Fiziğin nihai amacı, her fiziksel sistemin tam olarak nasıl davranacağını mümkün olduğunca kesin bir şekilde tanımlamaktır. Bu nedenle fizik yasalarının evrensel olması gereklidir. Hangi koşullar mevcut olursa olsun veya hangi deneyleri yaparsak yapalım, teorik tahminler ölçülen sonuçlarla eşleşmelidir.
Neyse ki elimizde tüm fiziksel fenomenler için geçerli olan bir aracımız var. Bu da bu yazımızın konusu olan CPT Simetrisidir. CPT-Simetrisi bugün hala geçerliğini koruyan ve deneylerle henüz çürütülememiş bir simetri türüdür. Bu nedenle de değişmez bir yasa gibi görünmektedir.
Çoğumuz simetri kelimesini duyduğumuzda, bir şeyin aynada yansıması sonucunda oluşan simetriyi anlarız. Örneğin aşağıdaki harfler farklı eksenlere göre simetriktir. Ama simetrinin başka türleri de var. Yatay bir çizginiz varsa ve yatay olarak kaydırırsanız, aynı yatay çizgi olarak kalır: bu öteleme simetrisidir.
Daha bir çok simetri türü vardır. Bu simetrilerden bazıları bilinen fizik yasalarına göre her zaman geçerlidir. Bazıları ise belirli koşullar yerine getirildiği sürece geçerli olacaktır. Doğanın nasıl işlediğini anlama yöntemlerimizden birisi de bu simetri yaklaşımıdır.
CPT Simetrisi Nedir?
Çevremizdeki her şey maddeden oluşur ve bu maddelerin her biri için maddenin tam tersi olan antimadde bulunur. Madde; yüksüz nötronlar, artı yüklü protonlar ve eksi yüklü elektronlar gibi atom altı parçacıklardan oluşur. Antimadde de aynı şeydir. Ancak her şey zıttı gibidir. Örneğin bir hidrojen atomunun anti maddesinin zıt spini, zıt yükü, antiprotonu ve antinötronu vardır.
Günümüzde antimaddenin var olduğunu bilsek de, özelliklerini anlamaktan hâlâ çok uzağız. Bildiğimiz gibi, madde her yerdedir ama antimadde neredeyse hiçbir yerde bulunmaz. Göründüğü kadarıyla evren, antimaddeden çok daha fazla maddeye sahiptir.
Peki gelecekte bir gün bir anti-evren yaratırsak, orijinal evrenimizde keşfettiğimiz yerçekimi, elektromanyetizma vb. gibi tüm fiziksel kuralları bu evrende takip edecek mi? Bu sorunun cevabını vermek için evrenimizi yöneten temel, köklü simetriyi bilmemiz gerekiyor. Bu da CPT simetrisidir. ( Daha fazlası için: Neden Antimaddeden Değil de Maddeden İbaretiz?)
CPT Simetrisindeki Harfler Ne Anlama Gelir?
CPT harflerinin her biri (gerçek veya varsayımsal) bir ters çevirme biçimini simgeler. Temel olarak, bir parçacığın Yükünü (C), Paritesini (P) ve Zaman Akışını (T) değiştirdiğimizde, değişen o parçacığın tüm fizik kurallarına uyması gerekecektir. (Detaylar için: Fizikte Simetri ve Korunum Yasaları Üzerine Kısa Bir Bakış)
Kuantum alan teorisi, büyük ölçüde CPT simetrisine dayanmaktadır. Bu simetrinin hatalı olduğu kanıtlanırsa, fizikteki bir çok anlayışımızı değiştirmek zorunda kalırdık. Neyse ki şu ana kadar tek bir deneyde bile CPT simetrisiyle ilgili bir tutarsızlık ortaya çıkmadı.
Bu iyi bir şey. Çünkü bu simetri kombinasyonunun ihlal edilmemesini talep eden bir teorem var. Bu Lorentz simetrisidir. Lorentz simetrisi fizikte, fizik kurallarının Lorentz dönüşümleri altında değişmezliğini gösteren simetridir. Eğer, CPT simetrisini ihlal ederseniz, Lorentz simetrisi de bozulur.
CPT simetrisi iyi bir simetri ise, o zaman Lorentz simetrisi yani fizik yasalarının tüm eylemsiz (yani hızlanmayan) referans çerçevelerinde gözlemciler için aynı kalması durumu da aynı zamanda iyi bir simetri olmalıdır. Bu nedenle CPT simetrisi asla bozulmaması gereken tek simetridir.
Charge (C) Simetrisi Nedir?
Bu simetri, bir parçacığın yükünü tam zıt yükle değiştirirsek, parçacığın orijinal parçacıkla aynı şekilde davranacağını söyler. Bu benzer şekilde etkileşeceğini ve böylece simetriyi koruyacağını anlamına gelir. Buna örnek olarak Electron -> Positron, Proton -> Antiproton çiftlerini verebiliriz.
Parite (P) Simetrisi Nedir?
Parite simetrisini basitçe ayna yansıması simetrisi olarak da düşünebilirsiniz. Aynaya bakarsanız, aynadaki görüntünüzün kendi görüntünüze simetrik olacaktır. Şimdi bir topu ayna karşısında döndürdüğünüzü düşünelim. Bu durumda aynadaki top, eksenin ters çevrilmesi dışında orijinal dünyada olduğu gibi aynı yörüngeyi ve aynı açısal momentumu takip edecektir. Yani beklediğimiz üzere herhangi bir fizik kuralının ihlali söz konusu değildir. Doğal olarak da aynı şey parçacıklar için de geçerli olmalıdır.
Time ( T) Simetrisi Nedir?
Elimizdeki yumurtayı yere düşürüp kırdığımızı düşünelim. Bu esnada bu olayı da bir arkadaşımız videoya çekmiş olsun. Şimdi videoyu tersten izleyelim. Bu durumda zamanı bir nevi tersine çevirmiş oluruz. İzlediğimiz videoda kırılan yumurtanın sarısı ve ak maddesinin birleşerek yumurtayı oluşturduğunu görürüz. Bu durumda bir simetri söz konusudur. Bu simetri bize, örneğin bir parçacık A —> B’ye değiştiğinde ve sonrasında zamanın akışını tersine çevirdiğimizde, aynı parçacığın B —> A’ya aynı şekilde değişmesi gerektiğini söyler.
Anti-maddenin bir maddeye benzer şekilde davranması ve etkileşmesi için bu üç simetri özelliğini de sağlaması gerekir. Ve eğer bu üç ayrı simetriden herhangi birine dayalı bir anti-evren yaratırsak, o zaman bizim evrenimizden farklı bir şekilde gelişecektir.
Tahmin etmiş olacağınız gibi tüm parçacıklar bu simetri koşullarına uymazlar. Bazı parçacıkların, C-simetrisini ihlal ederek, antiparçacıklarından temelde farklı bir şekilde davrandığı gözlemlenmiştir. Bazı parçacıklar kararsızdır ve yeterli zaman verildiğinde bozunurlar. Sonucunda bu parçacık bozunmalarından bazıları da pariteyi ihlal eder.
Sisteminizin ayna görüntüsünü ayarlayarak ve ardından aynadaki parçacıkları antiparçacıklarla değiştirerek bu simetrilerin kombinasyonunu da test edebilirsiniz. Bu kombinasyon, CP-simetrisi olarak bilinir. 1950’lerde ve 1960’larda, bu simetrilerin her birinin; yerçekimi, elektromanyetik, güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler altında ne kadar iyi performans gösterdiklerini test eden bir dizi deney yapıldı.
Elektromanyetik ve yerçekimi kuvvetlerinin yanı sıra güçlü nükleer kuvvet altında, bu tür simetri ihlalleri gözlenmedi. Bu, günümüze kadar bile geçerliliğini koruyor. Bununla birlikte, zayıf nükleer kuvvetlerin C, P ve T simetrilerinin her birini ve ayrıca (CP, PT ve CT) kombinasyonlarını ihlal ettiği gözlemlendi.
Zayıf nükleer kuvvet pek çok parçacığın ve hatta pek çok atom çekirdeğinin kararsız olmasından sorumludur. Parçacıklar üzerindeki temel etkisi kuark ve leptonların türlerini değiştirmesidir. ( Daha fazlası için: Her Etkileşimi Kontrol Eden Evrendeki Dört Temel Kuvvet)
Sonuç Olarak;
Tekli ve ikili ihlaller söz konusu olsa da CPT simetrisi şu an kadar yaptığımız tüm denemelerde korunuyor. Parçacık fiziği deneyleri, CPT simetrisinin ihlallerini araştırmak için onlarca yıldır çalışıyor. Ancak tek bir deneyde bile CPT simetrisiyle bir tutarsızlık gözlemlemedi.
Fizikçiler deneysel teste dayanan, kendi içinde tutarlı bir teorik çerçeve oluşturan ve gerçekliğimizi doğru bir şekilde tanımlayan fizik yasalarını, aksi kanıtlanana kadar, doğruymuş gibi ele alırlar. Bu durumda, fizik yasalarının her yerde ve tüm gözlemciler için aynı olduğu varsayımı, aksi ispatlanana kadar geçerli kabul edilmelidir. Sonuç olarak, bildiğimiz fizik yasaları doğru olduğu sürece, Evrenimizde gerçekten kırılmaz olan tek simetri CPT simetrisi gibi gözüküyor.
Kaynaklar ve ileri okumalar
- Discrete Symmetries; https://www.nikhef.nl/~jo/CP_course.pdf
- This Particle Breaks Time Symmetry; https://www.youtube.com/watch?v=yArprk0q9eE
- The Reversal of Parity Law in Nuclear Physics; https://www.nist.gov/
Matematiksel
