Çok uluslu NA61/SHINE deneyinden araştırmacılar, argon ve skandiyum atom çekirdekleri arasındaki yüksek enerjili çarpışmalarda dikkate değer bir anomali keşfettiler. Bu, parçacık fiziğinin en temel kavramlarından biri olan yukarı ve aşağı kuarklar arasındaki neredeyse simetri olan lezzet simetrisinin bozulabileceğini öne sürüyor. Bu şaşırtıcı bulgu, mevcut nükleer çarpışma modellerimizdeki zayıflıkları gösterebilir veya bilim insanlarının onlarca yıldır aradığı “yeni fizik” için ilk işaret olabilir.
Temel Bir Parçacık Fiziği Varsayımını Test Etmek
Herhangi bir şeyi eşit miktarda plastik ve ahşap blok kullanarak inşa etmeyi düşünün. Sökmeye başladıktan sonra, karışımın değişmeden kalmasını beklersiniz. Benzer bir denge olan lezzet simetrisi, yukarı ve aşağı kuarklardan oluşan parçacıkların, kuark türüne bakılmaksızın tutarlı bir şekilde davrandığı düşünülmektedir ve fizikçiler tarafından parçacık çarpışmalarında uzun zamandır meydana geldiği düşünülmektedir.
Ancak, şaşırtıcı yeni bir bulgu bu varsayımı sorgulatıyor. NA61/SHINE deneyinden araştırmacılar, Nükleer Fizik Enstitüsü’nden (IFJ PAN) önemli bir ekibin de dahil olduğu, yakın zamanda Nature Communications dergisinde yayımlanan bir çalışmada, argon ve skandiyum çekirdekleri arasındaki çarpışmalardan beklenmedik sonuçlar bildirdiler. Ünlü Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’na proton gönderen aynı hızlandırıcı olan Süper Proton Senkrotronu, bu yüksek enerjili çarpışmaları gerçekleştirmek için CERN’de kullanıldı.
Temelleri Açıklamak: Simetri, Kuarklar ve Mezondan
Şu anda, temel parçacıklar olan kuarkların, evrendeki maddelerin çoğunluğunu oluşturduğunu biliyoruz. Altı çeşidin her birinin bir antimadde karşıtı var. Prof. Andrzej Rybicki (IFJ PAN) konuyu şöyle tanıtıyor: “Kuark-antikuark çiftlerine mezon denir, protonlar ve nötronlar ise atom çekirdeklerinin temel bileşenleridir ve her zaman karışık olan yukarı ve aşağı kuarkların üçlülerinden oluşur.”
Kuantum kromodinamiği adı verilen bir teoriye göre, doğanın temel kuvvetlerinden biri olan güçlü kuvvet bu kuarkları bir arada tutar. Denklemlerine göre, güçlü etkileşim, eğer tüm kuarklar aynı kütleye sahip olsaydı, herhangi bir tür kuark arasında ayrım yapmazdı. Gerçekte, bu simetri farklı türdeki (lezzetlerdeki) kuarklar arasındaki önemli kütle farkları tarafından bozulur. Ancak önemli olan, iki en hafif kuark türünün daha önce bahsedilen yukarı ve aşağı kuarkların—kütlelerinin çok az farklılık göstermesidir.
Bu nedenle, güçlü etkileşimler onları yaklaşık bir lezzet simetrisi varlığını belirtmek için yeterince benzer şekilde ele alır, ancak tam olarak aynı şekilde değil. Bu simetrinin nükleer araştırmalarda önemli uygulamaları vardır. Bu, yüksek enerjili bir çarpışmanın yukarı kuarklarla belirli bir olasılıkla bazı ikincil parçacıklar üretmesi durumunda, aşağı kuarklarla bir çarpışmanın da neredeyse aynı olasılıkla diğer karşılık gelen ikincil parçacıkları üreteceğini (ve tersinin de geçerli olduğunu) açıklar.
Kaon Deneylerinde Yeni Bir Gelişme
Argon ve skandiyum atom çekirdekleri yüksek enerjilerde çarpıştığında birçok farklı form alabilen K mezonları (kaonlar), NA61/SHINE deney ekibi tarafından incelendi. Başlangıçta ekip, yalnızca elektrik yükü olan kaonları ölçmeyi amaçladı. Çarpışmaların elektrik yükü olmayan kısa ömürlü nötr kaonlar da ürettiği biliniyordu, ancak bunları ölçmek çabaya değmez gibi görünüyordu. Sonuç olarak, lezzet simetrisi, pozitif ve negatif kaonların eklenmesinin, makul bir ölçüde nötr kaonların miktarıyla eşleşmesi gerektiğini açıkça ortaya koydu. Ancak, ekip nihayetinde tüm türdeki kaonları ölçmeyi seçti ve bu büyük bir başarı oldu.
Beklenmedik Bulgular: %18 Kaon Anomalisi
Ekibimizin sonuçları, önceki teorik tahminlerden istatistiksel olarak anlamlı bir fark göstermektedir. Lezzet simetrisinin yaklaşık doğası nedeniyle, bu enerji aralığında deneysel veri farklılıklarının genellikle %3’ü geçmediği varsayılır. Alternatif olarak, yüklü kaonların yüzde 18’e kadar aşırı üretimini raporluyoruz! Profesör Rybicki diyor.
Gözlemlenen etki daha ayrıntılı incelendiğinde çok daha büyüleyici hale geliyor. Skandiyumun protonlardan üç fazla nötrona sahip kararlı bir çekirdeği olmasına karşın, argonun 18 proton ve 22 nötron içeren kararlı bir izotopu vardır. Basit matematik, protonların iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarkın birleşimi olduğunu ve nötronların tersine, çarpışmalardan önce incelenen sistemlerde biraz daha fazla aşağı kuark olduğunu gösteriyor.
Elbette ki, eğer lezzet simetrisi bozulursa, çarpışmadan sonra daha fazla aşağı kuark görmemiz gerektiğini bekleriz çünkü yukarı kuarklardan daha fazla aşağı kuarkla başlamıştık. Bu arada, bulgularımız lezzet simetrisinin diğer yönde bozulduğunu ve nihayetinde yukarı kuarkların daha baskın olduğunu açıkça gösteriyor,” diyor nötr kaonların ölçümünü başlatan Prof. Katarzyna Grebieszkow.
Bu, Standart Model veya başka bir şey için ne anlama geliyor?
Şu anda argon ve skandiyum atom çekirdekleri arasındaki çarpışmalarda gözlemlenen simetri bozulması için bilinen herhangi bir açıklama yoktur. Bu çarpışmaların bazı önemli yönlerinin kuantum kromodinamiği tarafından motive edilen teorik hesaplamalarda gözden kaçmış olması mümkün. Gözlemlenen etkinin, mevcut güçlü etkileşimler teorisini ve onunla geliştirilen Standart Modeli aşan uzun zamandır aranan “yeni fiziğin” bir tezahürü olma olasılığını dışlamak imkansızdır.
Bu bulgu, gelecekteki gelişmelerden bağımsız olarak, parçacıklar ve atom çekirdekleri arasındaki yüksek enerjili çarpışmaları inceleyen araştırmacılar için şimdiden önemli sonuçlar doğurmaktadır. Gerçekten de, on yıllardır birçok nükleer deney, söz konusu simetrinin var olduğu varsayımı altında modellenmiş ve sonuçları yorumlanmıştır.
Yüksek Enerjili Çarpışma Modellerinin Yeniden Değerlendirilmesi
Ana bulgu, atom çekirdekleri arasındaki çarpışmaların lezzet simetrisini yok edebileceğini bulmamızdır. Prof. Rybicki vurguluyor: “Bu aşamada, bunun kuarkların varlığındaki tüm etkileşimleri etkileyen evrensel bir fenomen olup olmadığını veya bunun yalnızca belirli kütleye sahip çekirdekler veya bazı, ancak diğerleri olmayan çarpışma enerjileri için meydana gelip gelmediğini söyleyemeyiz.” Pratik anlamda, bu, yüksek enerjili çarpışmalarda parçacık üretimiyle ilgili hemen hemen tüm modellerin ve bir dizi deneysel sonucun dikkatlice yeniden değerlendirilmesi gerektiği anlamına geliyor.
NA61/SHINE ekibi, önümüzdeki aylarda başlangıçta eşit miktarda yukarı ve aşağı kuarkların çarpışmalarında lezzet simetrisi ihlalini doğrulamaya başlayacak.
Sonraki Adımlar: Ek Simetri İhlali Testleri
İlk odak, karbon çekirdekleriyle zaten belgelenmiş olan on milyonlarca pi+ ve pi-mezon çarpışmalarında, çarpışma öncesinde tam tat simetrisinin tartışılabileceği durum olacaktır. Oksijen-oksijen ve magnezyum-magnezyum çarpışmalarının yörüngesini incelemek bir sonraki adım olacak. İkincisi, argon ve skandiyum gibi karmaşık atom çekirdeklerine sahip sistemlerin çarpışmalarının söz konusu fenomenin keşfine olanak tanıması nedeniyle özellikle umut verici görünüyor, diyor Dr. Seweryn Kowalski ve Prof. Eric Zimmerman ile birlikte NA61/SHINE deneyini yürütüyor.
Ne yazık ki, en ilginç sonuçları beklemeye devam etmemiz gerekecek: LHC’nin üç yıllık bir yükseltmeden geçmesi, bu da yakında başlayacak, magnezyum çekirdeklerinin çarpışmalarını düşünmeyi imkansız kılacak.
Polonya’daki Ulusal Bilim Merkezi ve Bilim ve Yükseköğretim Bakanlığı, yaklaşık lezzet simetrisini kırma konusundaki araştırma projesine fon sağladı ve bu proje, Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü (CERN) tarafından sağlanan destekle mümkün hale geldi.
Kaynak:scitechdaily.com/quarks-gone-rogue-flavor-symmetry-break-sparks-physics-shake-up-at-cern/
Haberi Derleyen: Yusuf Havvat Çkurova Üniversitesi Fizik Bölümü