Sadece üç kuark ailesi olduğu fikri, bir alüminyum çekirdeğinin yük yarıçapı ölçülerek test edilmiştir.
Kuarklar ve leptonlar, parçacık fiziğinin standart modeline göre maddeyi oluşturan temel parçacıklardır. Leptonlar elektron gibi hafif bileşenlerken, kuarklar proton ve nötronları oluşturan ağır bileşenlerdir.
Bilinen altı kuark üç aileden oluşur: tılsım, garip, üst, alt, aşağı ve yukarı.
Dördüncü bir aile olasılığı var mı?
Bu soruya bir yanıt verebilmek için nükleer ve parçacık fiziğinde yüzlerce ayrı ölçüm yapılması gerekecektir. Bununla birlikte, pek çok parametre değeri sadece çıkarılmakta veya tahmin edilmektedir ve bu ölçümlerin hepsi şu anda mevcut değildir veya yeterince doğru değildir.
Bugünlerde İsviçre’deki CERN’den Peter Plattner ve arkadaşları, tek bir testin bu merkezi konuya ilişkin algımızı nasıl değiştirebileceğini gösteriyor.
Standart modelin kuantum-mekanik çerçevesindeki kuarklar çeşitli tatları arasında gidip gelebilir. Bunun en iyi bilinen örneği radyoaktif çekirdeklerin beta bozunumu sırasında gerçekleşir: bir protonun kuarklarından biri yukarıdan aşağıya (ya da aşağıdan yukarıya) salındığında, proton nötrona dönüşür (ya da tam tersi).
Kuarkların salınım hızı tek bir nicelikle tanımlanır: Vud, bir yukarı kuarkın aşağı kuarka dönüşümünün matris elemanı olarak adlandırılır. Beta bozunum hızı, hem nükleer hem de atom fiziğini etkileyen çok sayıda unsura bağlıdır.
Her olası kuark kombinasyonu için matris elemanları birleştirildiğinde, Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrisi olarak bilinen 3 × 3 matris üretilir. CKM matrisi üniter olmalıdır veya her satır veya sütun boyunca matris elemanlarının karelerinin toplamı 1’e eşit olmalıdır, bu da standart model tamamlanmışsa, akla gelebilecek tüm kuark salınımlarının kapsamlı bir tanımını gösterir. Ancak bu birimsellik testi 1’den büyük değilse, boşluğu doldurmak için başka bir kuark ailesi gereklidir. CKM-matris birimselliğinden herhangi bir potansiyel sapmayı tespit etmek için standart modelin ötesinde fizik arayışında tüm matris elemanları ayrıntılı olarak incelenir. Ancak, bu ölçümlerin doğruluğu nedir?
Yukarı kuark, tüm kuarklar arasında CKM-matris birimselliğinin en titiz testini sunar ve deneysel olarak en erişilebilir olanıdır. Vud ise bu kuarkı içeren üç matris elemanından en büyüğü ve en doğru bilineni. Vud’daki belirsizlik, toplamdaki genel belirsizliğe birincil katkıda bulunmaya devam etmektedir, ancak birimsellik testinde bu matris elemanının karesi gereklidir. Vud doğrudan bulunamaz; bunun yerine, spin ve nükleer yük dağılımı gibi atomik ve nükleer değişkenler için ayarlandıktan sonra beta bozunma hızı verilerinden alınmalıdır.
Şimdiye kadar laboratuvarda tespit edilen 3000’den fazla farklı radyoaktif çekirdeğin sadece küçük bir kısmı, diğerlerine göre daha az karmaşık olan ve daha az düzeltme gerektiren beta bozunumuna sahiptir. Bunlar arasında, son çalışmalar sayesinde Vud’u kısıtlayan en hassas ölçülmüş beta bozunma hızlarından birine sahip olan 26mAl alüminyumun uzun ömürlü uyarılmış hali (izomeri) bulunmaktadır.
Plattner ve arkadaşları, 26mAl’in nükleer yük yarıçapının Vud’un hesaplanması ve dolayısıyla CKM-matris birimsellik testi üzerindeki doğrudan etkilerini araştırdı. İzomerin yük yarıçapı daha zor bulunurken ve Vud’u tahmin etmek için kullanılan sayının ekstrapole edilmesi gerekirken, temel hal 26Al’in yük yarıçapı zaten kaydedilmişti.
Sorun, izomerin kısa yarı ömründen (temel hal için 717.000 yıla kıyasla 6,35 saniye) ve zayıf üretiminden kaynaklanıyordu. Bu sorunları aşmak için Plattner ve arkadaşları iki farklı deney kullanarak 26mAl’i araştırdılar:
Finlandiya’daki Jyväskylä Üniversitesi Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki IGISOL CLS ve CERN’deki radyoaktif iyon ışını tesisi ISOLDE’deki COLLAPS. Bu tesisler çeşitli nükleer süreçler yoluyla 26Al ve 26mAl üretmekte ve çıkarmakta, bu da iki nükleer durumun üretim verimleri için değişen oranlara yol açmaktadır.
Ekip, bu durumları ayırt etmek için IGISOL CLS’de alüminyumdaki çok sayıda atomik geçişi ve COLLAPS’taki yarı ömür farkını kullandı.
Plattner ve meslektaşları, iki deneyden 26mAl yük yarıçapı için toplam 3,130 ± 0,015 fm değerini elde edebilmişlerdir ki bu değer daha önce yayınlanan 3,040 ± 0,020 fm değerinden çok daha büyüktür.
Bu yeni değerin CKM-matris birimselliği üzerindeki etkisi daha sonra araştırmacılar tarafından incelenmiştir. CKM matrisinin en üst satırı için, birimselliğe doğru bir değişiklik gözlemlediler: 0.99848 ± 0.00070’den 0.99856 ± 0.00070’e.
Bu sonuç 1’den en az iki standart sapma uzakta görünmektedir. 26mAl’de olduğu gibi, yüzlerce girdiden birinin tek bir yeniden ölçümünün etkisi ışığında, altta yatan bazı sistematik belirsizliklerin fazla tahmin edilip edilmediği sorgulanabilir.
Bu nedenle, deneysel nükleer fizikçiler için Vud’u hesaplamak için kullanılan çeşitli gözlemlenebilirleri daha ayrıntılı olarak araştırmak önemlidir. 26mAl söz konusu olduğunda, müonik x-ışını spektroskopisi kullanılarak 26Al’in yük yarıçapının doğrudan ölçülmesi, değerlendirilen yük yarıçapının doğruluğunu artırabilir. Ayrıca, çeşitli izotopların yük dağılımını kesin olarak tespit etmek için daha fazla araştırma yapılması gerekmektedir [9]. Plattner ve arkadaşları tarafından yapılan keşifler bizi dördüncü bir kuark ailesi olup olmadığını anlamaya bir adım daha yaklaştırıyor, ancak kesin olarak söyleyebilmemiz için çok daha fazla deneysel veriye ihtiyaç var.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/199
