Lazerle Antimadde Yaratılabilir Mi?

Lazer teknolojilerindeki son gelişmeler sayesinde çok yoğun lazer madde etkileşimleri mümkün olabiliyor. Yüksek güçlü lazer atımlarına odaklanarak, elektrik alanları normal olarak üretilebilir ve böylece maddeden ışık elde edecek yoğunluğa erişilebilir. Rusya Bilimler Akademisi Uygulamalı Fizik Enstitüsü’nden bir araştırma ekibin  (IAP RAS) Physics of Plasmas’da bu hafta yayınladığı raporda elektron ve pozitronların ultra yüksek yoğunluklu lazer madde ile dinamikler üretmesi açıklandı. Diğer bir tabirle; Lazerler yardımıyla madde ve antimaddenin nasıl yaratılacağını hesapladılar.

Güçlü elektrik alanlar, elektronları yüksek miktarda radyasyona  maruz bıraktığından, enerjisinin büyük kısmı salımlanarak gama ışınlarına dönüşüyor. Yani ışığı oluşturan yüksek enerjili parçacıklara dönüşüyor. Bu proses sayesinde üretilen yüksek enerjili fotonlar güçlü lazer alanıyla etkileşime girerek, elektron pozitron çiftleri yaratıyor. Sonuç olarak maddenin yeni bir hali çıkıyor;  parçacıklarla, optik alanlarla ve gama radyasyonuyla güçlü etkileşime giren klasik fenomeni ve kuantum prosesleri arasına hükmeden dinamikler ortaya çıkıyor.

Ekibin çalışmasının dayandığı anahtar konsept ise kuantum elektrodinamiklerinin (quantum electrodynamics – QED) tahmini ,” yani güçlü elektrik alan , genel konuşursak boşluğu kaynatır ki, burası tümüyle sanal parçacıklarla elektron-pozitron çifti gibi parçacıklarla kaplıdır”, diyor IAP RAS ‘dan Igor Kostyukov. “Bu alan sanal halden gelen parçacık tiplerini dönüştürebilir , bu parçacıklar da doğrudan gerçek bir gözlem yapılamaz.”

Bu etkileyici manifesto tiplerinden biri olan QED fenomeni kendi kendine lazerle çalıştırılan QED kaskatı (ışın yağmuru)fakat laboratuarda gözlenmesi en büyük zorluk.

QED Kaskatı da ne demek ?

“Bu birbiri ardına gerçekleşen ve birbirine bağlı bir zincir reaksiyonu olarak düşünebilirsiniz. Bu elektronlar ve pozitronların lazer alanıyla hızlanmasıyla başlıyor. Bunu ise yüksek enerjili foton emisyonu ve de elektron ve pozitron hızlanması izliyor.Sonrasında yüksek enerjili fotonlar bozunarak elektron-pozitron çiftleri oluşturuyor . Bu yeni parçacık yağmurlarıyla devam ediyor. QED kaskatları sonrasında çığ gibi büyüyerek elektron pozitron yüksek enerjili foton plazmaları üretiyor.”

Araştırmacılar bu çalışma için, folyoda çok yoğun lazer atımlarının etkileşimini incelemek için sayısal simülasyonlar kullandı.

“Biz çok sayıda yüksek enerjili foton üretmeyi umuyorduk ve bunların bir kısmı yarılanarak elektron-pozitron çifti üretecekti. Yaşadığımı ilk sürpriz yüksek enerjili fotonlar tarafında üretilen pozitron sayısının, folyoda üretilen elektron sayısından fazla olmasıydı. Bu da pozitronların sayısında üstel (eksponansiyel) bir artışa neden oldu. Yani fazla sayıda pozitron elde etmek, QED yağmurunun içinden geldiğini gösteriyor,” diyor Kostyukov.

Ayrıca simülasyonlarda, bazı foton emisyon ve bozunumlarına rağmen, pozitron dağılımındaki bu belirgin yapı gözlenebildi.

“Folyonun önündeki elektromanyetik alanlardaki pozitron hareketini analiz ederek, pozitron dağılımını düzenleyen bazı hareket karakteristiklerini keşfederek, sarmal benzeri yapıların gözlemlendi,” diyor.

Ekibin keşifleri temel bir önem taşıyor çünkü, bu fenomen inanılmaz yoğunluklardaki geniş parametrelerde yer alan lazer-madde etkileşimlerine eşlik ediyor. “Daha pratik uygulamalar lazer plazma kaynakları için yüksek enerji fotonları ve pozitron kaynakları için ileri düşüncelerin geliştirmesine imkan tanıyabilir .”

Araştırmacılar etkileşimlerde başlangıç aşamasına odaklanarak, üretilen elektron pozitron çiftleri lazer-hedef etkileşimini önemli ölçüde etkilemeyecek.Araştırmacılar doğrusal olmayan(nonlinear) aşamada kendinden üretilen elektron pozitron plazmasının etkileşimi güçlü bir şekilde etkilemesini araştırıyorlar.

Bakalım bu çalışmalar antimaddenin lazerlerle üretilebilmesine imkan tanıyacak mı?

Pozitron hakkında kısa bilgi

Pozitron, elektronun karşı parçacığı olan artı yüklü leptondur.

Antiparçacık kavramının ilk örneği “pozitrondur”. Pozitronun varlığı deneysel olarak kanıtlanmadan önce bir hipotez olarak ortaya atılmıştı. 1928’de İngiliz fizikçisi Paul Dirac, Schrödinger denklemini genişletti. Dirac’ın amacı Schrödinger denkleminin görelilik teorisiyle uyumlu hale getirmekti ama daha fazlasını elde etti.Dirac’ın denklemi spin kuantum sayısını s=1/2 olarak veriyordu ve böylece elektron spini öngörülmüş oluyordu.

Dirac denklemi elektrona uygulandığında, yükü +e olan ikinci bir parçacığın da aynı denklemi sağlayacağı görüldü.Yükü pozitif olarak bilinen tek parçacık proton olduğundan, Dirac önce yazdığı denklemin protonudakapsadığını zannetti. Fakat kısa sürede,+e yüklü bu parçacığın elektronla aynı kütleli ve aynı spinli olması gerektiği anlaşıldı. Bugün bu parçacığın “pozitron” olduğunu biliyoruz. (pozitif elektron da denir), 1932 yılında ABD’li fizikçi Carl David Anderson tarafından kozmik ışınlarla gözlenmiş ve keşfedilmiştir.^[1]

Referans :

1. Yu. Kostyukov and E. N. Nerush. Production and dynamics of positrons in ultrahigh intensity laser-foil interactions.Physics of Plasmas, September 2016 DOI:10.1063/1.4962567