Nükleer fizikçiler, iki yüksek enerji hızlandırıcısının sonuçlarının birleştirilmesiyle, kuark gluon plazma olarak bilinen egzotik maddenin dikkat çekici bir özelliğinin ölçümünü gerçekleştirdiler. Bulgular, çok yüksek sıcaklığın yeni yönlerini açığa çıkardı. Bunlardan biri olan mükemmel akışkan, Büyük Patlama’dan yalnızca birkaç saniye sonraki erken evrenin durumu hakkında ipuçları veriyor.
ABD Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı Enerji Bölümü’nde çalışan, JET Takımı olarak bilinen grubun sonuçları Physical Review C dergisinde basıldı. JET İşbirliği, DOE Bilim Ofisi tarafından 2010’da kurulan nükleer teori içindeki konu bazlı işbirliklerinden biridir. Niceliksel jet ve elektromanyetik tomografinin temsil ettiği JET’in amacı, yüksek enerji ve ağır iyon çarpışmalarının araştırılmasında kullanılan probu çalışmaktır. Bu takım Berkeley Laboratuvarı ile birlikte 12 enstitüye sahiptir.
JET Takımının Yöneticisi fizikçi Xin-Nian Wang, neredeyse mükemmel olan akışkanın mikroskopik yapısını açığa çıkaran kuark gluon plazmanın anahtar bir özelliğini en yüksek kesinlikte çıkarabildiklerini söylüyor ve şöyle devam ediyor: “Mükemmel akışkanlar kuantum mekaniksel olarak izin verilmiş en düşük viskozite-yoğunluk oranına sahiptir. Bunun anlamı, sürtünme olmadan aktıklarıdır.”
Sıcak plazma denizi
Nükleer fizikçiler kuark gluon plazma yaratmak ve üzerine çalışmak için New York’taki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı ve İsviçre’deki CERN’de adları sırasıyla Rölativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı (RHIC) ve Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) olan parçacık hızlandırıcılarını kullanıyorlar. Biliminsanları, ağır atomik çekirdeklerin yüksek enerji için hızlandırılması ve birbiri içinde patlamasıyla erken evrenin çok sıcak olduğu koşulları yeniden yaratabiliyorlar.
Proton ve nötronların oluştuğu temel parçacıklar olan kuarklar, birbirlerine gluonlar sayesinde sıkıca bağlıdır. Yalnızca, Güneş’in merkezindeki sıcaklığın milyon katı büyüklüğündeki bir değerde çarpıştırılırlarsa, birbirlerinden ayrılırlar. Bu yüksek sıcaklıkta, kuark gluon plazma olarak bilinen sürtünmesiz mükemmel akışkan oluşur.
Wang, “Sıcaklık çok yüksek olduğundan farklı çekirdekler arasındaki sınır kaybolur. Böylece her şey kuarkların ve gluonların sıcak bir çorbasını oluşturur. Parçacık hızlandırıcısının içerisinde gerçekleşen bu çok sıcak çorba oldukça kısa ömürlü olduğundan ölçmek hayli zor. Bu zorluğun üstesinden gelmek için deneyciler tarafından bir araç geliştirildi. Fakat, deneylerdeki gözlemlerin kuark gluon plazmanın kesin analizinin içinde anlaşılması, hâlâ başarılmış değil” diyor.
Wang’in çalışma grubu, teorik olarak ilk kez 20 yıl önce Berkeley Laboratuvarı’nda kullanılan bir fenomeni yeni çalışmanın içinde kullandı. Fenomen şuydu: Yüksek enerjili parçacığın enerji kaybı olan “jet” kuark gluon plazmanın içinde yer alır.
Wang, sıcak kuark gluon plazma oluşturulduğunda, bazı zamanlar durgun maddenin bin katı enerjili parçacıklar yaratılacağını söylüyor. Bu jetler plazmanın içinde yayılır, saçılır ve bu yolla enerji kaybederler. Araştırmacılar jetin üretildiği anki enerjisini bildikleri için enerji kaybını ölçebilirler. Bu durum, plazmanın yoğunluğu ve onların etkileşimlerinin dayanıklılığı hakkında ipuçları veriyor. Bu nedenle Wang jeti şöyle tanımlıyor: “Sanki insanın vücudundan geçen X-ışınları gibi. Böylece içini görebiliyorsunuz.”
Kuark gluon plazmanın X-ışını olan jetlerin kullanılması, plazma bir ateş topu gibi çok hızlı genişlediği için, oldukça zor. Wang, yaratılan sıcak ateş topunun, çok hızla genişlerken sıradan bir maddeye hızlı bir şekilde soğuduğunu belirtiyor. Bu durumun plazmanın genişlemesini kesin olarak tanımlayan bir model geliştirmek için önemli olduğunu ekliyor.
Bu model, Einstein’ın özel görelilik teorisi ile tanımlanan akışkanların hareketinde kullanılan “rölativistik hidrodinamik” adı verilen bir teori dalına dayanıyor. Geçen birkaç yıl boyunca, JET Takımından araştırmacılar ultra sıcak mükemmel akışkan fenomenin gözlemini ve genişleme sürecini tanımlayabilecek bir model geliştirdiler. Wang, bu modelin jetin dinamik ateş topu içinde nasıl ilerlediğini anlamalarına imkân tanıdığını söylüyor.
Bu modelin kuark gluon plazma ve jetin üretilmesi için çalışmasıyla, araştırmacılar RHIC’deki PHENIX ve STAR deneyleri ve LHC’deki ALICE ve CMS deneylerinin sonuçlarını birleştirip analiz ettiler; çünkü her bir hızlandırıcının başlangıç sıcaklıkları farklı değerdeydi. Araştırma grubu, kuark gluon plazmanın bir temel özelliğini ortaya koydular. Bunu da, jet ve ultra sıcak madde arasındaki etkileşimin dayanıklılığını karakterize eden, jet geçiş katsayısı olarak adlandırdılar. Wang, jet geçiş katsayısı değerlerinin belirlenmesinin, ultra sıcak maddenin neden evrendeki en ideal sıvı olduğunu anlamamıza yardımcı olabileceğini söylüyor.
İlk jet ve akış ölçümleri ile birlikte RHIC’ deki STAR deneylerinin uygulandığı Berkeley Laboratuvarı’ndaki araştırma grubunun lideri olan Peter Jacobs’a göre, yeni sonuç kuark gluon plazmasının kesin doğasına açılan bir pencere olacağından oldukça değerli. Çalışma gruplarının bir sonraki adımı, RHIC’ den gelen düşük enerji verileriyle LHC’den gelen yüksek enerji değerlerini, bu sıcaklıkların plazma davranışına nasıl etki edeceğini görmek için analiz etmek ve bu analizi özellikle de, sıradan madde ve kuark gluon plazmadan egzotik madde arasındaki faz geçişi etrafında yapmak olacak.
