Mainz’deki Johannes Gutenberg Üniversitesi’ndeki PRISMA+ mükemmellik grubundaki bir ekip, Kalsiyum elementinin atom çekirdeğinin elektronlarla çarpışmalarda nasıl davrandığını hesaplamayı başardı. Sonuçlar mevcut deneysel verilerle çok iyi uyuşuyor. İlk kez, temel bir teoriye dayalı bir hesaplama, Kalsiyum kadar ağır bir çekirdek için deneyleri doğru bir şekilde tanımlama yeteneğine sahip oldu. Özellikle ilşki düzeyi üzerinden konuya yaklaşırsak bu tür hesaplamalar gelecekte nötrino deneylerini yorumlama potansiyeli olduğudur. Physical Review Letters mevcut sayısında ulaşılan kilometre taşını rapor ediyor.
Yeni yayın, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı ile işbirliği içinde, mükemmellik grubu PRISMA+’da teorik nükleer fizik profesörü olan Prof. Sonia Bacca liderliğindeki gruptan çıkmıştır.
Bacca, atom çekirdeğinin çeşitli özelliklerini, onları, kiral etkin alan teorisi içinde tanımlanabilecek bileşenleri (nükleonlar) arasındaki etkileşimlerden türemiştir.
Kiral Etkin Alan Teorisi Nedir?
Kiral pertürbasyon teorisi (ChPT), kuantum renk dinamiğinin (QCD) kiral simetrisi (yaklaşık) ile tutarlı bir Lagrange ile ve ayrıca parite ve yük konjugasyonunun diğer simetrileriyle oluşturulmuş etkili bir alan teorisidir. ChPT, bu temel kiral simetri temelinde QCD’nin düşük enerjili dinamiklerini incelemeye izin veren bir teoridir.
Araştırması, deneysel gözlemler ile kuantum renk dinamiğinin altında yatan teori arasında sağlam bir bağlantı sağlamayı amaçlamaktadır. Fizikte böyle bir prosedür, ab initio hesaplaması olarak tanımlanır. Ayrıca, örneğin elektronlar veya diğer parçacıklarla etkileşim yoluyla dış alanlar tarafından incelenen atom çekirdeğinin enine kesitleri de aynı teori içinde tanımlanabilir. Bu prosedür, örneğin PRISMA+ araştırma programının önemli bir odak noktası olan nötrino fiziğinde olduğu gibi, mevcut verileri açıklamak ve gelecekteki deneyleri yorumlamak için anahtardır.
Ab initio Yöntemi Nedir?
Nükleer fizikte, ab initio yöntemleri, tüm kurucu nükleonlar ve aralarındaki kuvvetler için göreceli olmayan Schrödinger denklemini çözerek atom çekirdeğini aşağıdan yukarıya açıklamaya çalışır. Bu, ya tam olarak çok hafif çekirdekler için (dört nükleona kadar) ya da daha ağır çekirdekler için belirli iyi kontrollü yaklaşımlar kullanılarak yapılır. Ab initio yöntemleri, örn. nükleer kabuk modeli. Son gelişmeler, nikel gibi daha ağır çekirdeklerin ab initio tedavisini mümkün kılmıştır.
Nötrinolar Nedir ve Onları Tanıyalım?
Nötrinolar, Dünyamıza sürekli olarak nüfuz eden, ancak tespit edilmesi ve anlaşılması çok zor olan zor parçacıklardır. ABD’deki DUNE deneyi gibi yeni planlanmış deneylerle, bilim adamları temel özelliklerini araştırmak istiyorlar, örneğin bir tür nötrinoların diğerine dönüştüğü fenomen – teknik jargon, nötrino salınımı olarak adlandırılır. Bunu başarmak için teorik hesaplamalardan önemli bilgilere ihtiyaç duyarlar. Spesifik olarak, ilgili soru şudur:
Nötrinolar Dedektördeki Atom Çekirdeği İle Nasıl Etkileşir?
Atom çekirdeği üzerindeki nötrinoların saçılmasıyla ilgili deneysel veriler nadir olduğundan, araştırmacılar ekibi önce deneysel verilerin mevcut olduğu başka bir leptonun – elektronun – saçılımına baktı. Mainz’de doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın ilk yazarı olan Dr. Joanna Sobczyk, “Kalsiyum 40, tabiri caizse bizim test sistemimizdir” diye açıklıyor. “Yeni ab initio yöntemimizle elektron saçılımında ne olduğunu ve Kalsiyum atom çekirdeğinin nasıl davrandığını çok kesin bir şekilde hesaplayabildik.”
Büyük Bir Başarıya İmza Atıldı
Şimdiye kadar 40 nükleondan oluşan Kalsiyum kadar ağır bir element için bu tür hesaplamalar yapmak mümkün değildi. Sonia Bacca, “Temelde yöntemimizin güvenilir bir şekilde çalıştığını göstermeyi başardığımız için çok memnunuz” diyor. “Şimdi yeni bir çağ başlıyor, ab initio yöntemleri, leptonların (bunlar elektronları ve nötrinoları içerir) çekirdekler üzerindeki, hatta 40 nükleon için bile saçılımını tanımlamak için kullanılabilir.”
“Yaklaşımımızın en güzel özelliklerinden biri, hesaplamamızla ilgili belirsizlikleri titizlikle nicelleştirmemize izin vermesidir. Belirsizlik nicelemesi çok zaman alıcıdır, ancak teori ile deneyi uygun şekilde karşılaştırabilmek için son derece önemlidir,” diyor Dr. Bijaya Acharya, PRISMA+ doktora sonrası ve aynı zamanda çalışmanın ortak yazarı.
Araştırma ekibi, Kalsiyum için yöntemlerinin potansiyelini gösterdikten sonra, gelecekte Argon elementine ve bunun nötrinolarla etkileşimine bakmak istiyor. Argon, planlanan DUNE deneyinde hedef olarak önemli bir rol oynayacak.
Kaynak: phys.org/news/
phys.org/news/2021-08-atomic-nuclei-leptons-milestone-sections.html
