Her dakika milyarlarca kez, Büyük Hadron Çarpıştırıcısında (LHC) protonlar birbirine çarparak bizlere eşsiz bilgilerin ip uçlarını sunuyor. Ancak bu bilgilerin yorumlanması ve alt parçacıkların tespit edilmesine sıklıkla denk gelinemiyor. Çarpışmalar esnasında bazı parçacıklar olay yerinden kaçarken birbirleriyle karşılaşırlar. Bundan sonra ne olacağını fizikçiler genellikle söyleyemezler. Bu reaksiyonlarda, belirli sayıda bir çift bir araya gelir veya ayrılır. Çekirdeğin İçindeki Gizemli Güçler ortaya çıkabilir. Onları neler bir arada tutmaktadır? Nasıl etkileşirler? Neye dönüşürler? Fizikçilerin bu çarpışmalarda yeni bir iz bulma istekleri hiç bitmez.
Teorisyenler, 50 yıldan daha uzun bir süre önce proton ve nötronların içindeki parçacıkların nasıl hareket ettiğini araştırdı. Ancak kuarklar olarak bilinen bu parçacıklar asla tek başlarına görünmezler.
Aslında vücudumuzu oluşturan ve parçacık çarpıştırıcılarında görünen kuark gruplarının davranışlarını tahmin etmekte pek de başarılı olduğumuz söylenemez.
Münih Teknik Üniversitesi’nde Fizikçi olan Laura Fabbietti nükleer fiziğin sınırlarında dolaştığımızı ifade ediyor.
Onlarca yıllık çalışmanın ardından, birden fazla kuarktan oluşan parçacıklar olan “hadronlar” üzerinde bilgilerimiz daha da netleşiyor. Süper bilgisayarlar artık belirli dijital hadronlar arasındaki kuvveti hesaplayabilir.
LHC’deki araştırmacılar, güçlü kuvvetin neden olduğu kısa ömürlü hadronlar arasındaki titremeleri doğrudan tespit edebilen, femtoskopi olarak bilinen yeni bir yönteme öncülük ediyorlar.
Femtoskopi Nedir?
Femtosaniye bazında reaksiyonların ve diğer süreçlerin incelenmesine diyebiliriz. 1 Femtosaniye 10−15 saniyeye eşittir.
Femtoskopi geliştiricilerinden biri olan Fabbietti, “Birdenbire, herhangi bir çift hadron arasındaki güçlü etkileşimi ilk kez test edebiliriz” dedi.
Esrarengiz Çekirdek
Atomun çekirdeği, Enrico Fermi ve Werner Heisenberg dahil olmak üzere alanda çalışan bilim insanlarına meydan okumuştur. Çekirdek içerisinde oluşan reaksiyonları tespit edebilmek çok kolay değildir.
Büyük bir bulmaca bizleri bekliyordu. Elektromanyetizma atomu kontrol eder, ancak çekirdek farklı kurallarla oynuyor gibi görünmektedir.
Nispeten bilinmeyen bir Japon fizikçi olan Hideki Yukawa, 1935’te nükleer bulmacanın büyük bir parçasına çarptı.
Çekirdeği bir arada tutan güçlü bir kuvvet varsa, bu tuhaftı. Kütlesiz foton, elektromanyetik kuvveti uzaklara taşıyordu. Ancak protonların ve nötronların yapışması için yakın temas gerekiyordu.
Yukawa’nın ana görüşü, bu kısa menzilin, yeni kuvvetin parçacığının hareketliliğini sınırlayan bir kütleye sahip olmasından kaynaklandığıydı.
Elektronun ağırlığının 200 katı olması gerektiğini hesapladı.
Fizikçiler, 1947’de kozmik ışınlarda, Yukawa’nın tahmin ettiğinden sadece üçte bir daha büyük bir kütleye sahip olan pi mezonu veya “pion”u keşfettiler. Nobel Ödülü iki yıl sonra geldi. Bu, parçacık fiziğinin doğuşuydu.
Pion, yeni parçacıklar tufanının ilkini kanıtladı. Büyüyen bu hayvanat bahçesindeki modeller, teorisyenleri kuarkların altı çeşit olduğu ve her zaman gruplar halinde var olacak kadar sıkı bir şekilde bağlandığı sonucuna varmalarına yol açtı.
Bugün fizikçiler 300’den fazla benzersiz hadron biliyorlar.
Kuantum renk dinamiği veya QCD olarak bilinen bir teori
Teorisyenler, 1970’lerde güçlü kuvvetin kuarkları nasıl yönettiğini üzerinde çalıştılar. Ancak sinir bozucu bir şekilde, tüm cevapları sağlamıyordu.
QCD, kuarkları, elastik bir banttaki gerilim gibi, mesafe ile büyüyen bir yoğunlukla, kuvvet taşıyan “gluonların” değiş tokuşu olarak tanımlar.
Parçacık çarpıştırıcısında olduğu gibi, parçacıklar birbirine çarptığında, kuarklar birbirine o kadar yakınlaşır ki elastik gevşer.
Bu durumlarda, QCD iyi çalışır. Ancak olağan koşullar altında, elastik gerilir, bağlanır ve QCD’nin matematiği bozulur. Bu sınırlama, hadronların gerçek dünyadaki davranışını bir gizem haline getirir.
Tokyo Metropolitan Üniversitesi’nde fizikçi olan Tetsuo Hyodo, “Bu, temel parçacık fiziğinin Standart Modelindeki tek [hesaplanamaz] parçadır” dedi.
Hadronların Gizemi
Çözülebilir bir teori olmasa bile, iki teknik, fizikçilerin parçacıkların şifreli davranışlarını kırmalarına giderek daha fazla yardımcı oluyor.
Birincisi, sorunu süper bilgisayarlara dış kaynak sağlamakla ifade edilebilir.
Araştırmacılar bir dijital laboratuvarı şu şekilde kurdular. Uzayı bir ızgaraya ve zamanı bir dizi ayrık ana bölüp, ızgara çizgilerinin kesiştiği yerlere kuarkları ve aralarındaki bağlantılara gluonları yapıştırdılar. Daha sonra da düzgün uzay ve zaman için imkansız olacak şekilde kare kare ne olduğunu hesapladılar.
2007’de Hatsuda’nın araştırma grubu, proton veya nötron çiftlerini Yukawa-esque noktaları yerine daha gerçekçi kuark ve gluon bulutları olarak simüle etmek için bu “kafes QCD” yaklaşımını kullandı.
Protonlar veya nötronlar birbirinden yaklaşık bir proton genişliğinde olduğunda, sanki pionları değiş tokuş ediyormuş gibi gerçekten çektiklerini doğruladılar.
Kuarklar Çeşitleniyor
Hatsuda, “Bir anlamda, Yukawa QCD temelinde onaylandı” dedi. Grup ayrıca Yukawa’nın teorisinin ötesine geçti ve parçacıklar daha da yakınlaştığında çekimin itmeye dönüştüğünü kanıtladı.
Son zamanlarda ekip, bir proton veya nötron (kuarklardan oluşurlar) ve üç daha ağır “garip” kuarktan oluşan bir “omega” hadron arasında sanal karşılaşmalar yaratıyor.
2019’da hadron çiftinin birbirini yakın ve uzak bir yerde çekiştirdiğini buldular. Ve 2020’de işbirliği, bir çift “lambda”nın (bir yukarı kuark, bir aşağı kuark ve daha ağır bir kuark) zayıf bir şekilde çektiğini hesapladı.
Bu sonuçlar, bir anda bozunma eğiliminde olan daha ağır hadronların birbirini nasıl etkilediğine dair ilk ipuçlarından bazılarını temsil ediyor.
Buna paralel olarak, LHC araştırmacıları gerçek hadronları izlemek için ALICE deneyini kullanmaya başladılar.
Proton çarpışmaları, çoğu başka parçacıklara bozunan bir hadron patlaması üretir.
ALICE araştırmacıları, istenen hadron eşleşmelerinin işaretlerini aramaktadırlar. Benzer yollar boyunca birlikte hareket eden hadron çiftlerini farklı yönlere gidenlerle karşılaştırırlar. Amaç, yakındaki hadronların birbirlerini nasıl çekebileceklerine veya itebileceklerine dair işaretleri ortaya çıkarmaktır. Teknik, tek bir femtometre kadar küçük hadronik seğirmeleri tespit edebilir.
ALICE işbirliğinde femtoskopi grubuna liderlik eden Fabbietti, “Güzel olan, bu tekniği çok nadir ve kararsız olan hadronlara uygulayabilmenizdir” dedi. “Normalde, iki parçacığın birbiriyle konuşmasına ve ne dediklerini görmesine izin vermek için başka şans yoktur.”
Geçen Ekim ayında, bir proton ve bir fimezon (garip bir kuark ve onun antikuarkından oluşan) arasındaki büyük ölçüde bilinmeyen bir etkileşimin ölçümünü açıkladılar. Deneyciler normalde verilerini yorumlamak için kafes QCD’den gelen teorik verilere dayanırlar, ancak fimezonlar üzerinde o kadar az çalışma yapılmıştır ki Yukawa’nın 1935 teorisine geri dönmek zorunda kaldılar.
Birbirine yakın olan protonlar ve fi mezonlar birbirini çekiyor gibi göründü, ALICE işbirliği yaklaşık 100.000 eşleşmeden sonuçlandı. Yine de çekim, protonlar ve nötronlar arasındaki çekimin yalnızca onda biri kadar güçlüydü.
Hatsuda, deneyin “çok heyecan verici” olduğunu söyledi. Ekibi şu anda sonucu kafes QCD ile kontrol ediyor.
LHC’den Nötron Yıldızlarının Sakinleri Olan Hiperonlar
Garip kuarklar içeren hadronlar LHC’de hızla bozunurken, büyük basınç altında “hiperonlar” nötron yıldızlarının uzun vadeli sakinleri olarak var olabilirler.
Bu hiperonlar, bazı teorisyenlerin ölü yıldızları sertleştirebileceğini öne sürdüğü pionlar yerine fi mezonları değiştirirdi. Ancak ALICE’ın sonucu, garip etkileşimlerin önemsiz olduğunu gösteriyor.
Fabbietti, “Nötron yıldızlarının içinde hiperonlar varsa, onların etkileşimleri tamamen ihmal edilebilir” dedi.
Hyodo, iki ve üç kuark parçacıklarının birbirine yapıştığına dair kapsamlı bilginin başka bir gizemi açıklayabileceğini umuyor.
Bunlar dört veya beş kuark gruplarının neden bu kadar nadir olduğu durumladır.
Fizikçiler yüzlerce kuark ikilisi ve üçlüsü katalogladılar, ancak sadece bir avuç tetrakuark ve pentakuark buldular.
Bu amaçla ALICE, 2016 ile 2018 arasında meydana gelen yaklaşık bir milyar çarpışmayı eliyor. Ancak bu bahardan itibaren, LHC’ye yapılacak bir yükseltme, veriyi 100 kat daha hızlı almalarını sağlayacak. Önümüzdeki on yıl içinde Fabbietti, daha ağır kuarklar içeren daha nadir hadronların karışmasını ölçmeyi umuyor.
Yani anlayacağımız gizem devam ediyor. Yeni bulunan parçacık daha da bu dünyayı karmaşık hale getiriyor. Biz fizikçilere düşende bu olanları anlamaya çalışmak.
Kaynak: quantamagazine org/authors/charlie-wood/
