bircok teknolojik zorluğun ustesinden geldikten sonra ilk proton-proton carpışması 1971 yılında gercekleşti.
Aynı zamanda parcacık detektorleri de yeni gelişmeler gostermekteydi ve eski "bublle chamber" yerini daha cok sayıda ve buyuklukte etkileşimleri gosteren daha hızlı ve teknolojik aletlere bıraktı. Fakat ana gelişmelerden biri ancak 1980lerde gercekleşti: etkili soğutma teknikleriyle karşıt maddenin oyuna girmesi sağlandı ve hemen oyuna hÂkim bir pozisyon kazandı.
İki paralel yol hızlandırıcıların gelişmesinde etkili oldu; biri, fizikcilerin maddenin temel bileşenlerini oğrenme hakkındaki meraklarını gidermekte karşıt parcacıkları kullanmaya devam ederek bizi yuksek enerji bilgilerimizin sınırlarının otesine taşımasıydı. Diğeri ise karşıt parcacıkların calışmanın ana konusu haline gelmesiyle duşuk enerjilere yavaşlatılması ve karşıt maddenin ozelliklerinin keşfi icin izole edilmesiydi.
Yuksek Enerji Onculeri

İlk once, 1960larda elektron-pozitron carpışmasıyla gundeme geldiler. Anderson'ın pozitronu keşfinden sonra, fizikciler nasıl yuksek sayıda pozitron elde edebileceklerini oğrenmiş oldular (radyasyonun madde ile etkileşimi aynı zamanlı olarak elektron ve pozitron ortaya cıkartır). ABD'de ve Avrupa'da birkac carpıştırıcı yapıldı ve bunlar sayesinde maddenin ve evrenin temel doğası hakkında bircok onemli keşfe imza atıldı.

İlk elektron-pozitron carpıştırıcısı Bruno Touschek tarafından Frascati (Roma) da 1960 yılında tamamlanan "Anello d'Accumulazione" (AdA) idi. İclerindeki en buyuk makine olan CERN'nin Large Elektron Pozitron (LEP), 1989 yazında 91,2 GeVluk carpıştırma enerjisiyle calışmaya başlamıştı. Emeklilik yılı 2000de muazzam bir carpıştırma enerjisi olan 204 GeV'a ulaşmıştı. LEP cemberinin etrafındaki detektorler buyuk kesinliklerdeki deneyler ve testler gercekleştirip, parcacıklar ve etkileşimleri hakkındaki bilgilerimizi cok oteye taşıdılar.
Aslında LEP, yapılmış en buyuk dairesel elektron-pozitron carpıştırıcı olarak kalacaktır: elektronların bir ozelliği olan "senkrotron radyasyonu", elektronları daha buyuk dairesel carpıştırıcılarda daha yuksek enerji seviyelerinde hızlandırılmasını imkÂnsız kılıyor. Fakat yeni nesil elektron-pozitron carpıştırıcılarının planı hazır: elektronların ve pozitronları duzgun bir cizgisel yol uzerinden kilometrelerce hızlandıktan sonra kafa kafaya carpışacağı "doğrusal carpıştırıcılar.
Proton - karşıt proton carpıştırıcıları buyuk zorluklar sunsa da elektron-pozitron carpıştırıcılarının calışmalarında ve keşiflerinde tamamlayıcı rol oynamışlardır. Bir karşıt proton bir karşıt elektrondan 2000 kat daha buyuk kutleye sahip olduğu icin yaratılmaları cok daha buyuk enerji gerekiyor. Ayrıca karşıt protonları bir araya getirmek ve carpıştırıcıda karşıt proton demetini dolaştıracak uzunlukta depolamak daha zordur.
Ancak, 1980lerin başında Simon van der Meer CERN'de "stokastik soğutma" yonetimini geliştirmesiyle karşıt proton demetlerini biriktirmek, yoğunlaştırmak ve kontrol etmek olası hale geldi. CERN'nin Super Proton Synchrotron (SPS) makinesi 300 GeV proton - karşıt proton carpıştırıcısı haline geldi ve 1983'deki Carlo Rubbia başkanlığındaki UA1 deney takımı SPSde W bozonu ve Z bozonu adı verilen iki yeni parcacık gorduler. Fizikciler uzun yıllar boyunca bu 2 parcacığın varlığından şuphe etmişlerdi ve bu buyuk keşif Rubbia'ya ve van der Meer'e 1984 Nobel Fizik odulunu getirdi.
Bugun, en buyuk proton - karşıt proton carpıştırıcısı FermiLab, Chicago bulunmakta. 1.8 TeV carpışma enerjisiyle (1800 GeV) Tevatron, 1995'te yukarı kuarkı bulmasıyla haber olmuştu.
Ve dahası var. 1990ların başından beri CERN, LEP ile yeraltı tunelinde yer değiştirecek ve 2 protonu bir rekor olan 14 TeV enerjide carpıştıracak Large Hadron Collider (LHC) icin hazırlanıyor.
Ama neden proton - karşıt proton carpışması değil, proton - proton? 14 TeV gibi yuksek enerjilerde proton - proton carpışmasıyla proton - karşıt proton carpışması oldukca benzer gorunuyor. Ve hala proton demetleri oluşturmak karşıt protonlardan cok daha kolay, boylece fizikciler, iki cok yoğun proton demeti kullanarak carpışma oranını maksimuma cıkarmayı sectiler.
LHC şu anda CERN'de yapım aşamasında ve dort deney --ATLAS, CMS, LHCb ve ALICE - şimdiden planlanmış durumda.
Duşuk Enerji Onculeri

Soğutma tekniğinin bulunmasıyla, mevcut karşıt madde parcacık fiziğinde onemli bir arac haline geldi. Karşıt madde uretilmesinin, biriktirilmesinin ve toplanmasının farklı basamaklarını kontrol etmek icin makineler yapıldı. Gelişme aşamasının ilk zamanları olmasına rağmen bircok laboratuarın hedefi yuksek enerji deneylerinin spesifik ihtiyacı olan artan enerji ışınlarını doldurmaktı.
Fakat duşuk enerji karşıt protonları ile yapılabilecek bircok ilginc şey vardır ve duşuk enerji (duşuk hız) madde ve karşıt madde arasındaki tahmin edilen simetriyi doğrudan test etmek icin olan yollardan biridir. Yavaş karşıt protonlar "gercek" tuzaklara yakalanabilirler ve boylece, ozellikleri (kutle, manyetik alandaki davranışları vs.) proton ile karşılaştırıldı. Ve karşıt maddenin tum parcalarının yapılabileceği anlaşıldı, karşıt atom pozitrondan ve karşıt protondan oluşuyordu. CERN bu araştırma dalına belirli bicimde para yatıran tek laboratuardı. 1980'de karşıt proton uretimini ve depolamasını kendi cemberlerinde yavaşlatabilmek icin yeni bir makine yapmaya karar verdiler. 1982'de Low Energy Anti proton Ring (LEAR) ortaya cıktı: PS'den gelen karşıt protonları farklı ara enerjilere, birkac MeV'un altına, yavaşlatabiliyordu.
Ceşitli onemli bilimsel başarılar LEAR'a teşekkur borcludur, bunlarda biri ilk karşıt madde parcaları derleyicisi olmasıdır.1995'de Alman ve İtalyan fizikcilerden oluşan bir takım (deney PS210) ilk kez "karşıt hidrojen"in dokuz atomunu oluşturmayı başardılar, normal atomda bir protonun yorungesinde elektron donuyorken, boyle karşıt atomlarda karşıt elektron karşıt protonun yorungesine yerleşmesi sağlanıyordu. Sonuc 1996'ın sonunda FermiLab'da ki bir grup tarafından doğrulandı. Deney E862'de, Tevatron Antiproton Accumulator'dan direk cıkartılan karşıt protonların kullanılmasıyla bazı karşıt hidrojenler saptandı. Keşif heyecan vericiydi: hidrojen atomları olağan maddenin davranışlarıyla ilgili farklı ve temel olcumlerde cok kritik bir fiziksel sistemdi. Karşıt hidrojen uretimi, karşıt maddenin sistematik araştırmasında ve temel fizik prensiplerini test etmede acılan bir kapıydı.
1996'ın sonunda LEAR resmen kapatıldı ama CERN bu araştırma konusu hakkında alternatif ve daha guclu bir yolu onceden gormuştu: Anti proton Decelerator (AD).
Kozmolojide karşıt madde

Tabii ki, hızlandırma veya yavaşlatma karşıt madde uzerinde calışmanın tek yolu değildir. Karşıt madde dış uzayda bir yerlerde bulunabilir. Dirac kendisi ilk once karşıt maddenin astronomik olcekte bulunması hakkında kafa yormuştu. Fakat onun teoreminin doğrulanmasından hemen sonra, pozitron, karşıt proton ve karşıt notronun keşfiyle, karşıt gezegenlerin, karşıt yıldızların, karşıt galaksilerin ve hatta karşıt bir evrenin varlığı hakkında asıl spekulasyon başladı.
1950'lerin sonlarına doğru, bizim galaksimizdeki karşıt maddenin miktarı yuz milyondan az bir hata payıyla hesaplandı. Eğer karşıt maddenin evrende izole bir sistemi olsaydı yani olağan madde ile etkileşimsiz bir sistemde olsaydı, hicbir dunyaya bağlı gozlem bunun doğruluğunu ayırt edemezdi.
Boylece, gorunurde hicbir şey olmasa bile galaksi dışında karşıt madde varlığı olasılığı tamamen acıktı. Takip eden yıllarda, evrende madde kadar karşıt madde olduğu goruşu basit simetri prensipleriyle harekete gecmiştir.
Fakat bugunlerdeki guclu inanışa gore madde oncelikli tek bir evren vardır. Soylenebilir fakat eğer doğal bir karşıt madde mesela karşıt evrenden bir karşıt cekirdek bize ulaşmaya calışırsa dunya atmosferindeki bir cekirdek ile birlikte imha olur ve biz asla onu gozlemleyemeyiz.
20 yılı aşkın suredir, bilim adamları bu araştırma icin yapılan aracları (once balonlar şimdi uydular) imha olma probleminin ustesinden gelmek icin atmosferden olabildiğinde yukarda tutmaya calışıyorlar fakat boyle bir caba pahalı ve zor. Şimdi, deneylerin uydularda gercekleştirilmesi planlanıyor. Mesela 1998'de Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), yuksek enerji parcacığı dedektoru, Discovery uzay mekiğinde 10 gunluk bir gorev icin uctu ve şu anda onumuzdeki yıllarda Uluslararası Uzay İstasyonuna kurulmak icin tekrar dizayn edilip bir ust modele geciliyor. Dunya atmosferinin ustunde yorungede, hedeflerinden biri herhangi bir kozmik karşıt madde formu.

Alıntıdır.

__________________