Nobel ödüllü ABD’li fizikçi Robert Hofstadter ve ekibi 1956’da Stanford Lineer Hızlandırıcı Merkezi’nde küçük bir hidrojen şişesine yüksek enerjili elektronlar ateşlediğinde, yeni bir fizik çağının kapısını araladılar.
O zamana kadar, bir atomun çekirdeğini oluşturan proton ve nötronların doğadaki en temel parçacıklar olduğu düşünülüyordu.
Uzayda fiziksel boyutları olmayan ‘noktalar’ olarak kabul edildiler. Şimdi birdenbire, bu parçacıkların hiç de temel olmadığı ve aynı zamanda bir boyut ve karmaşık bir iç yapıya sahip olduğu ortaya çıktı.
Hofstadter ve ekibinin gördüğü şey, elektronların hidrojene çarptığında nasıl ‘saçıldığı’ veya sektiğinde küçük bir sapmaydı. Bu, bir çekirdeğe, hayal ettikleri noktaya benzer proton ve nötronlardan daha fazlası olduğunu gösterdi.
Dünya çapında hızlandırıcılarda (parçacıkları çok yüksek enerjilere iten makinelerde) yapılan deneyler, madde anlayışımızda bir paradigma değişikliğini müjdeledi.
Yine de atom çekirdeği hakkında hala bilmediğimiz çok şey vardır. Onu bir arada tutan doğanın dört temel kuvvetinden biri olan ‘güçlü kuvvet olarak biliniyor.
Güçlü Kuvvet Nedir ve Nerelerde Bulunur?
Şimdi, ABD, Long Island’daki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda, dünyanın dört bir yanından 1.300 bilim insanının yardımıyla on yıl içinde inşa edilecek olan yepyeni bir hızlandırıcı olan Elektron-İyon Çarpıştırıcısı planlanıyor. Çekirdek hakkındaki anlayışımızı yeni bir seviyeye taşıyabilir.
1950’ler den sonra kuark ve gluon adı verilen parçacıkların maddenin temel yapı taşları olduğu kısa sürede anlaşıldı. Protonların ve diğer parçacıkların ortak adı olan hadronların bileşenleri olarak adlandırılmaya başladı.
Bazen insanlar bu tür parçacıkların Lego gibi birbirine uyduklarını, belirli bir konfigürasyondaki kuarkların protonları oluşturduğunu ve daha sonra proton ve nötronların bir çekirdek oluşturmak için birleştiğini ve çekirdeğin bir atom oluşturmak için elektronları çektiğini hayal eder. Ancak kuarklar ve gluonlar statik yapı taşlarından başka bir şey değildir.
Kuantum kromodinamiği adı verilen bir teori, kuvvet taşıyıcıları olan gluonların aracılık ettiği kuarklar arasında güçlü kuvvetin nasıl çalıştığını açıklar. Yine de protonun özelliklerini analitik olarak hesaplamamıza yardımcı olamaz. Bu, teorisyenlerimizin veya bilgisayarlarımızın bir hatası değildir. Parçacıkların hareketlerini ve etkileşimlerini belirten denklemler basitçe çözülemez.
Proton ve diğer hadronların deneysel olarak incelenmesi bu yüzden çok önemlidir: Protonu ve onu bağlayan kuvveti anlamak için onu her açıdan incelemek gerekir. Bunun için hızlandırıcı en güçlü aracımızdır.
Yine de protona bir çarpıştırıcıyla (iki ışın kullanan bir tür hızlandırıcı) baktığınızda, gördüğümüz şey ne kadar derine – ve ne ile – baktığımıza bağlıdır: bazen üç kurucu kuark, bazen de bir okyanus olarak görünür.
Gluonlar ya da kuark çiftleri ve onların antiparçacıklarının kaynayan denizi (karşıparçacıklar parçacıklarla neredeyse aynıdır, ancak zıt yüke veya diğer kuantum özelliklerine sahiptir).
Dolayısıyla, bu en küçük ölçekteki madde anlayışımız son 60 yılda büyük ilerleme kaydetmiş olsa da, bugünün araçlarının tam olarak çözemediği birçok gizem kalıyor. Bir hadron içinde kuarkların hapsedilmesinin doğası nedir? Proton kütlesi, 1000 kat daha hafif olan neredeyse kütlesiz kuarklardan nasıl ortaya çıkıyor?
Bu tür soruları yanıtlamak için, proton ve çekirdeğin yapısını en geniş büyütme aralığında en ince ayrıntısına kadar görüntüleyebilen ve yapılarının ve dinamiklerinin 3 boyutlu görüntülerini oluşturabilen bir mikroskoba ihtiyacımız var. Yeni çarpıştırıcının yapacağı tam olarak bu.
Elektron-İyon Çarpıştırıcısının Deneysel Kurulumu
Elektron-İyon Çarpıştırıcısı (EIC), sondası olarak çok yoğun bir elektron ışını kullanacak ve bununla protonu veya çekirdeği dilimleyip içindeki yapıya bakmak mümkün olacak.
Bunu, bir elektron demetini bir proton veya iyon demeti (yüklü atomlar) ile çarpıştırarak yapacak ve elektronların nasıl dağıldığına bakacak. İyon ışını dünyada türünün ilk örneğidir.
Milyarda bir çarpışmada yalnızca bir kez gözlemleyebileceğiniz çok nadir görülen saçılma süreçleri gibi zar zor algılanabilen etkiler görünür hale gelecektir.
Bu süreçleri inceleyerek, ben ve diğer bilim adamları, protonların ve nötronların yapısını, güçlü kuvvet tarafından bağlandıklarında nasıl değiştirildiğini ve yeni hadronların nasıl yaratıldığını ortaya çıkarabileceğiz.
Ayrıca, ne tür bir maddenin saf gluonlardan oluştuğunu da ortaya çıkarabiliriz – daha önce hiç görülmemiş bir şey.
Çarpıştırıcı çok çeşitli enerjilere göre ayarlanabilir: Bu, bir mikroskopta büyütme kadranını çevirmeye benzer, enerji ne kadar yüksekse, proton veya çekirdeğin daha derinlerine bakılabilir ve kişi o kadar ince özellikleri çözebilir.
EIC ekibinin bir parçası olan dünya çapındaki bilim insanlarının yeni kurulan işbirlikleri, çarpıştırıcıda iki farklı çarpışma noktasına yerleştirilecek dedektörler de tasarlıyor.
Bu çabanın bazı yönleri, dedektörlerin üç temel bileşeninin tasarımına liderlik etmek ve bunları gerçekleştirmek için gereken teknolojileri geliştirmek için henüz bir hibe alan İngiliz Hükümeti tarafından yönetiliyor.
Yapılacak işlemleri sıralarsak
- Yüklü parçacıkların hassas takibi için sensörler,
- Dedektörlerin tespiti için sensörler.
- Çarpışmalarda saçılan parçacıkların polarizasyonunu (dönüş yönünü) ölçmek için ışın çizgisine son derece yakın dağılmış elektronlar ve dedektörler.
Çarpıştırıcının tamamen tasarlanıp inşa edilmesi 10 yıl daha sürebilirken, bu çabaya değecek gibi görünüyor.
Protonun yapısını ve onun aracılığıyla Evrendeki görünür kütlenin yüzde 99’undan fazlasını oluşturan temel kuvveti anlamak, bugün fizikteki en büyük zorluklardan biridir.
Kaynak: Science Alert – Daria Sokhan Glasgow Üniversitesi.
İlk yorum yapan olun