Bilim İnsanları İlk Kez Farklı Parçacık Türleri Arasındaki Kuantum Etkileşimini Görüyor



Bilim İnsanları İlk Kez Farklı Parçacık Türleri Arasındaki Kuantum Etkileşimini Görüyor

Bilim adamları ilk kez, iki farklı parçacık türü arasında meydana gelen kuantum girişimini (tuhaf kuantum dolaşıklık fenomeni ile ilgili parçacıklar arasında dalga benzeri bir etkileşim) gözlemlediler. Keşif, fizikçilerin bir atom çekirdeğinin içinde neler olup bittiğini anlamalarına yardımcı olabilir.

Parçacıklar hem parçacık hem de dalga görevi görür. Ve girişim, bir parçacığın dalga benzeri eyleminin, bir gölde kesişen iki tekne dümen suyu gibi, diğer kuantum parçacıklarının eylemini azaltma veya artırma yeteneğidir. Bazen üst üste binen dalgalar daha büyük bir dalga oluşturur ve bazen dalgayı silerek birbirini götürür. Bu girişim, 1930’larda tahmin edilen ve 1970’lerden beri deneysel olarak gözlemlenen kuantum fiziğinin tuhaf yönlerinden biri olan dolaşıklık nedeniyle oluşur. Dolanık olduğunda, birden çok parçacığın kuantum durumları birbirine bağlanır, böylece biri Jüpiter’de, diğeri ön bahçenizde olsa bile birinin ölçümleri diğerlerinin ölçümleriyle bağıntılı olur.

Birbirine benzemeyen parçacıklar bazen dolaşık hale gelebilir, ancak şimdiye kadar bu uyumsuz dolaşık parçacıkların birbirleriyle girişim yaptıkları bilinmiyordu. Bunun nedeni, girişimi ölçmenin bir kısmının, birbirinden ayırt edilemeyen iki dalga benzeri parçacığın kullanılmasına dayanmasıdır. İki ayrı kaynaktan iki foton veya ışık parçacığı hayal edin. Bu fotonları tespit edecek olsaydınız, hangi fotonun hangisi olduğunu söylemenin bir yolu olmadığı için, her birinin hangi kaynaktan geldiğini belirlemenin bir yolu olmazdı. Bu çok küçük parçacıkları yöneten kuantum yasaları sayesinde, bu belirsizlik aslında ölçülebilir: İki özdeş fotonun tüm olası geçmişleri, parçacıkların son dalga benzeri hareketlerinde yeni modeller yaratarak birbiriyle etkileşime girer.

Bu modeller, birbirine karışmış olsalar bile, tipik olarak bir çift farklı parçacıkla olmaz. Bu parçacıkları birbirinden ayırmak mümkün olduğundan, geçmişleri hakkında hiçbir gizem ve dolayısıyla bu farklı olasılıklar dünyaları arasında hiçbir müdahale yoktur – yani şimdiye kadar.

Bir ilk olarak, fizikçiler şimdi iki farklı atom altı parçacık arasında girişim buldular. Araştırmacılar, gözlemi Long Island’ın Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki muazzam bir parçacık hızlandırıcı olan Relativistic Heavy Ion Collider’da (RHIC) yaptılar. Bulgu, dolaşıklığı anlama şeklimizi genişletiyor ve onu atom altı dünyayı incelemek için kullanmak için yeni fırsatlar sunuyor.

Ohio Eyalet Üniversitesi’nden fizikçi James Daniel Brandenburg, “Bu yeni teknikle, çekirdeğin büyüklüğünü ve şeklini bir femtometrenin onda biri kadar, bireysel bir protonun onda biri kadar ölçebiliyoruz” diyor. RHIC’nin yeni fenomenin görüldüğü STAR deneyinin bir üyesi. Bu, yüksek enerjili atom çekirdeğinin önceki ölçümlerinden 10 ila 100 kat daha kesin.

RHIC, altın atomlarının çekirdekleri gibi ağır iyonları çarpıştıracak şekilde tasarlanmıştır. Ancak bu durumda, araştırmacılar çarpışmalarla değil ramak kalalarla ilgilendiler. Altın çekirdekler çarpıştırıcıdan ışık hızına yakın hızla geçerken, fotonları üreten bir elektromanyetik alan yaratırlar. İki altın çekirdek birbirine yaklaştığında ama çarpışmadığında, fotonlar komşu çekirdeklerden sinyal gönderebilir. Vanderbilt Üniversitesi’nden bir fizikçi olan STAR işbirlikçisi Raghav Kunnawalkam Elayavalli, bu ramak kalaların arka plan gürültüsü olarak kabul edildiğini söylüyor. Ancak Kunnawalkam Elayavalli, yakın tarihli olaylara bakmanın “başlangıçta erişilemeyen yepyeni bir fizik alanı açtığını” söylüyor.

Bir foton, komşu bir altın iyonunun çekirdeğinden yansıdığında, rho adı verilen olağanüstü derecede kısa ömürlü bir parçacık üretebilir ve bu parçacık, hızla pion adı verilen, biri pozitif yüklü ve diğeri negatif yüklü iki parçacığa bozunur.

Pozitif pion, diğer atomik geçişlerin neden olduğu diğer pozitif pionlara müdahale edebilir. Negatif pion, diğer negatif pionlarla karışabilir. Şimdiye kadar, bunların hepsi ders kitabı. Ama sonra işler garipleşiyor: Pozitif ve negatif pionlar birbirine karıştığı için, aynı zamanda birbirlerini de engelliyorlar. Araştırmada yer almayan Harvard Üniversitesi’ndeki Society of Fellows’ta teorik fizik alanında doktora sonrası araştırmacı olan Jordan Cotler, “Yaptıkları şey, stilistik olarak ilginç bir şekilde farklı bir şey” diyor.. Cotler, dolaşıklık ve girişimin iki aşamalı etkisinin, kuantum mekaniğinin herhangi bir temel kuralını ihlal etmediğini, ancak bu parçacıklardan yeni bilgiler elde etmenin “daha zekice” bir yolu olduğunu söylüyor.

Özellikle fotonlar, çarpıştıkları altın iyonlarının çekirdeklerini tarayarak minik lazerler gibi hareket edebilirler. Bu etkileşimler, araştırmacıların bir atomdaki protonları ve nötronları oluşturan kuarklar gibi atom altı parçacıkları ve kuarkları bir arada tutan gluonları araştırmasına olanak tanır. Fizikçiler, protonların bu dolaşık parçacıklardan oluşan kütle ve açısal momentumun kuantum versiyonu olan spin gibi özellikleri nasıl elde ettiğini hâlâ tam olarak anlamış değiller.

Araştırmacılar, pionların momentumunu ölçerek, fotonun sıçradığı şeyin yoğunluğunun bir resmini elde edebilirler – bu durumda, iyonun çekirdeğini oluşturan atom altı parçacıklar. Yüksek hızlarda diğer parçacık türlerini kullanarak bu tür ölçümler yapmaya yönelik önceki girişimler sinir bozucu derecede bulanık bir tabloya yol açmıştı.

Ancak STAR bilim adamları yakın zamanda bu deneylerdeki fotonların polarize olduğunu, yani elektrik alanlarının belirli bir yönde hareket ettiğini keşfettiler. Araştırmada yer almayan Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda fizikçi olan Yoshitaka Hatta, bu kutuplaşmanın pionlara aktarıldığını ve kuantum girişimiyle güçlendirildiğini söylüyor. Araştırmacılar, kutuplaşmayı tam olarak hesaplayarak, çekirdeğin ölçümlerinden “bulanıklığı” esasen çıkararak çok daha doğru bir resim elde edebilirler. Brandenburg, “Aslında protonların nerede olduğu ile nötronların çekirdeğin içinde nerede olduğu arasındaki farkı görebiliyoruz” diyor. Protonların, bir nötron “derisi” ile çevrelenmiş olarak merkezde kümelenme eğiliminde olduğunu söylüyor.

Çekirdeğin boyutunun ötesinde, bu tekniğin ortaya çıkarabileceği başka ayrıntılar da var. Örneğin, bir protonun spini, bir protonu oluşturan kuarkların spinini geride bırakır, yani protonun içinde, spinin geri kalanını açıklayan hesaba katılmamış bir şey vardır. Brandenburg, kuarkları bir arada tutan gluonların muhtemelen suçlu olduğunu, ancak bilim adamlarının onların neyin peşinde olduklarını öğrenmenin iyi bir yolunu henüz bulamadıklarını söylüyor. İleriye dönük olarak, yeni teknik, gluonların dönüşüne ve diğer özelliklere daha net bir bakış sağlayabilir.

Cotler, “Harika olan şey,” diyor, “bu çağdaş deneyler hâlâ hem kuantum mekaniği hem de ölçüm anlayışımızın sınırlarını zorluyor ve hem teori hem de deney için yeni ufuklar açıyor.”



Kaynak : https://www.scientificamerican.com/article/scientists-see-quantum-interference-between-different-kinds-of-particles-for-first-time/

Yorum yapın

SMM Panel PDF Kitap indir