Kuantum teorisinin kütleçekimiyle buluştuğu bölgedeki fizik, bir parçacığın içsel spini ile Dünya’nın kütleçekim alanı arasındaki bağlantıya yönelik yeni bir araştırmayla inceleniyor.
Fizik anlayışımızın temelini iki teorik sütun oluşturmaktadır. Bunlardan ilki, parçacık fiziği standart modelinin temelini oluşturan kuantum alan teorisidir. İkincisi ise Einstein tarafından yerçekiminin nasıl işlediğini belirleyen genel göreliliktir. Her iki sütun da çeşitli zorlu testlerden başarıyla geçmiş ve çok çeşitli tahminler parlak bir şekilde doğrulanmıştır. Bununla birlikte, görünürdeki uyumsuzlukları daha temel bir gerçeğe işaret etmektedir. Kuantum fiziği ve yerçekimi arasındaki bağlantı noktasındaki olayları inceleyen çalışmaların eksikliği, bu teorileri uzlaştırmayı zorlaştırmaktadır.
Şimdi, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden (USTC) Dong Sheng ve Zheng-Tian Lu yönetimindeki bir grup bilim insanı, bir parçacığın içsel kuantum spini ile Dünya’nın yerçekimi alanı arasındaki etkileşimler için son derece hassas bir araştırma yaparak bu boşluğu doldurdu. Araştırma, bu etkileşim için herhangi bir kanıt keşfedilmemiş olmasına rağmen, spekülatif doğal kuvvetlerin varlığının yanı sıra evrenin madde-antimadde asimetrisinin kökeni üzerinde etkileri olan önemli sınırlamalar üretti.
Dirac’ın kuantum fiziği ile özel göreliliği bütünleştirmesi sayesinde içsel spin, özünde bir parçacığın fiziksel dönüşünü içermeyen, açısal momentumun tamamen kuantum bir biçimidir. Bunun aksine, yalnızca büyük, ağır varlıkların dönüşünden kaynaklanan açısal momentumu tanımlayan klasik bir teori olan genel görelilik, kütleçekim alanlarını açıklamak için kullanılır. Kuantum spin ile kütleçekim alanı arasındaki ilişki nedir? Bu soru hala cevapsızdır.
USTC ekibi, bir atom çekirdeğinin dönüşüyle ilişkili enerjinin, dönüşün Dünya’nın yerçekimi alanına göre yönelimine bağlı olup olmadığını belirlemek için inanılmaz derecede hassas bir deney oluşturdu.
Manyetik alan içindeki bir nükleer spinin eşdeğer durumunu düşünün: spinin manyetik momenti, enerjisinin spinin alana göre yönüne bağlı olmasına neden olur. Hem manyetik rezonans görüntülemenin (MRI) hem de nükleer manyetik rezonansın temelini oluşturan Zeeman etkisi bir olgudur. Larmor frekansı olarak bilinen ve manyetik alan ekseninden eğik spinlerin topaç gibi sallanmasına neden olan belirgin bir frekans olan presesyonla sonuçlanır. Benzer şekilde, spin-yerçekimi bağlantısı varsa, spinler yerçekimsel bir ortamda da presesyona uğrayacaktır.
Dünya’nın yerçekimi alanında, eğer yerçekimi kütleye uyguladığı kuvvetle doğrudan spine uygulasaydı, spinler yaklaşık 10 nHz’lik bir frekansta dönecekti.
Bu rakam gezegenimizin günlük dönüş hızının neredeyse binde biri kadardır ve Dünya’nın manyetik alanındaki olağan nükleer Larmor frekansından 10 milyar kat daha küçüktür. Bu zıtlıklar USTC ekibinin karşılaştığı muazzam zorlukları vurgulamaktadır. Potansiyel bir spin-yerçekimi etkileşimini tanımlamak için, manyetik alanların ve Dünya’nın dönüşüyle ilişkili jiroskopik olayların neden olduğu sistematik yanlışlıkları anlamak ve sıkı bir şekilde düzenlemek özellikle önemliydi.
USTC ekibi tarafından kullanılan yöntemde ksenon-129 ve ksenon-131 izotoplarından oluşan spin-polarize bir gaz kullanıldı. Uygulanan bir manyetik alanda, araştırmacılar iki izotopun nükleer spin presesyon frekanslarını eş zamanlı olarak ölçtüler.
Jiroskopik etkilerin yol açtığı sistematik hataları azaltmak için, bu alanın yönü dikkatlice Dünya’nın dönüş eksenine paralel olarak yönlendirildi. Ekip, iki presesyon frekansını bölerek manyetik alana bağlı etkileri kesin olarak iptal etti. Manyetik alanın yönü tekrar tekrar değiştirilirken, bu frekans oranı izlendi ve iki farklı alan yönü için oranlar arasındaki farklar hesaplandı. Bu fark, birinci dereceden, yerçekiminin spinlere uyguladığı tork gibi manyetik olmayan faktörlerin neden olduğu presesyon miktarıyla orantılıdır. Verilerin dikkatli bir şekilde incelenmesinin ardından araştırmacılar, spin-yerçekimi etkileşimine dair hiçbir belirti bulamadılar.
USTC deneyi, ksenon-129 ve ksenon-131 çekirdeklerinin yapısı nedeniyle yerçekiminin nötron spinlerine bağlanma gücüne özellikle duyarlıdır. Ölçümler, yerçekimi ile herhangi bir içsel spin bağlantısına en sıkı kısıtlamayı getirmiştir. Belirlenen nötron limiti, önceki kısıtlamaları 17 kat azaltmakta, elektron ve proton kısıtlamalarını sırasıyla 400 ve 6000 kat geride bırakmaktadır. Deney, Dünya’nın dönme hızından yüz kat daha düşük olan spin presesyon frekanslarına karşı duyarlıdır.
USTC deneyinin aradığı spin-yerçekimi etkileşimi ile aksion gibi garip bir bozonun aracılık ettiği uzun menzilli bir kuvvet arasındaki farkı söylemek mümkün değildir.
Karanlık maddeyi açıklamak için makul bir seçenek, standart modelin çok sayıda teorik uzantısı tarafından öngörülen varsayımsal bir parçacık olan aksiyondur. Astrofiziksel verilerden belirlenen ciddi kısıtlamaların yanı sıra belirli aksion aracılı kuvvetlerin gücüne ilişkin daha önceki sınırlamalar USTC sonuçlarıyla önemli ölçüde aşılmıştır.
USTC deneyinin, koordinat eksenlerinin orijin üzerinden yansıması üzerine simetriye karşılık gelen parite (P) ve zamanın tersine çevrilmesi (T) temel simetrilerinden sapan bir spin-çekim etkileşimini araştırması özellikle ilgi çekicidir [6]. Kuantum alan teorisine göre, T simetrisini ihlal eden etkileşimler, C’nin yük konjugasyonu veya bir parçacığın antiparçacığa dönüşmesi anlamına geldiği birleşik CP simetrisini de kıracaktır.
Evrenin madde-antimadde dengesizliğinin oluşumu uzun süredir devam eden bir fizik bulmacasıdır ve kayıp parça şu anda tanımlanamayan bir CP ihlali kaynağıdır. Nötrino fiziğinde CP’yi ihlal eden etkilerin yanı sıra elektron ve diğer temel parçacıkların CP’yi ihlal eden kalıcı elektrik dipol momentleri için yapılan araştırmalar bu muamma tarafından ateşlenmiştir. Spin-kütleçekim etkileşimlerinin araştırılması, kütleçekimin CP simetrisini ihlal edebileceği ihtimali ile çok daha zorlayıcı hale gelmiştir.
Einstein’ın genel göreliliği geliştirmesinden kısa bir süre sonra başlayan önemli teorik çalışma, teorinin içsel spini çerçevesine dahil ederek temelden değiştirilebileceğini ortaya koymuştur.
Yörüngesel açısal momentum üzerindeki kütleçekimsel etkilerin spin üzerinde eşit etkilere sahip olacağı analoji yoluyla varsayılabilir çünkü içsel spin nihayetinde bir tür açısal momentumdur.
Bu fikir zorlu bir deneye işaret etmektedir. Genel göreliliğe göre, dönen büyük kütleler dönerken uzay zamanı da kendileriyle birlikte hareket ettirecektir. Jiroskoplar, örneğin Gravity Probe B keşif gezisi tarafından gözlemlenen bu çerçeve sürüklenmesinin bir sonucu olarak preslenir. USTC deneyinin hassasiyeti, çerçeve sürüklenmesinin neden olduğu spin presesyonunu tespit edebilmekten hala birçok büyüklük mertebesi uzaktadır. Ancak, böyle bir testin gelecekte mümkün olabileceğine işaret eden deneysel öneriler vardır.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/80