Kuarkların protonları, nötronları ve atom çekirdeklerini oluşturmak üzere birbirlerine bağlanması o kadar güçlü bir kuvvettir ki bu kuvvetin adı da budur. Gluon parçacıkları tarafından taşınan güçlü kuvvet, doğanın tüm temel kuvvetleri arasında en güçlü olanıdır – diğerleri elektromanyetizma, zayıf kuvvet ve yerçekimidir. Yine de bu dört kuvvet arasında en az hassasiyetle ölçülmüş olanıdır. Nature Physics dergisinde yeni yayınlanan bir makalede ATLAS işbirliği, güçlü kuvvetin gücünü %1’den daha az bir belirsizlikle belirlemek için zayıf kuvvetin elektriksel olarak nötr taşıyıcısı olan Z bozonunu nasıl kullandığını anlatıyor.
Güçlü kuvvetin gücü, parçacık fiziğinin standart modelindeki temel bir parametre olan güçlü bağlantı sabiti ile tanımlanır.
Güçlü bağlantı sabiti hakkındaki bilgiler yıllar içinde ölçümler ve teorik gelişmelerle artmış olsa da, değeri hakkındaki belirsizlik diğer temel kuvvetler için bağlantı sabitlerinden daha büyük olmaya devam etmektedir.
Güçlü kuvveti içeren parçacık süreçlerinin teorik hesaplamalarının doğruluğunu artırmak için güçlü bağlantı sabitinin daha kesin bir ölçümüne ihtiyaç vardır. Bu aynı zamanda doğa hakkında cevaplanmamış önemli soruları yanıtlamak için de gereklidir.
Tüm temel kuvvetler çok yüksek enerjide eşit derecede güçlü olabilir mi, bu da olası bir ortak kökene işaret eder mi? Yeni, bilinmeyen etkileşimler belirli süreçlerde veya belirli enerjilerde güçlü kuvveti değiştirebilir mi?
ATLAS işbirliği, yeni güçlü bağlaşım sabiti çalışmasında, CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) 8 TeV çarpışma enerjisinde proton-proton çarpışmalarında üretilen Z bozonlarını araştırdı. Z bozonları tipik olarak çarpışan protonlarda iki kuarkın yok olmasıyla üretilir. Bu zayıf etkileşim sürecinde, yok olan kuarklardan gluonların yayılması yoluyla güçlü kuvvet devreye girer.
Bu radyasyon Z bozonuna çarpışma eksenine (enine momentum) enine bir “tekme” verir. Bu tepmenin büyüklüğü güçlü bağlaşım sabitine bağlıdır. Z bozonlarının enine momentumunun dağılımını hassas bir şekilde ölçerek ve bu dağılımın eşit derecede hassas teorik hesaplamalarıyla karşılaştırarak, güçlü eşleşme sabiti belirlenebilir.
Yeni analizde ATLAS ekibi, temiz seçilmiş Z-bozonunun iki leptona (elektron veya müon) bozunumuna odaklandı ve Z-bozonunun bozunum ürünleri boyunca enine momentumunu ölçtü. Bu ölçümlerin teorik tahminlerle karşılaştırılması, araştırmacıların Z-bozonu kütle ölçeğindeki güçlü bağlaşım sabitini 0,1183 ± 0,0009 olarak kesin bir şekilde belirlemelerini sağladı. Yalnızca %0,8’lik bir göreli belirsizlikle bu sonuç, güçlü kuvvetin gücünün bugüne kadar tek bir deneyle en doğru şekilde belirlenmesidir. Deneysel tespitlerin mevcut dünya ortalaması ve kafes kuantum kromodinamiği adı verilen son teknoloji hesaplamalarla tutarlıdır.
Hem deneysel hem de teorik ilerlemeler sayesinde bu rekor kıran hassasiyete ulaşıldı. Deneysel açıdan ATLAS fizikçileri, Z-bozonu bozunumundan gelen iki elektron veya müonun tespit etkinliği ve momentum ölçümü hakkında kapsamlı bir anlayış kazanmayı başardılar ve bu da %0,1 ila %1 arasında değişen momentum hassasiyetlerine yol açtı. Teorik olarak ATLAS ekibi, diğer bileşenlerin yanı sıra dört adede kadar kuantum kromodinamiği “döngüsünü” hesaba katan Z-bozonu üretim sürecinin en son simülasyonlarını da dahil etti. Bu döngüleri oluşturan katkıda bulunan süreçlerin sayısı, hesaplamanın ne kadar karmaşık olduğunu göstermektedir. Daha fazla döngü dahil edildiğinde hassasiyet artmaktadır.
“Standart Model’in önemli bir bileşeni olan güçlü nükleer kuvvetin gücü sadece yüzde düzeyinde kesin olarak biliniyor. Analiz ekibinin bir üyesi olan CERN fizikçisi Stefano Camarda’ya göre, “LHC tarafından araştırılan enerjide güçlü kuvvetten 15 kat daha zayıf olan elektromanyetik kuvvet, milyarda bir parçadan daha iyi bir hassasiyetle bilinmektedir.” “Şu anda güçlü kuvvetin bağlanma gücünü %0,8 doğrulukla değerlendirmiş olmamız dikkate değer bir başarıdır. Bu, ATLAS deneyinin ve LHC’nin hassas araştırmaları nasıl ilerletebileceğini ve doğal dünyaya ilişkin anlayışımızı nasıl derinleştirebileceğini göstermektedir.
Kaynak: https://home.cern/news
