Ünlü Higgs parçacığını bulan CERN deneyinde, Higgs parçacığını bulmaktan farklı bir iş yapan LHCb grubu, bir başka önemli buluşa imza atmış olabilir. Grup 7 Nisan 2014 tarihinde, arXiv (Cornell Üniversitesi’nin açık makale sistemi) sitesinde egzotik bir parçacığı bulduklarını açıkladı.
LHCb grubu, CERN’deki büyük hadron çarpıştırıcısı üzerinde kurulmuş olan 4 detektörden birini kullanıyor. Higgs bozonunu bulduklarını açıklayan ATLAS ve CMS grupları da, aynı hızlandırıcı üzerindeki başka detektörleri kullanıyorlar. Buldukları parçacığı önemli yapan şey, dörtlü kuark sisteminden oluştuğunun düşünülmesi.
Kuarklar için “madde”nin temel yapıtaşları diyebiliriz. Proton ve nötronlar 3’lü bağ yapan kuark sistemlerinden oluşuyor. Onlar dışında 3’lü ve 2’li kuark yapılı birçok parçacık olduğunu biliyoruz. Ancak bu zamana kadar 4’lü kuark sistemi olan hiçbir parçacık bulunmadı. Kuarkların neden tek başlarına doğada bulanamadığını bilsek de (renk hapsi) neden sadece 2’li (mezonlar) veya 3’lü (baryonlar) bağ yapılarında olduklarına dair tatmin edici bir fikrimiz yok.
4’lü kuark yapılarının varlığı uzun zamandır biliminsanları arasında tartışılıyor ve varlıkları aranıyor. Ancak 4’lü sistemler için yapılması gereken hesaplar çok karmaşık olduğu için bu zamana kadar hesapları yapıp fikri test edebilen olmadı. Maryland Üniversitesi’nden Thomas Cohen “Henüz, bilgisayarlar teorinin (kuantum renk dinamiği) temel prensiplerinden yola çıkıp, çözüm yapabilecek kadar güçlü değil” diye belirtiyor. Bu, henüz kimse fizik yasalarının 4’lü kuark yapılara izin verip vermediğini bilmiyor demek. Ancak bu yapıları neden gözlemlemediğimize dair kesin bir fikir de yok.
Gözlemlendiği söylenen parçacığın adı Z(4430)-. 4430 sayısı, parçacığın 4430 MeV kütlesi olduğunu (yaklaşık olarak protonun 4 katı ağırlıkta) ve elektron gibi negatif elektrik yüküne sahip olduğunu belirtiyor. Z harfi ise tuhaf parçacıklar (strangeparticles) serisine verilen XYZ sistemlerinden hangisi olduğunu söylüyor.
Peki bu yapıyı özel kılan ne? Daha öncesinde de belirtildiği gibi 2003’e kadar bulunan yüzlerce parçacık ya 2’li kuark ya da 3’lü kuark yapısına sahipti. 2003’de ise BELLE deneyi büyük bir sürpriz yaptı ve 4’lü kuark yapısına benzeyen bir sistem bulunduğu açıklandı. Bu sistemler genellikle charmonium ve bottomonium denilen tılsım ve anti-tılsım veya alt ve ant-alt kuarklardan oluşuyor. Geçen baharda BESIII grubunun gözlemlediğini açıkladığı ZC(3900)+ parçacığını BELLE grubu da gördüğünü açıklamıştı. Ancak bunlar hep düşük istatistiksel verilere sahipti. Bu kez LHCb, önceki seferlere göre 10 kat daha fazla kez bu parçacığa dair veri olduğunu söyledi. 4000 kez parçacık gözlemlenmiş. Sahip oldukları veri o kadar fazlaki, parçacığın kuantum numaralarını tartışmaya neredeyse yer bırakmayacak şekilde bulmuşlar. Bir parçacığın, kesin kuantum numaralarını bulmak parmak izini çıkarmak gibi bir şey. Fizikçilerin tam olarak nasıl bir parçacık olduğunu anlamaları için yeterli bilgiyi içeriyor yani.
Sonuç olarak Z(4430)- parçacığının tılsım, anti-tılsım ve aşağı, anti-yukarı kuarklardan oluştuğunu söylüyorlar. Yaptıkları ölçümler diğer birçok olasılığı elemiş. Ölçümde 25200 B mezonunun ψ’ π-a bozunması gözlemlenerek deneysel veri seti oluşturulmuş. Z(4430)- parçacığının varlığını 13,9σ (sigma) hassasiyeti ile ölçmüşler. Bu da demek oluyor ki, sinyaller istatistiksel dalgalanmalardan 13,9 kat güçlü.
Parçacığın bulunduğu kesinleştiğine göre, sırada yapılması gereken bunun gerçekten bir 4’lü kuark sistemi olup olmadığını bulmak. 4’lü sistem olması iki şekilde mümkün. Bunlardan biri iki tane ikili kuark yapısının (mezonlar) bağ oluşturması (hidrojen atomu gibi düşünülebilir); diğeri 4 kuarkın birbiri arasında bağ kurması. İlk seçenek pek olası gözükmüyor, çünkü bu kütleyi sağlayacak ikili mezon sistemi yok. Ancak 4 kuarkın direkt bağ oluşturduğu modellere kıyasla bu parçacık 10 kat hızlı bozunuyor. Bu da 4’lü kuark modellerine parçacığın uymadığını gösteriyor.
Parçacığın bozunması ve özellikleri hakkında daha fazla veri toplandıkça, durum daha da netleşecektir. O zamana kadar 4’lü kuark yapılarının varlığı sorusu açık bir soru olarak kalacak. Tıpkı 5’li kuark yapıları hakkında birkaç kez konuşulmasına rağmen, bir süredir söz edilmemesi, ama buna rağmen teorik olarak var olmamalarına bir sebep bulunamaması gibi.
Kaynaklar
1) http://www.newscientist.com/article/dn25402-lhc-spots-particle-that-may-be-new-form-of-matter.html#.U1LSJB9FNj2
2) http://arxiv.org/abs/1404.1903
