1935’te Hideki Yukawa, proton ve nötronların -kuarklardan oluşan parçacıklar- neden birbirine yapıştığını açıkladı; güçlü nükleer kuvvet… Şiimdiyse fizikçiler, daha nadir kuark gruplarının nasıl etkileşime girdiğini araştırmak için gerekli ekipmanlara da sahipler. Her dakika milyarlarca kez, Büyük Hadron Çarpıştırıcısında (LHC) protonlar birbirine çarparak daha fazla protona, nötrona ve nükleer parçacıkların daha az tanıdık kuzenlerine kristalleşen bir enerji girdabı salıyorlar. Bazı parçacıklar olay yerinden kaçarken birbirleriyle karşılaşırlar. Daha sonra belirli bir çiftin bir araya gelip gelmeyeceğini veya ayrışacağını fizikçiler genellikle söyleyemezler.
Kuramsal fizikçiler, 50 yıldan daha uzun bir süre önce proton ve nötronların içindeki parçacıkların nasıl hareket ettiğini araştırdı. Ancak kuarklar olarak bilinen bu parçacıklar asla tek başlarına görünmezler ve güçlü kuvvet teorisini yani bedenlerimizi oluşturan ve parçacık çarpıştırıcılarında görünen nesneler olan kuark gruplarının davranışını tahmin etmekte başarısız oldular. Münih Teknik Üniversitesi’nde fizikçi olan Laura Fabbietti, “Bu etkileşimleri ilk ilkelerden itibaren anlamak eğer isterseniz, nükleer fiziğin sınırıdır” Onlarca yıllık çalışmanın ardından, birden fazla kuarktan oluşan parçacıklar olan “hadronlar” üzerinde titiz araştırma yapmanın güçlü yolları nihayet belli bir seviyeye ulaşıyor. Süper bilgisayarlar artık belirli dijital hadronlar arasındaki kuvveti hesaplayabilir ve LHC’deki araştırmacılar, güçlü kuvvetin neden olduğu uçucu hadronlar arasındaki titremeleri doğrudan tespit edebilen, femtoskopi olarak bilinen yeni bir yöntemi kullanmada öncü oluyorlar. Araştırma, doğanın en esrarengiz gücünün yeni yönlerini ortaya çıkarıyor. Femtoskopi geliştiricilerinden biri olan Fabbietti, “Birdenbire, herhangi bir çift hadron arasındaki güçlü etkileşimi ilk kez test edebiliriz” dedi.
Esrarengiz çekirdek
Atomun çekirdeği, Enrico Fermi ve Werner Heisenberg dahil olmak üzere alandaki liderlerin birkaç tuhaf gözlemi uzlaştırmak için mücadele ettiği 1930’lardan beri fizikçilere meydan okudu. Bunlardan biri, çekirdeğin var olduğu gerçeğiydi. İki protonun birbirine sadece birkaç femtometre (bir metrenin milyarda birinin milyonda biri) uzaklıkta yuvalandığı helyum çekirdeğini ele alın. Bu mesafede, iki pozitif yük, çekirdeği 20 librelik bir kuvvetle parçalaması gerekirken tam tersine kararlı helyum atomları boldur. Elektromanyetizma atomu kontrol eder, ancak çekirdek farklı kurallarla oynuyor gibi görünmektedir. Nispeten bilinmeyen bir Japon fizikçi olan Hideki Yukawa, 1935’te nükleer bulmacanın büyük bir parçasına çarptı.
Çekirdeği bir arada tutan güçlü bir kuvvet varsa, bu tuhaftı. Kütlesiz foton, elektromanyetik kuvveti uzaklara taşır, ancak protonların ve nötronların yapışması için yakın temas gerekir. Yukawa’nın ana görüşü, bu kısa menzilin, yeni kuvvetin parçacığının hareket kabiliyetini sınırlayan bir kütleye sahip olmasından kaynaklandığıydı; bunun elektronun ağırlığının 200 katı olması gerektiğini hesapladı. Fizikçiler, 1947’de kozmik ışınlarda, Yukawa’nın tahmin ettiğinden sadece üçte bir daha büyük bir kütleye sahip olan pi mezonu veya “pion”u keşfettiler. Nobel Ödülü iki yıl sonra geldi.
Nükleer fizikçi ve Japonya’daki RIKEN enstitüsünün program direktörü Tetsuo Hatsuda, “Yeni bir parçacığın varlığını tahmin eden ilk kişiydi” dedi. “Bu, parçacık fiziğinin doğuşuydu.” Pion, yeni parçacıklar tufanının ilkini kanıtladı. Büyüyen bu hayvanat bahçesindeki modeller, teorisyenlerin kuarkların altı çeşit olduğu ve her zaman gruplar halinde var olacak kadar sıkı bir şekilde bağlandığı sonucuna varmalarına yol açtı. Bugün fizikçiler 300’den fazla benzersiz hadron biliyorlar.
Kuramsal fizikçiler, 1970’lerde güçlü kuvvetin kuarkları nasıl yönettiğini anlamak için kuantum renk dinamiği veya QCD olarak bilinen bir teori üzerinde çalıştılar. Ancak bu sinir bozucu bir şekilde, tüm cevapları sağlamıyordu.
QCD, kuarkları, elastik bir banttaki gerilim gibi, mesafe ile büyüyen bir yoğunlukla, kuvvet taşıyan “gluonların” değiş tokuş eden telaşları olarak tasvir eder. Parçacık çarpıştırıcısında olduğu gibi, parçacıklar birbirine çarptığında, kuarklar birbirine o kadar yakınlaşır ki elastik gevşer. Bu durumlarda, QCD iyi çalışır. Ancak olağan koşullar altında, elastik gerilir ve büzülür ve QCD’nin matematiği bozulur. Bu sınırlama, hadronların gerçek dünyadaki davranışını bir gizem haline getirir. Tokyo Metropolitan Üniversitesi’nde fizikçi olan Tetsuo Hyodo, “Bu, temel parçacık fiziğinin Standart Modelindeki tek hesaplanamaz parçadır” dedi.
Büyük bir şaka: Hadron
Çözülebilir bir teori olmasa bile, iki teknik, fizikçilerin parçacıkların şifreli davranışlarını kırmalarına giderek daha fazla yardımcı oluyor.
İlk olarak araştırmacılar sorunu süper bilgisayarlara devrederek bir dijital laboratuvarı şu şekilde kurdular: Uzayı bir ızgaraya ve zamanı bir dizi ayrık ana bölüyorlar. Izgara çizgilerinin kesiştiği yerlere kuarkları ve aralarındaki bağlantılara gluonları yapıştırırlar. Daha sonra, düzgün uzay ve zaman için imkansız olacak şekilde kare kare ne olduğunu hesaplıyorlar.
2007’de Hatsuda’nın araştırma grubu bu “kafes QCD” yaklaşımını proton veya nötron çiftlerini Yukawa tarzında noktalar yerine daha gerçekçi kuark ve gluon bulutları olarak simüle etmek için kullandı. Protonlar veya nötronlar birbirinden yaklaşık bir proton genişliğinde olduğunda, sanki pionları değiş tokuş ediyormuş gibi gerçekten çektiklerini doğruladılar. Hatsuda, “Bir anlamda, Yukawa QCD temelinde onaylandı” dedi. Grup ayrıca Yukawa’nın teorisinin ötesine geçti ve parçacıklar daha da yakınlaştığında çekimin itmeye dönüştüğünü kanıtladı. Son zamanlarda ekip, bir proton veya nötron (daha hafif “yukarı” ve “aşağı” kuarklar içerir) ile üç daha ağır “garip” kuarktan oluşan bir “omega” hadron arasında sanal karşılaşmalar yaratıyor. 2019’da hadron çiftinin birbirini yakın ve uzak bir yerde çekiştirdiğini buldular.Grup 2020’de bir çift “lambda”nın (bir yukarı kuark, bir aşağı kuark ve daha ağır bir kuark) zayıf bir şekilde çektiğini hesapladı. Bu sonuçlar, bir anda bozunma eğiliminde olan daha ağır hadronların birbirini nasıl etkilediğine dair ilk ipuçlarından bazılarını temsil ediyor.
Buna paralel olarak, LHC araştırmacıları gerçek hadronları izlemek için ALICE deneyini kullanmaya başladılar. Proton çarpışmaları, çoğu başka parçacıklara bozunan bir hadron patlaması üretir. ALICE araştırmacıları, istenen hadron eşleşmelerinin işaretlerini bulmak için bu çarpışmadan geriye kalanları inceliyor. Benzer yollar boyunca birlikte hareket eden hadron çiftlerini farklı yönlere gidenlerle karşılaştırırlar. Amaç, yakındaki hadronların birbirlerini nasıl çekebileceklerine veya itebileceklerine dair işaretleri ortaya çıkarmaktır. Teknik, tek bir femtometre kadar küçük hadronik kıpırtıları tespit edebilir.
ALICE ekibinde femtoskopi grubuna liderlik eden Fabbietti, “Güzel olan, bu tekniği çok nadir ve kararsız olan hadronlara uygulayabilmenizdir, normalde iki parçacığın birbiriyle konuşmasına ve ne dediklerini görmesine izin vermenin başka ihtimali yoktur ” dedi. Grup 2020’de Nature’da femtoskopi yöntemini detaylandırdı. Geçen Ekim ayında, bir proton ve bir pi-mezon (garip bir kuark ve onun anti-kuarkından oluşan) arasında büyük ölçüde bilinmeyen bir etkileşimin ölçümünü açıkladılar. Deneyciler normalde verilerini yorumlamak için kafes QCD’den gelen teorik verilere dayanırlar, ancak pi-mezonlar üzerinde o kadar az çalışma yapılmıştır ki Yukawa’nın 1935 teorisine geri dönmek zorunda kaldılar.
Veri analizini yöneten yüksek lisans öğrencisi Emma Chizzali, “Proton-pi için hiçbir şey yoktu” dedi. ALICE ekibi yaklaşık 100.000 eşleşmeden birbirine yakın olan protonlar ve pi-mezonların birbirini çekiyor gibi göründüğünü sonuçlandırdı. Yine de çekim, protonlar ve nötronlar arasındaki çekimin yalnızca onda biri kadar güçlüydü. Hatsuda, deneyin “çok heyecan verici” olduğunu söyledi. Ekibi şu anda sonucu kafes QCD ile kontrol ediyor.
LHC’den nötron yıldızlarına
Garip kuarklar içeren hadronlar LHC’de hızla bozunurken, büyük basınçların “hiperonlar” olarak bilinen garip proton varyantlarını dengeleyebildiği nötron yıldızlarının uzun süreli sakinleri olarak var olabilirler. Bu hiperonlar, bazı teorisyenlerin ölü yıldızları sertleştirebileceğini öne sürdüğü pionlar yerine pi-mezonları değiştirecektir. Ancak ALICE’ın sonucu, garip etkileşimlerin önemli olamayacak kadar zayıf olduğunu gösteriyor. Fabbietti, “Nötron yıldızlarının içinde hiperonlar varsa, onların etkileşimleri tamamen ihmal edilebilir” dedi. Hyodo, iki ve üç kuark parçacıklarının birbirine yapıştığına dair kapsamlı bir bilginin başka bir gizem olan dört veya beş kuark gruplarının neden bu kadar nadir olduğunu açıklayabileceğini umuyor. Fizikçiler yüzlerce kuark ikilisi ve üçlüsü kataloglarken sadece bir avuç tetrakuark ve pentakuark kataloglayabildiler. Bu amaçla ALICE, 2016 ile 2018 arasında meydana gelen yaklaşık bir milyar çarpışmayı ayıklıyor. Ancak bu bahardan itibaren, LHC’ye yapılacak bir yükseltme, veriyi 100 kat daha hızlı almalarına olanak tanıyacak. Önümüzdeki on yıl içinde Fabbietti, daha ağır kuarklar içeren daha nadir hadronların karışımını ölçmeyi umuyor. Fabbietti “Bu yapbozu inşa ediyoruz ve hepsini ölçmeye çalışıyoruz.” dedi.
Kaynak: Charlie Wood, QUANTA
