Nükleer fizikçiler uzun süredir protonun spinini nasıl kazandığını anlamaya çalışıyorlar. Hesaplama tekniklerindeki son gelişmeler deneysel verilerle birleştiğinde, protonları bir arada tutan malzemeden gelen spin katkılarının daha kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağladı. Bu aynı zamanda protonun 3 boyutlu yapı görüntülemesine de kapı açıyor. Yani Proton Spini Hakkında Yeni Bilgiler artmaya devam ediyor gibi gözüküyor.
ABD’den doktora sonrası araştırmacı Joseph Karpie projeyi yönetti.
Karpie protonun spin kaynaklarının 1987’de gözlemlenmesinin on yıllardır süren bu bilmecenin başlangıcını oluşturduğunu ifade etti.
İlk başta fizikçiler bir protonu oluşturan kuarkların onun dönüşünün birincil nedeni olacağına inanıyorlardı. Ancak keşifleri bu yönde olmadı. Protonun gözlemlenen spininin sadece kabaca %30’unun kuarkları tarafından üretildiği ortaya çıktı. Şimdiye kadar ölçülmesi daha zor olan iki kaynak geri kalan miktarı sağlamaktadır.
Bunlardan ilki esrarengiz ama güçlü kuvvettir. Evrenin dört temel kuvvetinden biri güçlü kuvvettir. Kuarkları birbirine “yapıştırarak” iki ek atom altı parçacık olan proton ve nötronları oluşturan süreçtir. Gluonlar, protonun dönüşüne katkıda bulunduğuna inanılan güçlü kuvvet tezahürleridir.
Protonun içindeki kuark ve gluonların geri kalan spinden sorumlu olduğu varsayılıyor.
Ona göre, bu çalışma aslında Teori Merkezi’nde fiziğin aynı yönünü, yani içindeki gluonların protonun sahip olduğu spin miktarını nasıl etkilediğini anlamaya çalışan iki grubun bir araya gelmesinden oluşuyor.
Gluonların spinine ilişkin ön deneysel ölçümlerden elde edilen kafa karıştırıcı bir bulgunun bu araştırma için itici güç olduğunu iddia etti. Ölçümler, New York’taki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda bulunan DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı’nda gerçekleştirilmiştir.
Başlangıçta, bulgular protonun spininin gluonlar tarafından etkilenebileceğini düşündürüyordu. Olumlu bir sonuç sergilediler.
Ancak, veri analizi iyileştirildikçe, ek bir yol daha ortaya çıktı.
Karpie, analizlerinde iyileştirmeler yaptıklarında, çok farklı görünen iki veri seti almaya başladıklarını söyledi; biri olumlu, diğeri ise kötüydü.
Geliştirilmiş çalışma, daha önceki olumlu sonuç gluonların spinlerinin protonunkiyle aynı hizada olduğunu gösterse bile, gluonların spinlerinin genel olarak olumsuz bir etkiye sahip olma olasılığına izin verdi. Bu senaryoda, kuarkların ve gluonların hareketi ya da kuarkların kendi spinleri, proton spininin daha büyük bir kısmını açıklayacaktır.
Jefferson Lab Açısal Momentum (JAM) işbirliği bu şaşırtıcı sonucu yayınladı.
Bu arada HadStruc işbirliği de aynı ölçümlere farklı bir açıdan yaklaşıyordu. Proton içindeki kuarklar ve gluonlar arasındaki etkileşimleri açıklayan temel teori olan Kuantum Kromodinamiğini (QCD) süper bilgisayarlar kullanarak hesaplıyorlardı.
Süper bilgisayarların bu karmaşık hesaplamayı yapabilmesi için teorinin bazı kısımları teorisyenler tarafından bir şekilde basitleştirildi. Bu bilgisayar dostu, biraz basitleştirilmiş varyantı lattice QCD olarak adlandırıyoruz.
Karpie iki gruptan gelen verilerin birleştirilmesi sürecini yönetti. Küresel kurumlarda yürütülen çalışmalardan elde edilen toplu verilerle işe başladı. Kafes QCD hesaplamasının sonuçları daha sonra kendi çalışmasına dahil edildi.
Çalışmada Jefferson Laboratuvarı’ndan kıdemli bilim insanı David Richards görev aldı. Richards, “Bu, kuark ve gluon spini hakkında bildiğimiz her şeyi ve gluonların protonun spinine nasıl katkıda bulunduğunu tek bir boyutta ortaya koyuyor” dedi.
“Bunu yaptığımızda, elverişsiz yönlerin ortadan kalkmadığını, aksine büyük ölçüde değiştiğini gözlemledik. Karpie, “Bu durum, bunlarda garip bir şeyler olduğunu gösteriyordu” dedi.
Physical Review D’de yeni yayınlanan çalışma Karpie tarafından yönetildi. Karpie’ye göre buradan çıkarılacak en önemli ders, her iki yöntemden elde edilen bilgilerin birleştirilmesiyle daha bilgili bir sonuç elde edilmesidir.
“İki veri setimizi birleştirerek, tek başımıza elde edebileceğimizden daha iyi bir sonuç sağlayabiliyoruz.
Karpie’ye göre bu çalışma, deney ile kafes QCD’yi tek bir konuda birleştirdiğimizde ne kadar çok şey öğrenebileceğimizi açıkça gösteriyor. Bu, daha fazla kafes verisi oluşturdukça, artan sayıda gözlemlenebilirle devam etmeyi planladığımız bir ilk aşamadır.
Veri setlerini daha da geliştirmek bir sonraki aşama. Daha güçlü deneyler proton hakkında daha kesin bilgiler sağladıkça, veriler tek boyutu aşan bir resim oluşturmaya başlar. Ayrıca, teorisyenlerin çözümleri, her zamankinden daha güçlü süper bilgisayarlarda daha iyi hesaplamaların nasıl yapılacağını keşfettikçe daha doğru ve kapsamlı hale geliyor.
Nihayetinde amaç, protonun yapısının üç boyutlu bir modelini oluşturmaktır.
Enstrümanlarımızın daha temel olan tek boyutlu durumda etkili olduğunu keşfettik. Bugünkü yöntemlerimizi test ederek 3 boyutlu yapıya geçmek istediğimizde ne yapacağımızı bilmek istiyoruz,” diyor Richards. Bir protonun neye benzemesi gerektiğinin 3 boyutlu temsili bu çabayla geliştirilecek. Böylece, daha basit görevlerle başlayarak, konunun özüne doğru ilerleyebiliriz.”
Kaynak: https://phys.org/news
