ABD Brookhaven’deki nükleer fizik araştırma merkezindeki, Ağır İyon Çarpıştırıcısı’nda (RHIC) bulunan bilimsel gruplardan biri olan STAR grubu, geçtiğimiz haftalarda “Kiral manyetik dalgalarının” bulgularına, hızlandırıcıdaki parçacık çarpışmaları sonucu oluşan kuark-gluon plazması içerisinde rastladıklarını açıkladı.
Bu gözlemin ne kadar önemli olduğunu açıklamak için plazmayı ve olguları biraz anlatalım. Kuarklar, proton ve nötron gibi atom içerisinde bulunan parçacıkların içinde bağlı yapıda bulunan parçacıklar. Gluonlar ise kuarklar arasındaki güçlü kuvvet etkileşimini sağlayan parçacıklar. Güçlü etkileşimin bir özelliği olan (ve sebebi yıllardır bilinmeyen) “hapsedilme” (confinement) sebebi ile kuarklar, birbirlerinden uzaklaştıkça birbirleri arasındaki çekim kuvveti artıyor. Bu sebeple, doğada bir kuarkı serbest şekilde bulmanın, gözlemlemenin imkânı yok. Kiral manyetik dalgalar, biliminsanlarına göre evrenin ilk oluşum anlarında kuarkların, kendilerinden daha büyük olan hadronlar içerisinde sıkışmadan önce serbest dolaştıklarına dair bir işaret. Kiral tanımı ise İngilizce “chiral” teriminden geliyor ve parçacıklarda ayna simetrik olmayan bir olguyu tanımlamak için kullanılıyor. Sağ elli ve sol elli parçacıklar, birbirine benzer olan, birbiri arasında ayna simetrisi taşımayan parçacıklar. Sağ elli parçacıklar spin ve momentumu aynı yönde olan, sol elli parçacıklar ise spin ve momentum yönleri birbirine zıt olan parçacıklar için tanımlanmış.
Bu dalgaları gözlemlediklerini düşünmelerinin sebebi ise detektörlerinde gördükleri artı ve eksi yüklü parçacıkların çarpışmalar sonucunda birbirlerinden farklı davranmaları. Artı yüklü parçacıklar çarpışmadan sonra kutuplara doğru saçılırken eksi yüklü parçacıkların çarpışmanın ekvatoru doğrultusunda saçıldıkları gözlemlenmiş. Bu şekilde saçılmaları ise altın iyonlarının çarpışmaları incelenirken fark edilmiş.
Elektronlarından arındırılmış, çekirdeğinde bulunan 79 protonun yükü ile bırakılmış altın iyonları kullanılmış. Bu ağır altın iyonlarının çarpışması sonucunda, artı yüklü parçacıklar karışarak çarpışma merkezi etrafında dönmeye başlıyor ve bu artı yüklü parçacıkların etkisiyle, dönen kütleye dik bir manyetik alan oluşturuyor. Yani aslında, kutuplara sahip bir bulut kümesi gibi düşünülebilir ve bu bulut kümesinin dönme eksenine paralel bir hortum oluşuyor diye hayal edebiliriz, birebir olmayan bir analoji kurabiliriz. Bu çarpışma esnasında oluşan enerji sebebiyle çok çok fazla sayıda atomaltı parçacık oluşuyor ve bu parçacıkların içerisinde kuark ve gluonlar da var. Protonların yarattığı manyetik alanda hareket eden bu yeni oluşan parçacıkların da spin ve açısal momentumları var ve bu parçacıklarının spinlerinin hareketlerine göre yönü kiralite dedimiz özelliğini tanımlıyor parçacıkların. Saat yönünde bir spine sahip parçacık sizden uzaklaşıyor ise sağ elli parçacık, saatin tersi yönde spine sahip aynı yönde giden bir parçacıksa sol elli parçacık olarak adlandırılıyor.
Kaliforniya Üniversitesi’nden olan STAR grubu üyesi Gang Wang’ın açıkladığına göre, eğer parçacık ve anti-parçacık sayıları farklı ise sağ ve sol elli parçacıklar protonların oluşturduğu manyetik alandan farklı şekilde etkilenecekler ve kiral yüklerine göre manyetik alan içerisinde farklı yönlerde hareket edecekler. Bu kiral ayrışma sonunda, farklı yüklü parçacıkların farklı davranışlar sergilemesine sebep olacak. Ve bu yük ayrışması da kiral ayrışmayı daha çok tetikleyecek ve bu da daha çok farklı yüklü parçacıkların ayrışmasına sebep olacak… Bu iki özelliğin birbirini ardı sıra tetiklemesi bir dalga gibi yayılıyor ve bu dalgaya kiral manyetik dalga adı veriliyor. Yani sonunda görülen şey, zamanla daha çok negatif parçacığın ekvatora, pozitif parçacığın ise kutuplara itilmesi olacak.
Bunu gözlemlemek için STAR grubu belirli artı ve eksi yüklü parçacıkların hareketlerini incelemiş ve negatif yüklü parçacıkların ekvatora doğru saçılımının zamanla arttığını ve pozitif yüklü parçacıkların kutuplara doğru saçılımının zamanla merkezde daha fazla artı yüklü parçacık toplanması için azaldığını gözlemlemiş. STAR grubu bu gözlemin kuark-gluon plazmanın oluştuğunu düşündükleri her enerji seviyesinde, yapılan hesaplamalarla uyuştuğunu söylüyor ve bu gözlemi kiral manyetik dalga modeli dışında henüz açıklayabilen bir model yok. Son olarak, bu gözlemin aynı zamanda kırılmış olan kiral simetrinin tekrardan oluşması sayesinde olabileceğini ekliyorlar.
Güçlü etkileşimlerin teorisi olan kuantumkromodinamiğinde temel enerji seviyesinde kiral simetri kırılmış haldedir ve sağ elli parçacıklar sol ellilere, sol elliler ise sağ ellilere dönüşebilir. Bu durumda kiral yük elimine olmuş demektir ve kiral manyetik dalgalar gözlemlenemez. Stoony Brook Üniversitesi’nden Dmitri Kharzeev’in söylediğine göre, kuantumkromodinamiğine göre, kuarklar birbirinden ayrılabildiğinde ya da proton ve nötronlardan bağımsız hale geldiklerinde, yani bir kuark gluon plazması içerisinde olduklarında doğada kırılmış halde olan kiral simetrinin tekrardan sağlanmış olması gerekiyor. Bu durumda, kiral dalgaların gözlemi kiral simetrinin tekrardan sağlandığının bir ispatı denilebilir. Kharzeev, bu simetrinin tekrar sağlanmasının nasıl olduğunu henüz anlamadıklarını ve çözülmesi gereken sorulardan biri olduğunu söylüyor. kuantumkromodinamiğinin nümerik hesaplarına göre bu iki olay beraber oluyor ve aralarında derin bir ilişki var. Bu ilişkinin anlaşılması için, bu gözlem güzel bir haber gibi görünüyor.
“Hapislilik”, önceden de söylediğimiz gibi hâlâ anlaşılamamış bir kuantum fenomeni ve açıklayabilen grup veya biliminsanlarının Nobel ödülü alacağına kesin diyebiliriz. Aradaki bağ ile ilgili araştırmalarını, gözlemlerini geliştirmek ve çeşitlendirmek isteyen STAR grubu ise deneyi farklı proton sayılarına ama aynı kütle numarasına sahip atomlar ile tekrarlamak istiyor. Bu sayede, başlangıçta oluşan manyetik alanın kuvvetini değiştirip, diğer değişkenleri sabit tutabilirler. Şimdilik sonuçların kesin olmadığını ve doğrulanması gerektiğini de ekleyelim.
Yayımlanan makale: arxiv.org/abs/1504.02175
