Süper bilgisayar proton ve nötronun kütle farkını hesapladı
Atom çekirdeğinin varoluşumuzu olanaklı kılan fiziksel özelliklere sahip olmasının temel nedenlerinden biri de nötron kütlesinin protonun kütlesinden çok az da olsa büyük olmasıdır. Zoltán Fodor önderliğindeki çalışma grubu, nötronun keşfinden 80 yıl sonra nötron ve proton arasındaki kütle farkını hesaplamayı başardı. Grup, JUQUEEN adlı dünyanın en güçlü süper bilgisayarlarından birini kullanılarak elde ettiği sonuçları Science dergisinde yayımladı. Güçlü etkileşim teorisinin (QCD) doğrulanması açısından bu bulgular oldukça önemli.
Atomun oluşabilmesinin ve varlığını sürdürebilmesinin önemli bir koşulu, nötronun protondan ağır olmasıdır. Bahsi geçen kütle farkı, değerinden az miktarda kaysaydı, evrende aşırı nötron bolluğu, yetersiz hidrojen ve ağır element eksikliği meydana gelirdi. Serbest nötronun yaklaşık 10 dakika içerisinde bozunurken serbest protonun bozunmadan kalmasının arkasında da, yine proton ve nötron arasındaki kütle farkı yatar. Deneysel ölçümler sonucunda parçacıkların kütleleri arasındaki fark yüzde 0,14 olarak bulunmuştur.
Chadwick’in nötronu keşfetmesinin üzerinden 40 yıl sonra, 1972 yılında Murray Gell-Mann ve Heinrich Leutwyler, proton ve nötronu meydana getiren temel parçacıklar ve bunların arasındaki güçlü etkileşim kuvvetlerini tutarlı biçimde açıklayan kuantum kromodinamik (QCD) teorisini ortaya koydular. Bugün biliyoruz ki, çekirdeği meydana getiren proton ve nötronların yapıtaşlarını yukarı ve aşağı kuarklar oluşturur. Proton, bir aşağı kuark ve iki yukarı kuarktan; nötron ise bir yukarı ve iki aşağı kuarktan meydana gelir.
Proton ve nötron kütlelerinin büyük bölümünün, yapıtaşlarını oluşturan kuark bileşenlerinin enerjisinden, Einstein’in E=mc2 bağıntısına uygun şekilde meydana geldiği, geçtiğimiz birkaç yılda yapılan süper bilgisayar simülasyonları tarafından onaylandı. Elektrik yüklü protonun yarattığı elektromanyetik alanın katkısından dolayı yüklü protonun kütlesi, yüksüz nötrondan yüzde 0,1 oranda fazla olarak hesaplanıyordu. Ancak Fodor ve ekibinin oldukça karmaşık simülasyonlarla gösterdiği üzere artık biliyoruz ki, kuarkların kütle farklarından dolayı nötronun kütlesi QCD’nin öngördüğü gibi protondan daha fazladır.
Ekip, çok hassas elektromanyetik etkileşmelerin de dahil edilebilmesi amacıyla kuantum kromodinamiğin yanına kuantum elektrodinamiğini de hesaplamaya katarak oldukça karmaşık simülasyon teknikleri kullandı. Biliminsanları, tüm hata kaynaklarını kontrol ederek doğa kuvvetlerinin hassas bir denge içerisinde olduğunu gösterdiler.
Prof. Kálmán Szabó’ya göre, gelecekte standart modelin temel parçacık fiziğini, on kat kesin sonuçlarla test edebileceğiz. Elde edilecek bulgular da standart model ötesi yeni fiziğe yol gösterecek nitelikte olabilir. Fodor ve ekibinin çalışmaları yeni nesil simülasyonlamada kuark, gluon ve nükleer parçacıkların özelliklerinin belirlenmesi gibi konularda kapı aralayıcı nitelikte olduğundan çalışmalarının önemi oldukça fazla.
