Periyodik cetveldeki farklı element atomlarının proton, nötron ve elektronlardan oluştuğunu biliyoruz. Bu üç çeşit parçacıktan ikisi (proton ve nötron) temel parçacık değilken, üçüncüsü (elektron) ise lepton adı verilen parçacık sınıfına dahil olan bir temel parçacıktır. Proton ve nötron, baryon sınıfındandır. Baryonlar, temel parçacıklar olan kuarkların üçlü gruplar hâlinde oluşturduğu parçacıklardır. Peki acaba evrenin en erken zamanlarında baryonlar ve leptonlar ilk olarak nasıl var olabildi?

Evrenin erken evrelerine ilişkin modeller kurabiliriz. Fakat sorun şu ki, erken evrenin (evrenin ilk anlarının) aşırı uç noktadaki enerji ve yoğunluk ölçeklerinde, sahip olduğumuz fizik kavrayışı yetersiz kalıyor. İstiyoruz ki belli bir an olsun ve diyebilelim ki, “tamam, bu ânın öncesinde var olan hiçbir şey yoktu.” Ancak böyle bir nokta belirleyebilecek durumda değiliz.

Atomların temel parçacıklardan nasıl oluştuğunu “Büyük Patlama Çekirdek Sentezi” (nükleosentez) ile açıklayabiliyoruz. Büyük Patlama Çekirdek Sentezi’nin dünya üzerinde gözlemlenen temel çekirdeksel fizikten türetilen öngörüleri, gökbilimsel gözlemler yapıldığında çok küçük sapmalarla doğrulanmış bulunuyor ki söz konusu sapmaların da gökbilimsel gözlemlerden ileri geldiği tahmin ediliyor.

Büyük Patlama Çekirdek Sentezi’nin kapsamı, neredeyse evrenbilimin ulaşabildiği en erken döneme kadar uzanıyor. Sağlam temeliniz sarsılmadan, henüz protonlar ve nötronlar biçiminde hadronlaşmamış kuark-gluon plazmasındaki kuarkların ve leptonların rekombinasyonuna dek geri gidebilirsiniz. Hatta Büyük Patlama’yı izleyen saniyenin trilyonda biri ile milyonda biri arasındaki sürede gerçekleşen elektrozayıf simetri kırılmasına bile dönebilirsiniz.

Ama bu zamanın daha öncesinde, yani Büyük Patlama’ya daha fazla yaklaştıkça işler güçleşir. Yine de evrenin 13,8 milyar yıllık tarihinin tümü boyunca neler olduğunu, sadece ilk saniyenin trilyonda birinden önceki zaman hariç bilebilmemiz hiç de fena sayılmaz. Bilgimizin oraya erişememesinin nedeni de, fizik yasalarının eriminin dışında kalmasıdır.

Tarihçe

Görelilikcil kuantum mekaniğinin geliştirilmesi kapsamında, Paul Dirac tarafından 1928’de formüle edilen Dirac denklemi, parçacıklar için beklenen çözümlerle beraber antiparçacıkların da varlığını öngördü. O zamandan beri yapılan deneyler, bilinen her parçacığın bir antiparçacığı olduğunu ortaya koydu.

CPT (Charge (Tr. yük), Parity (Tr. parite), Time reversal (Tr. zaman tersinirliği)) kuramına göre, bir parçacık ile onun antiparçacığı aynı kütleye, aynı ömre ve zıt yüke sahiptir. Bu simetri varken, evrende eşit miktarda madde ile antimadde olmaması kafa karıştırıcıdır. Bu çelişkiye ilişkin yapılan iki ana yorum bulunur: Ya başlangıçta evrenin toplam baryon sayısı sıfırdan farklıdır ya da evren başlangıçta kusursuz simetrili iken, zaman içinde bir dizi olay gerçekleşerek madde lehine bir dengesizlik oluşturmuştur. Çoğunlukla ikinci olasılık üzerinde durulur ama ilkinin doğru olamayacağını söyleyen herhangi bir veri de yoktur.

Baryogenez ve Leptogenez Nedir?

Fiziksel evrenbilimde baryogenez, evrenin ilk anlarında baryonik asimetrinin (yani gözlemlenen evrendeki baryon-antibaryon dengesizliğinin) oluşmasına neden olan varsayımsal (hipotetik) süreçtir. Baryogenez kuramları, temel parçacıklar arasındaki etkileşimlerin farklı tanımlamalarına dayanır. İki ana kuram şunlardır: Elektrozayıf baryogenez (standart model) ve Büyük Birleşik Kuram baryogenezi. Bunlardan ilki, olayın elektrozayıf çağda olduğunu, ikincisi ise büyük birleşim çağından hemen sonra olduğunu varsayar. Bu tür olası mekanizmaları tanımlamak için kuantum alan kuramı ve istatistiksel fizik kullanılır.

Leptogenez ise evrenin başlangıcında leptonik asimetrinin oluşmasına neden olan varsayımsal süreçtir. Standart Model'de lepton sayısı korunumludur; dolayısıyla leptogenez ancak Standart Model ötesi fizik kuramlarında yer alabilir. Lepton ve baryon asimetrileri, çok daha iyi anlaşılmış olan Büyük Patlama Çekirdek Sentezi üzerinde belirleyicidir. Hafif elementlerin başarılı sentezi için evrenin ilk birkaç dakikasında, baryon ile antibaryon sayısı arasında milyarda birlik bir dengesizlik olmuş olmalıdır. Lepton-antilepton sayısı asimetrisi, Büyük Patlama Çekirdek Sentezi için zorunlu değildir. Fakat yük korunumu, yüklü leptonlar ile antileptonlar (elektronlar, müonlar ve taular) arasındaki herhangi bir asimetrinin, baryon asimetrisi ile aynı büyüklük mertebesinde olması gerektiğine işaret eder.

Kısacası, Büyük Patlama Çekirdek Sentezi’nden farklı olarak, baryogenez ve leptogenez, Standart Model ötesi fizik gerektiriyor. Bunların Büyük Patlama Çekirdek Sentezi’nden önce gerçekleştiği konusunda herkes hemfikirse de, nasıl olduğuna ilişkin bir görüş birliği yok. Temel parçacıkların oluşumu ile ilgili olabilecek tek Standart Model süreci ise pertürbatif olmayan kuantum Adler-Bell-Jackiw anomalisi sonucunda oluşabilen sfaleronların rol oynadığı “sfaleron süreci” adıyla biliniyor. Sfaleron süreci, kuramsal olarak baryon sayısının ve lepton sayısının korunumunu çiğneyebilen bir süreç ama hiç gözlemlenmedi. Bu süreç sadece 10 TeV’in üzerindeki sıcaklıklarda işleyebilir.

Ama eğer Büyük Patlama sıfırdan farklı baryon ve lepton sayılarıyla değil de, çoğu evrenbilimcinin sırf daha güzel bir varsayım olduğu için varsaydığı gibi saf enerji durumundan başlamışsa, evrende bugün gördüğümüz parçacık içeriğini üretmeye yetecek kadar uzun süre boyunca, Standart Model ötesi fizik olmadan evren bu denli yüksek sıcaklıklarda kalmış olamaz.

Sakharov Koşulları Altında Büyük Birleşik Kuram Baryogenezi

1967 yılında Andrei Sakharov, farklı oranlarda madde ve antimadde üretecek bir baryon üretici etkileşimin sağlaması gereken üç koşul ileri sürdü. Bu koşulları ortaya koyarken, yakın zamanda yapılan kozmik arka alan ışınımı ve nötr kaon sisteminde CP-ihlâli keşiflerinden esinlenmişti. Söz konusu Sakharov Koşulları şöyleydi:

1. Baryon sayısı B^B ihlâli
2. C-simetrisi ve CP-simetrisi ihlâli
3. Isıl denge dışı etkileşimler

Antibaryon sayısından daha çok baryon üretmek için baryon sayısının korunumunun çiğnenmesinin gerekli bir koşul olduğu açıkça bellidir. Ama baryon sayısından daha çok antibaryon üreten etkileşimlerle durumun eşitlenmemesi için C-simetrisinin çiğnenmesi de gereklidir. Benzer biçimde, CP-simetrisi de çiğnenmelidir; çünkü öbür türlü eşit sayıda sol-elli baryon ile sağ-elli antibaryonun yanı sıra eşit sayıda sol-elli antibaryon ile sağ-elli baryon üretilebilir. Son olarak, etkileşimlerin ısıl dengede olmaması gerekir; yoksa CPT simetrisi baryon sayısını azaltan ve artıran etkileşimlerle telafi sağlayabilirdi.

Standart Model’de Elektrozayıf Baryogenez

Standart Model kapsamında baryogenez bulunabilmekle beraber, şu anda gözlemlenen baryon asimetrisi, bu şekilde üretilen net baryon (ve lepton) miktarını açıklayamaz. Bu mesele henüz açıklığa kavuşmamış olan, çözüm bekleyen bir konudur. Standart Model altında baryogenez, elektrozayıf simetri kırılmasının birinci mertebe bir faz geçişi olmasını gerektirir. Aksi takdirde, faz geçişine kadar olan herhangi bir baryon asimetrisi sfaleronlar tarafından temizlenirdi ve sonrasında baryon sayısını korumayan etkileşimler ihmal edilebilir olurdu.

Sfaleron Nedir?

Yunanca "kaygan" (Yun. σφαλερός) anlamına gelen sfaleron, standart modelin elektrozayıf alan denklemlerinin statik (zamandan bağımsız) bir çözümüdür ve baryon sayısı ile lepton sayısı korunumlarını çiğneyen bazı varsayımsal süreçlerde rol oynar. Böylesi süreçler, Feynman diyagramları gibi pertürbatif yöntemlerle temsil edilemez. Geometrik olarak bir sfaleron, sonsuz boyutlu alan uzayındaki elektrozayıf potansiyelin bir eyer noktasıdır.

Bu eyer noktası, verilen bir sistemin iki farklı düşük enerjili denge durumu arasındaki engelin üstünde bulunur. İki tarafındaki iki denge durumu, iki farklı baryon sayısı ile etiketlenir. Denge durumlarından biri üç baryondan oluşurken, diğeri üç antileptondan oluşabilir. Bu engeli geçip baryon sayısını değiştirmesi için sistemin ya engelden tünelleme yapması gerekir (bu durumda süreç bir tür instanton süreci olur); ya da engelin üstünden klasik olarak geçebilmesi için makul bir süre boyunca yeterince yüksek enerjide tutulması gerekir (bu durumda sürece sfaleron süreci denir ve sürece adını veren bir sfaleron parçacık ile modellenebilir). Hem instanton hem de sfaleron durumlarında, süreç sadece üçlü baryon grubunu, üçlü antilepton grubuna (veya üç antibaryonu üç leptona) dönüştürür.

Bu durum, baryon sayısı ve lepton sayısı korunumlarını çiğner ama B-L farkı korunur. Sfaleron sürecini tetikleyebilmek için gereken en düşük enerjinin 10 TeV civarında olduğu düşünülüyor. Bununla birlikte, sfaleronlar var olan BHÇ (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, İng. LHC) çarpışmalarında üretilemez. Çünkü BHÇ her ne kadar 10 TeV ve üzeri enerjide çarpışmalar üretebilse de, üretilen enerji sfaleron yaratacak biçimde odaklanamaz. Bir sfaleron, instantonun orta noktasına (τ=0) benzerdir, dolayısıyla pertürbatif değildir. Bunun anlamı, normal koşullar altında sfaleronların gözlemlenemeyecek denli ender gerçekleştiği demek olur. Ancak erken evrenin yüksek sıcaklıklarında çok daha yaygın olmuş olmalıdırlar.

Sfaleron Süreci ve Baryogenez

Bir sfaleron baryonları antileptonlara ve antibaryonları leptonlara dönüştürebildiğinden, eğer bir aşamada sfaleron yoğunluğu yeterince yüksek olduysa, herhangi bir net baryon ya da antibaryon fazlalığını yok ederlerdi. Bunun, Standart Model içindeki herhangi bir baryogenez kuramı açısından iki önemli sonucu vardır:

1. Elektrozayıf simetri kırılmasından önce oluşan herhangi bir net baryon fazlası, erken evrenin yüksek sıcaklıklarında bolca bulunan sfaleronlar tarafından silinirdi.
2. Elektrozayıf simetri kırılması sırasında net bir baryon fazlalığı ortaya çıkabilmekle beraber, bu fazlalığın korunabilmesi ancak faz geçişinin birinci mertebeden olmasıyla mümkün olurdu. Çünkü ikinci mertebe bir faz geçişinde sfaleronlar oluşan her baryon asimetrisini yok ederken, birinci mertebe bir faz geçişinde sadece kırılmamış fazdaki baryon asimetrisini yok ederlerdi.

Bazı baryogenez kuramlarına göre, lepton ve antilepton sayılarındaki bir dengesizlik ilk olarak leptogenez tarafından oluşturulmuş, ardından sfaleron geçişleri bunu baryon-antibaryon sayısı dengesizliğine dönüştürmüş olabilir.

Fizikçi Max Tegmark, baryonların antileptonlara dönüşümünün kuramsal enerji verimliliğinin, var olan güç üretim teknolojisinin (örneğin çekirdeksel kaynaşmanın) enerji verimliliğinden kat-be-kat yüksek olacağını belirtiyor. Tegmark, çok ileri bir uygarlığın, sıradan baryonik maddeden enerji üretmek için bir "sfalerleştirici" (İng. sphalerizer) kullanabileceğini ekliyor.