Bu ilke sıradan madde üzerinde son derece hassas biçimde test edildi. Antimadde için de 2023’te CERN’de yapılan ALPHA deneyi, antihidrojen atomlarının Dünya’nın çekimine kapıldığını ve aşağı doğru düştüğünü göstermişti. Ancak antihidrojen proton ve antiproton gibi birinci nesil parçacıklardan oluşuyor. Yeni çalışma ise ilk kez ikinci nesil bir temel parçacığın yerçekimiyle ilişkisini doğrudan ölçmenin yolunu açıyor.
HEDEFTE “MÜONYUM” VAR
ETH Zürih ve Paul Scherrer Enstitüsü’nden araştırmacıların geliştirdiği sistemin merkezinde müonyum adı verilen egzotik bir atom bulunuyor.
Müonyum, pozitif yüklü bir antimüon ile negatif yüklü bir elektrondan oluşuyor. Antimüon, elektrona benzeyen ancak yaklaşık 200 kat daha ağır bir parçacık. Müonyumun kütlesinin neredeyse tamamını da bu antimadde bileşeni oluşturuyor. Atomun toplam elektrik yükünün nötr olması ise onu yerçekimi deneyleri açısından özellikle kullanışlı hale getiriyor. Çünkü yüklü parçacıklarda çok zayıf olan yerçekimi etkisi, çevredeki elektrik ve manyetik alanlar tarafından kolayca maskelenebiliyor.
Araştırmanın başyazarlarından fizikçi Anna Soter, amaçlarının “müonun kütleçekimsel etkileşimini ölçmek” olduğunu belirtiyor.
EN BÜYÜK SORUN: SADECE 2,2 MİKROSANİYE YAŞIYOR
Müonyumla deney yapmanın önündeki en büyük engel ise son derece kısa ömürlü olması.
Müonlar yaklaşık 2,2 mikrosaniye içinde bozunuyor. Bu nedenle müonyum atomlarının yerçekimi nedeniyle ne kadar saptığını ölçebilmek için araştırmacıların çok sayıda atomu aynı yönde ve benzer hızlarda hareket ettirebilmesi gerekiyor. Önceki müonyum kaynaklarında atomlar farklı yönlere ve farklı hızlarla dağıldığı için bu ölçüm yeterince hassas biçimde yapılamıyordu.
Araştırmacılar bu problemi, antimüonları yaklaşık 0,2 Kelvin sıcaklıktaki süperakışkan helyuma göndererek aşmayı başardı.
Antimüonlar helyum içinde enerji kaybedip bir elektron yakalayarak müonyum oluşturuyor. Oluşan atomlar daha sonra süperakışkan helyumdan dışarı itilerek vakuma çıkıyor.
Sonuçta saniyede yaklaşık 2,2 kilometre hızla, birbirine yakın hızlarda ve büyük ölçüde aynı doğrultuda ilerleyen yoğun bir müonyum ışını elde edildi. Deneyde helyuma gönderilen antimüonların yaklaşık yüzde 8’i vakumda müonyuma dönüştü.
ASIL YERÇEKİMİ DENEYİ HENÜZ YAPILMADI
Araştırmacıların önemli bir eşiği aşmış olmasına karşın, müonyumun yerçekimi altında nasıl davrandığı henüz ölçülmüş değil.
Şimdiki sistem atomları yukarı doğru gönderiyor. Yerçekiminin etkisini hassas biçimde gözlemlemek için ışının yatay hale getirilmesi planlanıyor. Böylece atomlar ileri doğru hareket ederken Dünya’nın çekimi nedeniyle çok küçük miktarda aşağı sapacak.
Bu sapmanın ölçülmesi için parçacıkların çok ince üç ızgaradan geçirileceği bir interferometre geliştirilmesi planlanıyor. Müonyum atomlarının kuantum dalga özelliğinden yararlanılarak oluşan girişim desenindeki küçük değişimin ölçülmesiyle yerçekimi ivmesi hesaplanabilecek.
Ekip, yeni yöntemle müonyumun yerçekimi ivmesini yaklaşık yüzde 1 hassasiyetle belirleyebileceğini öngörüyor.
Yöntemin atom ışınıyla ilk testlerinin bu yıl yapılması, asıl yerçekimi deneyinin ise iki ila üç yıl içinde gerçekleştirilmesi planlanıyor.
EINSTEIN’IN ÖNGÖRÜSÜNDEN SAPARSA NE OLUR?
Beklenti, müonyumun da diğer maddeler gibi Dünya’ya doğru düşmesi.
Ancak ölçüm, ikinci nesil parçacıkların yerçekimine beklenenden farklı tepki verdiğini gösterirse bunun sonuçları son derece önemli olabilir. Araştırmacılara göre böyle bir fark, bilinen dört temel kuvvetin dışında henüz keşfedilmemiş bir “beşinci kuvvetin” varlığına işaret edebilecek olasılıklardan biri.
Bununla birlikte çalışma “Einstein’ı yanlışlamak” amacıyla yapılmıyor. Soter, temel amaçlarının yerçekimsel kütle ile eylemsizlik kütlesi arasındaki eşdeğerliğin ikinci nesil parçacıklar için de geçerli olup olmadığını ilk kez doğrudan ölçmek olduğunu vurguluyor.