Yirmi yıldır üzerinde çalışılan yeni bir fizik sonucu, atomların içindeki garip maddenin üretimi için şaşırtıcı derecede karmaşık bir yol buldu.
Garip madde, garip kuarklar olarak bilinen atom altı parçacıkları içeren herhangi bir maddedir. Burada “garip”, kısmen, günlük hayatımızdan derin bir uzaklığa atıfta bulunur: garip madde, yalnızca yüksek enerjili parçacık çarpışmaları ve belki de nötron yıldızlarının son derece yoğun ve basınçlı çekirdekleri gibi gerçekten aşırı durumlarda ortaya çıkıyor gibi görünüyor. Garip maddenin ortaya çıkışının ayrıntılarını araştırmak, nükleer fizikçilerin atom altı parçacıkların nasıl oluştuğunun temellerini anlamaya yönelik daha geniş çabalarının bir parçasıdır. Bu özel durumda, bir grup araştırmacı, lambda parçacıkları adı verilen bir tür garip maddeye odaklandı.
“Bu veriler, lambdayı ilk kez inceliyoruz. [atomic] Argonne Ulusal Laboratuvarı’nda fizik bilimleri ve mühendislikten sorumlu laboratuvar direktörü olan çalışmanın ortak yazarı Kawtar Hafidi, çekirdek ve hadronlaşma dediğimiz şeye, hadron üretme sürecine bakıyoruz “diyor.
Hadronlar, kuarklardan yapılmış ve güçlü kuvvete maruz kalan atom altı parçacıklardır. Bu, protonlar ve nötronlar gibi daha büyük parçacıkları oluşturmak için kuarkları birbirine bağlayan ve bu protonları ve nötronları bir atomun çekirdeğinde tutan kuvvettir. Lambda parçacıkları baryonlardır, yani üç kuarktan oluşan bir hadron türüdür: bir yukarı kuark, bir aşağı kuark ve bir de garip kuark. Yeni çalışmanın baş yazarı ve Mississippi Eyalet Üniversitesi’nde deneysel nükleer fizik profesörü olan Lamiaa El Fassi, kuarkların büyük çoğunluğunun yukarı veya aşağı türlerden olduğunu söylüyor. Garip kuarklar, yukarı ve aşağı kardeşlerinden daha ağır, daha nadir canavarlardır ve oluşturdukları parçacıklar buna bağlı olarak çok daha az kararlıdır ve çok hızlı bir şekilde bozulma eğilimindedir.
Ohio State Üniversitesi’nde fizik profesörü yardımcısı olan ve yeni çalışmada yer almayan Daniel Brandenburg, tuhaf kuarkların kıt, kaygan doğasının onları araştırmacılar için bu kadar çekici kılan şeyin tam olarak bu olduğunu söylüyor. “Bir proton ve bir nötrona ilişkin saf tasavvurumuz, bunların yukarı ve aşağı kuarkları içermesidir” diyor. “Garip kuarkların ilginç olmasının bir nedeni, en azından bu naif resimde, başlangıçta orada olmamaları. Onları bir şekilde yaratmak zorundasın.”
Lambda parçacıkları daha önce çalışıldı, ancak yeni makalede araştırmacılar, onları bir çekirdeğin içinde oluşturmak için yarı kapsamlı derin elastik olmayan saçılma adı verilen özel bir sürece güvendiler. Bu, bir çekirdeğe bir elektron ışınının ateşlenmesini içerir; bu, enerjiyi içindeki protonlar ve nötronlardaki kuarklara aktararak lambda üretimini uyarır.
Yine de bu ayrıntılı çabalara rağmen, kuantum mekaniğinin gizli yasaları, burada bile elektronların kuarklarla doğrudan etkileşime girmediğini dikte eder. Çarpışan elektronlar bunun yerine “sanal” fotonlar salarlar, çünkü neredeyse hiç yokturlar: bu fotonlar kuarklar tarafından neredeyse yayınlandıkları kadar hızlı emilirler. Ortaya çıkan enerjik vuruş, kuarkları çekirdeğin içinden yalpalayarak gönderebilir ve burada diğer kuarklarla birleşerek lambdalar ve diğer “bileşik” parçacıklar oluşturabilir.
Bu atom altı simya, 2004 yılında Thomas Jefferson Ulusal Hızlandırıcı Tesisinde gerçekleşti. O zamanlar El Fassi, veri kümesiyle ayrı bir araştırma yürütüyordu, ancak sonunda onun içindeki lambda parçacıklarının kanıtlarını da aramayı seçti. Lambda bozunmasının ince sinyalini (parçacıklar doğrudan tespit için çok kısa ömürlüdür) ortaya çıkarmak 10 yıldan fazla çaba gerektirdi. El Fassi, “Uzun bir yolculuk” diyor. O ve meslektaşları bulgularını bildirdiler dergide Fiziksel İnceleme Mektupları.
El Fassi ve meslektaşları, çürüyen lambdaların ürettiği parçacıkların enerjisini ve momentumunu inceleyerek, çekirdeğin içinden hızla geçen serbest kuarklara tam olarak ne olduğunu bir araya getirebildiler. Diğer atom altı parçacıklarla etkileşimler, kuarkların enerjisini değişen derecelerde tüketti ve hadronları oluşturmak için diğer kuarklarla bağlantı kurdukça momentumlarında değişiklikler yaşadılar.
En çarpıcı olanı, araştırmacıların yüksek ve düşük enerjili lambda parçacıklarının üretimi arasındaki farkları görmesi, bu parçacıkların bazen beklenmedik bir şekilde oluştuğunu gösteriyor. Teorisyenlerin uzun süredir varsaydığı gibi, sanal bir fotonun bir kuarka çarparak onu bağ kuracak iki yeni kuark bulması için serbest bırakması yerine, sanal foton bazen diquark olarak bilinen bir kuark çiftiyle etkileşime giriyor gibi görünüyordu. Muhtemelen çekirdekte çok fazla olan sıradan yukarı ve aşağı kuarklardan oluşan bu diquark, daha sonra üçüncü bir kuark aramaya başlayacak ve sonunda garip bir kuarkla bağ kuracaktır. Bu olduğunda, sonuç bir lambda parçacığıdır. Brandenburg, bulguların yalnızca bu tuhaf ve sıra dışı parçacıkların nasıl oluştuğunu ortaya çıkarmakla kalmadığını söylüyor. Parçacıkların son enerjileri ve momentumları, çekirdekte yaptıkları yolculukta karşılaştıkları hakkında bilgi içerdiğinden, atomların gizli kalplerinde neler olup bittiğini de ortaya çıkarmaya yardımcı olabilirler.
Bununla birlikte, tüm fizikçiler bu diquark hipotezinin lambdaların gerçekte nasıl oluştuğunu yansıttığına ikna olmadı. Yeni çalışmada yer almayan Urbana-Champaign’deki Illinois Üniversitesi’nde nükleer fizik profesörü olan Jen-Chieh Peng, araştırmacıların gözlemlediği enerji ve momentum modellerini açıklayabilecek alternatif modeller olduğunu söylüyor. Örneğin, araştırmacıların diquark’ın dinamiklerine atfettiği parçacıklar arasındaki momentum transferi modellerinin, bunun yerine tek bir kuarkın iki kuark’ı ayrı ayrı toplamasının sonucu olabileceğini söylüyor. Bu, lambdalar formu gibi üçlü parçacıkların nasıl doğru olduğuna dair orijinal “kuark-kuark” kavramının doğru olduğu anlamına gelir. Peng, “Verileri ilginç ama bence yorumlama çok uzak bir ihtimal,” diyor.
Daha iyi ölçümler muhtemelen tartışmayı yakın gelecekte çözecektir. El Fassi, Jefferson Laboratuvarı’ndaki elektron demetinin bugün 2004’te olduğundan iki kat daha güçlü olduğunu ve gelecek yıl için yeni hadronizasyon deneylerinin planlandığını söylüyor. Brandenburg, şu anda Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda planlanan bir parçacık hızlandırıcı olan Elektron-İyon Çarpıştırıcısının da benzer deneyler için güçlü ve yeni bir araç olacağını söylüyor.
“Hala inşa ettiğimiz için,” diyor, “önemli olduğunu bildiğimiz ölçümler için gerçekten ince ayar yapabiliriz.”
Kaynak : https://www.scientificamerican.com/article/physicists-see-strange-matter-form-inside-atomic-nuclei/