Atom Saatleri, Yeni Fizik Yasalarının Bulunmasına Yardım Edebilir

Atomik saatler, fizikçilerin karanlık madde gibi yakalanması güç görüngülere attıkları kementi sıkılaştırmalarını sağlıyor.
Görsel Telif: Frédéric Simon

1990’lı yılların sonlarında, Colorado Boulder’da bulunan JILA araştırma enstitüsünde çalışan genç fizikçi Jun Ye, kariyerini dünyanın en iyi atomik saatini yapmaya adamaya karar verdi. Farklı atomları tanımaya çalışarak biraz zaman geçirdi; magnezyum, kalsiyum, baryum. Sonunda, içsel durağanlığından dolayı strontiyumda karar kıldı. Ardından, strontiyum atomlarını doğru frekansta titreştirecek bir lazer yapılandırmak için işe koyuldu.

Ye, aynı zamanda bir karanlık madde algıcı tasarlamakta olduğunun farkında değildi. Bunu anlaması, ancak Nisan 2015’te, Avustralya’nın Sidney kentindeki New South Wales Üniversitesi’nden fizikçi Victor Flambaum‘dan aldığı bir eposta sayesinde oldu. Flambaum, bazı kuramlara göre karanlık maddenin, doğanın temel sabitlerine hafifçe etki edebileceğini ve saat tiktaklarının hızını azıcık değiştirebileceğini Ye’ye yazmıştı. Ye’nin son cihazı (ilk hâlinden 20.000 kat daha duyarlıydı), böylesine ince bir sinyali alma olasılığı bulunan, dünyadaki en hassas saatlerden biriydi.

Şu anda Ye, karanlık madde arayışını son derece sıra dışı bir yolla sürdürüyor. Söz konusu varsayımsal maddenin, “sıradan” maddeden 5’e 1 oranında daha ağır olduğu düşünülüyor; ama şimdiye dek kendini sadece kütleçekimsel etkisi ile belli etti. Saatinin frekansının zaman içinde dalgalanıp dalgalanmadığını dikkatle ölçerek, Ye varsayımsal bir ultra-hafif karanlık madde parçacığı ile atomun içsel bileşenleri arasında bir etkileşim açığa çıkarabilir. Böyle bir bulgu, fizikte büyük çalkantı yaratırdı.

Flambaum ve Ye, çalışma alanlarının en büyük sorularını yanıtlamak için devasa parçacık çarpıştırıcılara bakmakla yetinmeyen, sayıları giderek artan fizikçiler arasında bulunuyor. Onlar, evrenin fısıltı hâlindeki ezgilerini dinlemek için atomların ve lazerlerin aşırı duyarlı kontrolünden yararlanıyor. Böyle deneyler bir masanın üzerine sığabilecek boyutta olmakla beraber, karanlık maddenin, göreliliğin ve temel fiziğin diğer alanlarının peşine düşmeye yetecek güce sahip oldukları kanıtlanmış düzenekler ve günün birinde kütleçekimsel dalgaları ve kuantum kütleçekimi inceleyebilirler.

“İnsanlar bana sıklıkla şunu soruyor: Böyle bir saatin ne işe yarayacağını düşünüyorsun? GPS için mi? Çoğu zaman saatlere bakış açıları fazlasıyla kullanıma yönelik oluyor. Benim içinse daima bir saatin en heyecan verici yanı, temel fiziği inceleyebilmek oldu,” diyor Ye.

Jun Ye’nin laboratuvarındaki optik saat, fotoğrafta vakum odasının ortasında mavi parıldayışları görülen soğuk strontiyum atomları kullanıyor. (Telif: Jun Ye; JILA/NIST)

Alfa Sabitinin Peşinde

Her şey, çok çok uzaklardan gelen ışığın şok edici bir ölçümüyle başladı. 1990’ların sonlarında, Flambaum’un New South Wales’deki çalışma arkadaşlarından biri olan gökfizikçi John Webb, evrenin uzak geçmişinde oluşmuş gökadalardan gelen ışık frekanslarının, beklenen değerlerden sapma yaptığını buldu. Ölçümler, Webb’in incelediği gökadalarda, ince yapı sabiti denilen gizemli bir sayının, dünyada yapılan deneylerden bilinen değeriyle uyuşmadığına işaret ediyordu.

İnce yapı sabiti, Arnold Sommerfeld tarafından gerçekleştirilen hidrojen atomunun kuantum mekaniksel yapı çözümlemesinde belirdiği 1916 yılından bu yana gizemini koruyor. (Niels Bohr, merkezindeki çekirdeği ve yörüngedeki elektronlarıyla ünlü olan çığır açıcı atom modelini, o tarihten sadece 3 yıl önce yayımlamıştı.) Sommerfeld, elektromanyetik kuvvetin gücünü belirten bu sabiti alfa olarak etiketlemişti. Elektromanyetizma, gündelik yaşamda karşılaşılan olayların büyük bölümünün (ışık, elektrik, sürtünme, ateş gibi) nedeni olup, (kütleçekim kuvveti, güçlü kuvvet ve zayıf kuvvet ile birlikte) 4 temel doğa kuvvetinden biridir.

Sommerfeld, henüz doğmakta olan kuantum kuramını daha sağlam bir temele oturturken, alfa sabiti ise sonraki yüzyıl boyunca fizikçileri uğraştırıp durdu. Adından anlaşıldığı üzere, sabitmiş gibi görünüyordu. İlerleyen yıllarda yapılan araştırmalarda, eğer değeri farklı olsaydı, yaşam için gereken karmaşıklıkta bir evrenin asla mümkün olamayacağı ortaya çıktı. Ama yine de hiç kimse, onun gerçekten sabit olması için iyi bir neden bulamıyordu. Kuramlarının iyi kurulmuş olmasını isteyen fizikçiler için görünüşte keyfi bir değeri olan bir sabit, büyük bir problemdi. Nobel ödüllü Amerikalı fizikçi Richard Feynman bir keresinde şöyle yazmıştı: “Bütün iyi kuramsal fizikçilerin bu sayıyı duvarlarına asıp, onun hakkında endişelenmesi gerekir.”

Paul Dirac’ın 1937’de yayımladığı bir makaleyle birlikte, kuramcılar, alfa ya da proton ile elektronun kütle oranı gibi temel sabitlerdeki değişimlerin, çağdaş fiziğin temelinde yatan kuramların bazılarındaki (görelilik kuramı gibi) çatlakları açığa çıkarabileceğini belirtmeye başladı. İnce yapı sabiti, nihayetinde, parçacık fiziğinin “Standart Model”indeki iki düzine kadar deneye dayalı parametreden biri oldu. Sabitlenmemiş bir sabit, kütleçekim, elektromanyetizma, güçlü etkileşim ve zayıf etkileşime ek olarak, beşinci bir kuvvetin varlığına işaret olabilirdi. Başka bir deyişle, alfa bilinmeze açılan bir pencere olabilirdi.

Bunu akılda tutarak, Flambaum Webb’in çok önemli olabilecek sonucunu çözümlemesine yardım etti. Ama Flambaum, ciddi bağımsız kanıt olmadıkça fizikçilerin değişken bir alfayı kabul etmeyeceğini biliyordu. Görünür dalgaboylarındaki elektron sıçramalarına dayanan yeni nesil atomik saatlerin gereken doğrulamayı yapabileceğini fark etti. Bir saniyenin içine, şu anda dünyanın zamanını belirleyen mikrodalga saatlerden 50.000 kat daha fazla dalga tepeciği sığdıran böyle “optik saatler” öylesine duyarlı olabiliyordu ki, Webb’in milyarlarca yıllık yıldız ışığından elde ettiği kadar sağlam bir sonucu, fizikçilerin sabiti sadece birkaç yıl boyunca ölçerek elde etmesi olanaklıydı.

Jun Ye ve çalışma arkadaşları, dünyanın en yüksek doğruluklu atomik saatini yapılandırdı. (Foto: Geoffrey Wheeler)

Atomlar bir anlamda doğanın saatleridir. Atomun içsel enerji düzeyleri arasında bir elektronun sıçradığı (“kuantum sıçraması” olarak da bilinir) her seferde, benzersiz bir frekansta ışık salınır ya da soğurulur. O frekansa yakın ayarlanan bir lazer, başka bir lazerden atomun ışımasını, yani foton saçmasını tetikleyebilir. Geri-bildirim sinyali üretmek için foton akışı kullanılarak, fizikçiler lazeri atomik geçişe kitleyebilir. Lazerin ardışık dalga tepecikleri, bu durumda, saatin tiktakları olarak düşünülebilir.

Her bir atomik zıplamanın frekansı, atomun elektronları ile protonları arasındaki elektromanyetik etkileşimlerce belirlenir; etkileşimin gücünü belirleyen ise alfadır. Dolayısıyla bir atomik saat, örtük biçimde ince yapı sabitini ölçer. Kuşkusuz, evrendeki her bir atomun, durmaksızın bu sabiti ölçmekte olduğu söylenebilir. Bizim sadece ölçümü nasıl okuyabileceğimizi bulmamız gerekir.

Ama bunu uygulamaya dökmek biraz zordur. Alfadaki bir değişikliği aramak için en az iki saatin frekanslarını iki kerede ölçmek gerekir. Çünkü sadece bir frekanstaki değişim, değişken bir sabite olduğu kadar, saatteki veya çevredeki başka bir kaymaya da işaret edebilir. İki ya da daha fazla sayıda saatin frekansları oranı ise tam tersine, sadece doğal sabitlere bağlı olan boyutsuz bir sayı olacaktır.

2004 yılında, Braunschweig’de bulunan ve Almanya’nın standartlar enstitüsü olan PTB’den fizikçi Ekkehard Peik, ilk büyük adımı attı: Optik bir iterbiyum iyon saatinin tıklayış hızı ile bir mikrodalga sezyum saatininkini karşılaştırdı. Deneyi gerçekleştirmek için Peik’in ekibi birkaç hafta boyunca (istatistiksel belirsizliği düşürmek için) iki saatin frekanslarını ölçtü. Saatleri geliştirmek için bir yıl geçirdikten sonra, onları yeniden ölçtüler. Elde edilen veriler, alfanın yılda 1015‘te 2’den daha fazla değişiyor olamayacağını ortaya koydu. Bu sınırlama, Webb’in uzak gökada gözlemlerinin iddia ettiği değişimden hâlâ yaklaşık iki kat daha büyüktü.

Ardından 2008’de, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nden David Wineland’ın ekibindeki araştırmacılar, duyarlılığı daha az olan sezyum saatin yerine, alüminyum ve civa bazlı optik saatler kullanarak, bu sınırlamayı yaklaşık 100 kat daha sıkılaştırarak, 1017‘de 1‘e çekti. Bu, Webb’in değişken alfa sonucunu zor durumda bıraktı.

2017’de Peik’in ekibi, bir iterbiyum iyonu saati ile strontiyum atomlarından yapılan bir saatin karşılaştırılmasına dayanarak mengeneyi daha da sıkıştırdı ve 1018‘de 1 şeklindeki yeni sınırlama sonucunu duyurdu.

Bu arada Flambaum ise saatlerin ve sabitlerin kullanılabileceği başka yollar üzerinde düşünmeyi sürdürüyordu. 2015 yılında, o ve çalışma arkadaşları yayımladıkları bir makalede, bazı karanlık madde hipotezlerinin alfa üzerinde çeşitli etkilere neden olabileceğini gösterdi. Ye’ye, önceden alınan saat verilerinin, karanlık maddeye ilişkin belirtiler var mı diye taranması önerisinde bulundular. Ye ise Flambaum’a, bu önerinin önemli ölçüde geliştirilebileceğini düşündüğünü açıkladı.

Alışılmışın Dışında Karanlık Madde İçin Atomik Arayış

Flambaum, karanlık madde avlamak için saatlerin kullanılmasını ilk öneren değildi. 2014 yılında, iki araştırmacı başka tür bir atom saatinin, yirmi yıldan fazla süredir dünya yörüngesinde olan türde birinin, yeni fizik arayışında işe yarayabileceğini fark etmişti.

GPS adıyla bilinen küresel konumlandırma sisteminin uyduları, dünyadaki her noktaya olan göreli uzaklığı hesaplamak için üstlerinde taşıdıkları atom saatlerini kullanır. Bu saatler mikrodalga frekanslar kullanır ve duyarlılık açısından, son teknoloji ürünü laboratuvar saatlerinin 100.000 kat gerisinde kalır. Ama çok güvenilirlerdir ve hep açıklardır. Üzerlerindeki gizli kalma zorunluğunun 1996 yılında kalkmasının ardından, NASA yerbilimcileri alıcı kurup, bu saatlerden elde edilen verileri indirip kaydetti. Sinyallerin alınma aralığındaki küçük bir çalkantı, yerkabuğundaki hafif kaymalara işaret edebilirdi.

Fizikçiler Maxim Pospelov ve Andrei Derevianko, karanlık madde aramak için GPS veri kümesinin kullanılmasını önerdi. Karanlık madde, fizikçilerin arayışlarına yanıt vermeyen nispeten ağır “zayıfça etkileşen büyük kütleli parçacıklar” (İng. WIMP) biçiminde olabilmekle beraber, zayıfça etkileşen başka bir şeyler biçiminde de olabilir.

Hipotezlerden biri, kütlesi elektronunkinin milyonda birinden az olan ve her yerde bulunan ultra-hafif parçacıkları içeriyor. Bu varsayımsal karanlık madde parçacıkları, Büyük Patlama’nın ardından büyük kütleli baloncuklar, sicimler ya da duvarlar şeklinde donmuş olabilir. Dünya, gezegenin kendisi kadar büyük olabilecek böyle bir karanlık madde öbeğine girdiğinde veya çıktığında, değişim ince yapı sabitinde ufak bir fark yaratarak, saatlerin tiktak hızını değiştirebilirdi. Bu sarsıntı, GPS ağından bir dalga gibi geçebilirdi. Pospelov bunun spekülatif bir düşünce olduğunu kabul ediyor.

Derevianko, Pospelov ve çalışma arkadaşları 2017’de, 16 yıllık GPS verilerinde, karanlık madde tarafından tetiklenmiş hiçbir sarsıntı bulamadıklarını açıkladı. Böyle “topolojik” karanlık madde kuramlarının sınırlarını, kuramsal karanlık madde öbeklerinin büyüklüğüne bağlı olarak 1.000 ilâ 100.000 kat sıkıştırmış oldular.

Bu arada, Perimeter Enstitüsü’nden kuramsal fizikçi Asimina Arvanitaki,

Bu arada, Perimeter Enstitüsü’nden kuramsal fizikçi Asimina Arvanitaki, çağdaş fiziğin iki büyük bakış açısı olan görelilik ile kuantum mekaniğini birleştirmek için tasarlanan kuramlardan doğal olarak beliren karanlık madde adaylarını algılamaka için olası yöntemler üzerinde düşünüyordu. Popüler sicim kuramının da aralarında bulunduğu böyle kuramlarda, minik spinsiz “dilaton benzeri” parçacıklarla ilişkilendirilen her yere yayılmış alanlar, alfa gibi temel sabitlerin değerlerini etkiler. Bu parçacıkların normal madde ile zayıfça etkileşmesi gerektiğinden, gizemli karanlık bölgenin en azından bir kısmını oluşturuyor olduğunu söylüyor Arvanitaki.

Asimina Arvanitaki

Tüm parçacıklar gibi, dilaton-benzeri karanlık madde parçacıkları da kuantum dalgaları ile ilişkilendirilir. Tıpkı çok sayıda ışık parçacığının bir lazer içinde kaynaşması gibi, onlardan devasa bir miktar (yaklaşık 10100 kadar), doğal olarak bir büyük, eşdurumlu (eşevreli, İng. coherent) dalga içine düşer. Bu dalganın frekansı ve genliği, parçacığın kütlesine bağlıdır. Atomik enerji düzeyleri ve dolayısıyla atomik saatlerin tiktak hızı, dalganın frekansında hafifçe atım yapar.

Ne yazık ki, sicim kuramı bu frekans hakkında hiçbir ipucu vermiyor; saniyenin bir kesri kadar ya da yıllar kadar olabilir. “Bir öngörü olmasını, parametre uzayında şunu diyecek bir nokta olmasını dilerdim: Buraya bakarsan onu bulursun,” diyor Arvanitaki. Neyse ki, Fourier dönüşümü adı verilen matematiksel bir hile, herhangi bir veri kümesinde, bilinmeyen frekanstaki gizli bir salınımı aramaya olanak tanıyor. Tek sınırlayıcı etken zaman: Deneyciler iki saati ne kadar uzun süre boyunca eşzamanlı ve sürekli çalıştırırsa, arayabilecekleri frekans aralığı o kadar genişliyor. Arvanitaki, bir atom saati olan herkesin, ilkesel olarak bunu yapabileceğini ekliyor.

Arvanitaki’nin makalesinin arXiv sitesinde yayımlandığı haftalarda, Kaliforniya Üniversitesi Berkeley Kampüsü’nden fizikçi Dmitry Budker onu arayarak, disprosyum atomlarındaki elektron sıçramalarının ölçülerinden topladığı verilerde, böyle salınımlara ilişkin kanıt aradığını söylemiş. Kısa bir süre sonra da elde ettiği sonuçları göndermiş: Salınıma ilişkin sıfır kanıt. Bu çalışma, dilaton-benzeri karanlık madde ile sıradan madde arası etkileşim üzerinde kuramsal sınırlamayı 10.000 kat daha sıkılaştırmış oldu. İki yıldan kısa süre sonra, Paris Gözlemevi’nden bir ekip, sezyum ve rubidyum mikrodalga saatlerinden aldıkları verileri kullanarak, bu sınırı bir 10 kat daha sıkıştırdı.

Deneyciler, kuramsal bir sınırlandırmayı bir mertebe daha geliştirmek için genellikle yıllar boyu uğraşır. O yüzden 10.000 ve üzeri mertebelerde iyileştirmeler, büyük ilerlemelerdi. “Ağacın alçak dallarında çok meyve var,” diyor Arvanitaki. “Basit şeyler yaparak büyük ilerleme kaydedebilirsiniz.”

Mesela eski verilerin üzerinden geçmek gibi. NIST fizikçilerinden David Hume, Budker’ın makalesini okuduktan ve Flambaum’un çalışma arkadaşlarının birinden eposta aldıktan sonra, laboratuvarının alüminyum-civa saatinin, 2000’lerin ortasında alınan verilerini yeniden çözümlemeye başladı. Dilaton-benzeri karanlık maddeye ilişkin, dünyanın en iyi sınırlandırmasının elinde olduğunu keşfetti. Şimdi bunu daha da iyi hâle getirmek için yeni saat çalıştırmaları yapıyor. Ölçümler, muhtemelen Peik’in en yeni sonuçlarının da ilerisine geçerek, ince yapı sabitinin geçtiğimiz on yılda değişip değişmediğini de sınayacak.

Victor Flambaum

Ye, Flambaum’un 2015’teki epostasını aldığında, kısa süre sonra dünyanın doğruluğu en yüksek saati olma konusunda, ekibinin kendi rekorunu kırmasını sağlayacak olan bir strontiyum saati tamamlıyordu. Karanlık madde önerisi onu heyecanlandırdı, ama fikre yeni bir hareket kattı. Kendi strontiyum saatinin frekansını başka bir saatinki ile kıyaslamak yerine, lazerini durağanlaştırmak için kullandığı tek-kristal silikon oyuğun uzunluğu ile kıyaslamaya karar verdi. Ye’nin düşüncesine göre oyuğun kendisi ince yapı sabitindeki herhangi bir değişimi ölçebilirdi; çünkü Bohr yarıçapının belli bir katı uzunluktaydı (Bohr yarıçapı, bir atom için doğal uzunluk ölçeğini belirler) ve söz konusu sabit, yarıçapın içine (tıpkı atomik geçiş frekansında olduğu gibi) gömülüydü. 2017’nin sonlarında, dilaton benzeri karanlık madde arayışına adanmış ilk çalışma hazırlandı. İki aylık veriler alınarak başlanan deneyin, karanlık madde kuramlarını, yayımlanmış sınırların ötesine taşıyacağı düşünülüyor.

Saat bazlı karanlık madde arayışlarının daha da ileriye nasıl götürülebileceğine ilişkin fikir bolluğu var. Ye, en yeni saatini eşdeğer bir düzenekle aynı anda çalıştırarak, başka karanlık madde hipotezlerini de incelemeyi umuyor; buna Flambaum’un 2015 yılında sözünü ettiği bazı çalkalanmalar da dahil. Derevianko, dünyanın en iyi saatlerini fiber optik kablolarla bağlantılandırarak ve eşzamanlı çalıştırarak, bir adım daha ilerlemeyi hayal ediyor. Hesaplara göre bu şema, topolojik karanlık maddeyi GPS uydu saatlerinden 10.000 kat daha duyarlı biçimde sınayabilir. Bir fiber optik ağ, son iki yıldır Londra, Paris ve Braunschweig’daki saatleri zaten bağlantılandırmış durumda; fakat Avrupa’nın ötesine uzanmak, fiber optik ve uydu haberleşme teknolojilerinde ilerleme gerektiriyor. Derevianko ve Budker, ayrıca atomik fizikçileri, duyarlılık ölçümlerini halka açık olarak arşivlemeleri için ikna etmeye çalışıyor; böylece yeni kuramsal fikirler belirirken, ileride aramalar yapılabilir.

Bu “mutfak lavabosu hariç her şey” (yani akla gelebilecek her şey) yaklaşımı, hiçbir kuramın diğerlerinden daha öne çıkar durumda olmadığı zamanlar için doğru bir strateji, diyor fizikçiler. “Bence yeni fizik için bakılabilecek her yere bakılmalı,” diyor Delaware Üniversitesi’nden kuramsal fizikçi Marianna Safronova. Ama atom saatlerinin bir eşiği olabilir; çünkü fizikçiler zaten onlarca yıldır onları daha da duyarlı hâle getirmek için uğraşıyor.

Peik’inki de dahil çeşitli araştırma ekipleri, atomik elektron düzeyleri arasında değil de, atom çekirdeğindeki enerji düzeyleri arasındaki sıçramalara dayanan bir saatin önerilmesini bekliyor. Çekirdeksel geçişlerin çoğu, aşırı yüksek frekanslarda gerçekleşir; ama bir fizik kazasıyla, bir toryum izotopunun, frekansı lazerlerin aralığı içinde olan bir çekirdeksel sıçraması var. Tam frekans hâlâ bulunmayı bekliyor ve lazerlerin de geliştirilmesi gerek. Ama bu geçişe dayalı bir saat, kuramsal olarak, günümüzün en iyi optik saatlerinin duyarlılığını bir mertebe daha aşabilir. Daha gelişmiş saatler, potansiyel olarak kütleçekimsel dalgaları algılayabilir ve kuantum kütleçekim kuramlarını sınayabilir, diyor Ye. Elbette Arvanitaki’nin dediği gibi, böyle bir saat, temelde her şeyin incelenebileceği aşırı duyarlı bir sonda olurdu.

Kaynak ve İleri Okuma

Etiket
  • Projelerimizde bize destek olmak ister misiniz?
  • Dilediğiniz miktarda aylık veya tek seferlik bağış yapabilirsiniz.
  • Destek Ol
Yorum Yap (0 )

Yorum yapabilmek için giriş yapmalısınız.

Bunlar da ilginizi çekebilir

Bağış Yap, Destek Ol!
Projelerimizde bize destek olmak isterseniz,
Patreon üzerinden
bütçenizi zorlamayacak şekilde aylık veya tek seferlik bağışta bulunabilirsiniz.
E-Bülten Üyeliği
Duyurulardan e-posta ile
haberdar olmak istiyorum.
Reklam Reklam Ver
Arşiv