Nükleer Fizikçiler Atom Çekirdeğinin İçini Görebiliyor

Nukleer Fizikciler Atom Cekirdeginin Icini Gorebiliyor
Nukleer Fizikciler Atom Cekirdeginin Icini Gorebiliyor

Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı (RHIC), nükleer fizikçilerin atom çekirdeklerinin yapısını ve özelliklerini gözlemlemeleri için yeni bir uygulamaya sahiptir. Yaklaşım, çarpıştırıcı etrafında yarışan altın iyonlarını çevreleyen ışık parçacıklarından ve daha önce hiç gözlemlenmemiş yeni bir tür kuantum dolanıklığından oluşuyor.
Bir dizi kuantum dalgalanması yoluyla, ışık parçacıkları veya fotonlar gluonlarla etkileşime girer. Bu etkileşimler sonucunda bir ara parçacık yaratılır ve bu parçacık hızla farklı yüklere (p) sahip iki “pion “a bozunur.

Bilim insanları bu p+ ve p- parçacıklarının RHIC’in STAR dedektörüyle temas ettiği hız ve açıları analiz ederek foton hakkında önemli bilgiler elde edebilir ve bunları çekirdek içindeki gluonların düzenini daha önce hiç olmadığı kadar doğru bir şekilde haritalamak için kullanabilirler.

Ocak 2023’te Ohio Eyalet Üniversitesi’ne yardımcı doçent olarak katılan eski Brookhaven Laboratuvarı fizikçisi ve STAR işbirliğinin bir üyesi olan James Daniel Brandenburg, “Bu yöntem, doktorların beynin ve diğer vücut bölümlerinin içinde neler olduğunu görmek için pozitron emisyon tomografisini kullanmasına benziyor” diyor. Ancak bu durumda, tek bir proton ya da femtometre veya bir metrenin katrilyonda biri büyüklüğündeki özelliklerin haritalanmasından bahsediyoruz.

STAR bilim insanları, gözlemlerinin yepyeni bir tür kuantum girişiminin keşfiyle mümkün olmasını daha da şaşırtıcı buluyorlar.

Brookhaven fizikçisi ve STAR işbirlikçisi Zhangbu Xu, “Giden iki parçacığı ölçüyoruz ve yüklerinin farklı olduğu açık – bunlar farklı parçacıklar” diyor. “Ancak, ayırt edilebilir parçacıklar olmalarına rağmen bu parçacıkların dolaşık ya da senkronize olduğunu gösteren girişim desenleri görüyoruz.”

Bu bulgunun sonuçları, maddenin bileşenlerini kataloglamanın büyük hedefinin çok ötesine uzanabilir.

Örneğin, 2022 Nobel Fizik Ödülü’nü paylaşacak olanlar da dahil olmak üzere pek çok araştırmacı dolaşıklıkla ilgileniyor. Amaçlardan biri, şu anda sahip olduklarımızdan çok daha güçlü bilgisayarlar ve iletişim araçları yaratmak.

Yakın zamanda farklı dalga boylarında lazer girişiminin gösterilmesi de dahil olmak üzere, bugüne kadar yapılan dolanıklık gözlemlerinin çoğunda fotonlar veya özdeş elektronlar kullanılmıştır.

Brandenburg, bunun birkaç parçacık arasındaki dolanıklığın ilk deneysel gözlemi olduğunu iddia ediyor.

Fizikçiler, DOE Bilim Ofisi tarafından sağlanan bir kullanıcı kaynağı olan RHIC’i kullanarak nükleer maddenin en temel yapı taşları olan proton ve nötronları oluşturan kuark ve gluonları keşfedebilirler. Bunu, çarpıştırıcıdan ışık hızına yakın bir hızla geçen altın gibi ağır atom çekirdeklerini bir araya getirerek gerçekleştiriyorlar.

Protonlar ve nötronlar arasındaki sınırları “eritebilen” çekirdekler arasındaki bu çarpışmaların gücünü analiz ederek, bilim insanları kuarklar ve gluonların kozmosun ilk zamanlarındaki halleri hakkında daha fazla bilgi edinebilirler.

Ancak nükleer fizikçiler, bu atomik yapı taşlarını bir arada tutan kuvveti daha iyi anlamak için, kuark ve gluonların şu anda var oldukları haliyle atom çekirdekleri içinde nasıl davrandıklarıyla da ilgileniyorlar.

Yeni bir sonuç, çekirdeğe erişmek için RHIC’de hareket eden iyonları çevreleyen foton “bulutlarını” kullanmanın bir yolu olabileceğini gösteriyor. Eğer iki altın iyonu etkileşime girmeden birbirlerinin çok yakınından geçerse, birinin etrafındaki fotonlar diğer iyonun içini görebilir.

Daha önceki bu çalışmada, söz konusu fotonların kutuplaşmasının, iyonun çekirdeğinden dışarıya doğru uzanan elektrik alanından kaynaklandığını göstermiştik. Ve şu anda, bu teknolojiyi yüksek enerjili çekirdeklere bakmak için başarıyla kullanıyoruz.

Son zamanlarda işlenen verilerde p+ ve p- arasında görülen kuantum girişimi sayesinde fotonların polarizasyon yönünü son derece hassas bir şekilde tahmin etmek mümkün. Bu da fizikçilerin gluon dağılımını fotonun yoluna hem paralel hem de dik olarak incelemelerini sağlıyor.

İki boyutlu görüntülemenin çok önemli olduğu ortaya çıktı.

Brandenburg’a göre ortalama gluon yoğunluğu, polarizasyon yönünün bilinmediği önceki tüm deneylerde çekirdekten uzaklığın bir fonksiyonu olarak belirlenmişti.

Görüntüler o kadar detaylı ki, proton ve nötronların bu devasa çekirdeklerin içinde nerede bulunduklarını bile söyleyebiliyoruz.

Araştırmacılara göre, hem çekirdeklerdeki elektrik yükü dağılımına ilişkin gözlemler hem de gluon dağılımı kullanılarak yapılan teorik tahminler yeni görüntülerle niteliksel olarak destekleniyor.

Fizikçilerin bu 2 boyutlu gözlemleri nasıl yaptıklarını daha iyi anlamak için foton-gluon etkileşiminin ürettiği parçacığa geri dönelim. Bu parçacık rho olarak bilinir ve saniyenin dört septilyonda birinden daha kısa bir sürede p+ ve p-‘ye ayrışır. Ana rho parçacığının momentumunun yanı sıra gluonların dağılımı ve fotonların bulanıklaşmasına ilişkin ayrıntılar, bu iki pionun momentumlarının toplanmasıyla ortaya çıkar.

Araştırmacılar, sadece gluon dağılımını izole etmek için p+ veya p- yolu ile rho’nun yörüngesi arasındaki açıyı ölçüyorlar. Foton probunun neden olduğu bulanıklık, açı 90 dereceye yaklaştıkça azalıyor. Gluonların tüm çekirdek boyunca dağılımı, araştırmacılar tarafından çeşitli açılarda ve enerjilerde hareket eden rho parçacıkları tarafından üretilen pionları takip ederek görselleştirilebilir.

STAR dedektörüne çarpan p+ ve p- parçacıklarının, bu iki farklı zıt yüklü parçacığın birbirine dolanmasıyla oluşan girişim desenlerinin bir sonucu olduğunun kanıtı, ölçümleri mümkün kılan kuantum anomalisidir.

Her parçacığın fiziksel varlığının yanı sıra dalga varlığına da sahip olduğunu unutmayın.

Bir göletin yüzeyindeki dalgaların bir kayaya çarptığında dışarıya doğru yayılması gibi, parçacık dalgalarının tepe ve çukurlarını tanımlayan matematiksel “dalga fonksiyonları” birbirini güçlendirmek veya iptal etmek için etkileşime girebilir.

İki yakın yarış iyonunun etrafındaki fotonlar, çekirdeklerin içindeki gluonlarla etkileşime girerek her çekirdekte bir tane olmak üzere iki rho parçacığı üretiyor gibi görünüyor. Her bir rho bir p+ ve p-‘ye bozunurken, bir rho’dan gelen negatif pionun dalga fonksiyonu diğerinden gelen negatif pionun dalga fonksiyonuyla etkileşime girer. Güçlendirilmiş dalga fonksiyonu onunla karşılaştığında, STAR dedektörü bir p- alır. İki pozitif yüklü pionun dalga fonksiyonları benzer şekilde davrandığında, dedektör bir p+ alır.

Bu teorinin ilk savunucularından biri olan Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi araştırmacısı Wangmei Zha, girişimin aynı parçacıkların iki dalga fonksiyonu arasında olduğunu, ancak iki farklı parçacık, p+ ve p- arasındaki dolanıklık olmadan var olamayacağını iddia etti. Kuantum mekaniği bu şekilde olağandışıdır.

Rhos sadece bükülebilir. Uzmanlar farklı düşünüyor. Köken, rho parçacık dalga fonksiyonlarının kısa varoluşlarında kat edebilecekleri maksimum mesafeden 20 kat daha uzaktır, bu da p+ ve p-‘ye dönüşmeden önce etkileşime girmelerini imkansız hale getirir.

Her bir rho bozunumundan gelen p+ ve p- dalga fonksiyonları, dedektöre metrelerce arayla gelmelerine rağmen ana parçacıklarının kuantum bilgisini koruyor; tepe ve çukurları aynı fazda kalarak “birbirlerini bildiklerini” gösteriyor.

Çin’deki Shandong Üniversitesi’nden STAR’dan meslektaşı olan ve bu sonuca götüren çalışmayı da yöneten Chi Yang’a göre, p+ ve p- dolaşık olmasaydı, iki p+ (veya p-) dalga fonksiyonu, fark edilebilir bir girişim etkisi olmaksızın rastgele bir faza sahip olurdu. Bu kesin ölçümler mümkün olmazdı ve foton polarizasyonuyla ilgili herhangi bir yönelim belirleyemezdik.

Brookhaven’da inşa edilmekte olan Elektron-İyon Çarpıştırıcısı’nın (EIC) yanı sıra daha ağır parçacıklar ve diğer yaşam süreleri kullanılarak RHIC’de yapılacak gelecek araştırmalar, çekirdeklerin içindeki gluonların kesin dağılımlarını inceleyecek ve kuantum girişimine ilişkin çeşitli teorileri inceleyecektir.

Kaynak: science-astronomy.com

 

Günceleme: 21/01/2023 15:14

Benzer Reklamlar

İlk yorum yapan olun

Yorumunuz