Erken Evren’de Kuark-Gluon Plazması

Büyük Patlama’nın ardından çok kısa bir süre sonra evren, kozmik karanlığın içinde sessizce kaynayan bir ateş okyanusuydu diyebiliriz. Olağanüstü yüksek sıcaklıkların hâkim olduğu yoğun bir kuark-gluon plazmasıyla doluydu. Kuarkların (temel madde parçacıkları) özgürce hareket ettiği bu dönem, maddenin bugünkü hâline dönüşmeden önceki en erken sahneydi.

Evrenimizin bu sır dolu dönemindeki fenomene; kuark-gluon plazmasına bir bakış atıyoruz.

Kuark-Gluon Plazması (QGP) Nedir?

Kuarklar, normal koşullarda renk hapsi (confinement) ilkesi nedeniyle proton ve nötron gibi hadronların içine hapsolmuş durumdadır. Tek başlarına gözlemlenemezler ancak evrenin çok erken dönemlerindeki gibi aşırı yüksek enerji yoğunluklarına ulaşıldığında, termodinamik bir faz geçişi yaşanır. Ortam sıcaklığı kritik bir değer olan T_C‘yi (T_C ≈ 2×10¹² K)  aştığında, hadronları oluşturan yapılar adeta ‘eriyerek’ bileşenlerine ayrışır. Bu yeni fazda, kuarklar ve gluonlar artık birlikte değildir; tıpkı iyonize olmuş bir gazdaki elektronların serbest kalması gibi, bu parçacıkların da serbestçe dolaşabildiği, maddenin en yüksek enerjili hali olan Kuark-Gluon Plazması meydana gelmiş olur.

Sıcak Ama Ne Kadar Sıcak?

Kuark-gluon plazmasının oluşması için gereken termodinamik koşulları anlayabilmek üzere bildiğimiz sıcaklık algımızı ilerletmemiz gerekir. Bildiğimiz en ekstrem astrofiziksel ortamlar, hatta yıldızların çekirdeklerinde nükleer füzyonu başlatan o muazzam sıcaklıklar bile kuarkları serbest bırakmak için gereken enerjinin yanında ihmal edilebilir düzeyde kalır. Kuark-gluon plazması için aranan ortam, Güneş’in merkezindeki sıcaklığın yaklaşık bir milyon katıdır. Bu öyle bir enerjidir ki; bu noktada sadece moleküler veya atomik bağlar değil, bizzat maddenin çekirdeğini bir arada tutan güçlü nükleer kuvvet termal enerjiye yenilir ve nükleonlar ‘eriyerek’ evrenin ilksel sıvısına dönüşür.

Maddenin Halleri ve Faz Geçişleri

Maddenin faz değişimlerinde, sisteme verilen enerji arttıkça yapılar arasındaki bağların yavaşça koptuğunu görürüz. Katı halden gaza geçiş moleküler bağların kopmasıyla gerçekleşirken, sıcaklığı daha da artırdığımızda elektronların atomdan koparak serbest kaldığı plazma fazına (iyonizasyon) ulaşırız. Sıcaklığı trilyonlarca dereceye, yani Güneş’in merkezinden bir milyon kat daha yüksek bir seviyeye çıkardığımızda ise maddenin dayanıklılık sınırı atomik boyuttan nükleer boyuta iner ve bu ekstrem koşullarda artık atom çekirdekleri yani nükleonlar ‘erimeye’ başlar. Proton ve nötronların bu termal erimesi sonucunda, içlerindeki kuarklar ve gluonlar serbest kalarak maddenin en temel ve en yüksek enerjili formu olan kuark-gluon plazmasını oluşturur.

RICH ve LHC Araştırmaları

Kuark-gluon plazması, kapsamlı teorik bilgilerin dışında günümüzde deneysel fiziğin önemli bir konusu halindedir. New York’taki RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) ve CERN’deki LHC (Large Hadron Collider) gibi devasa tesislerde, standart parçacık fiziği deneylerinden farklı bir yöntem izlenir. Burada elektronlar değil, elektronlarından tamamen arındırılmış ‘çıplak’ ağır atom çekirdekleri -örneğin Altın veya Kurşun iyonları- kullanılır. Bu ağır iyonlar yüksek hızlara çıkarılarak kafa kafaya çarpıştırılır. Bu çarpışmada ortaya çıkan muazzam enerji yoğunluğu sayesinde Büyük Patlama koşulları mikroskobik ölçekte taklit edilir ve madde anlık olarak plazma fazına geçirilerek araştırmalar gerçekleştirilir. Ancak laboratuvar ortamında oluşturulan kuark-gluon plazması, yalnızca 10^-22 saniye gibi algılanması güç bir süre boyunca varlığını koruduğundan, bu maddeyi incelemek oldukça güçtür. Çarpışma anında sistemin içinde kendiliğinden oluşan ‘parçacık jetleri’ bu güçlüğü aşmakta önemli bir rol oynamaktadır. Çarpışma şiddetiyle saçılan yüksek enerjili kuark ve gluonlar, plazma ortamının içinden geçerken güçlü nükleer kuvvet ile etkileşime girerler. Bu süreçte, tıpkı yoğun bir sıvının içinde ilerleyen bir cismin sürtünmeyle yavaşlaması gibi, jetler de önemli ölçüde enerji kaybederek sönümlenirler. Standart proton-proton çarpışmalarında (plazmasız ortam) gözlemlenmeyen bu enerji kaybı, kuark-gluon plazmasının o an orada oluştuğunu kanıtlayan önemli bir işarettir.

Kuark-gluon plazması üzerine yaptığımız bu yolculukla, evrenimizin “kaotik bir düzenle” oluştuğunu bir başka fenomen yardımıyla görmüş oluyoruz. Bilime adanmış nice hayatlar sayesinde bugün yerin yüz metrelerce altında kurulan devasa makinelerle, 13.8 milyar yıl önceki o ilk anı, o ilksel kıvılcımı avuçlarımızın içinde yeniden gerçekleştirmeye çalışıyoruz. Bir zamanlar tüm evreni kaplayan bu ateşten okyanusun soğuyup protonlara, atomlara, yıldızlara ve nihayetinde bize dönüşmesi, evrenin en büyüleyici hikayelerinden biridir. İnsanoğlunun aklı ve bilimin gücüyle birlikte, kendi kökenlerimizi aydınlatmak için atomun kalbini eritebiliyor, maddenin en derin ve en sessiz sırlarına dokunabiliyoruz.

Nice bilimsel keşiflere merhaba demek umuduyla!

KAYNAKLAR

1. Fermilab. (2015). Quark Gluon Plasma [Video]. YouTube. youtu.be/Rk9KZLaVItI
2. Technische Universität Wien. Quark-Gluon Plasma Research. Institute for Theoretical Physics. tuwien.at/en/phy/itp/research/fundamental-interactions/quark-gluon-plasma
3. CMS Collaboration. A journey through the quark-gluon plasma. CERN cms.cern/news/journey-through-quark-gluon-plasma
4. CERN. Heavy ions and quark-gluon plasma. home.cern/science/physics/heavy-ions-and-quark-gluon-plasma