Evrenin ilk sıvısı olan kuark-gluon plazmasının yapısının belirlenmesi

Büyük Patlama’dan sonraki saniyenin ilk kesirinde madde, ışık hızına yakın bir hızda vızıldayan, kuarklar ve gluonlardan oluşan trilyon derecelik bir plazma halinde mevcuttu. Bu kaynayan çorba, parçacıklar daha kararlı proton ve nötronlara dönüşmeden önce sadece birkaç mikrosaniye sürdü.

Bu ilksel sıvıyı incelemek için bilim insanları, iyonların ışık hızına yakın bir hızla çarpıştığı büyük parçacık hızlandırıcılarda kuark-gluon plazmasını yeniden yaratıyorlar. Bu çarpışmalar, saniyenin yalnızca on septilyonda biri boyunca var olan, yaklaşık olarak atom çekirdeği büyüklüğünde plazma damlacıkları oluşturur.

Bilim adamlarının bu plazmayı inceleme yollarından biri, plazmanın parçası olmayan ancak onun içinde hareket eden ağır kuarklar gibi diğer parçacıkları izlemektir. Ağır bir parçacığın bir sıvı içinde hareket etme şekli, sıvının kendisinin mikroskobik yapısı hakkında bir şeyler söylemelidir. Bu genel ilişki ünlü fizikçi Albert Einstein tarafından 1905 yılında kurulmuştur.

Ancak parçacıkların ışık hızına yakın bir hızla hareket ettiği bu tür aşırı koşullarda, Einstein’ın teorisindeki bir şeyler bozulmaya başlar; Plazma içinde teorinin tam olarak yakalayamadığı etkileşimler var.

Şimdi, MIT ve Santa Barbara’daki Kaliforniya Üniversitesi’ndeki (UCSB) fizikçiler, Einstein’ın teorisinin kaldığı yerden devam ediyor. Işık hızına yakın bir hızla hareket eden göreceli bir parçacığın, içinden geçerken bir sıvı tarafından nasıl itilip çekileceğini tahmin eden bir teori geliştirdiler.

Araştırmacılar, yeni teorinin, ağır bir kuarkın kuark-gluon plazmasında nasıl hareket edeceğini tahmin etmek için uygulanabileceğini öngörüyor. Bu tür tahminler daha sonra kuark-gluon plazmasının mikroskobik yapısını ve evrenin ilk anlarında ne tür bir sıvının var olması gerektiğini karakterize etmeye yönelik deneylerle karşılaştırılabilir.

MIT’nin Teorik Fizik Merkezi’nde (bir Leinweber Enstitüsü) yüksek lisans öğrencisi olan Jean Du Plessis, “Sonuçlarımız, ağır kuarkların hareketlerindeki nadir, alışılmadık derecede büyük değişikliklerle taşıdığı yeni bir bilgi kaynağını ortaya koyuyor” diyor. “Bu büyük değişikliklerin ne sıklıkta meydana geldiği, plazmanın mikroskobik yapısına bağlıdır; bu da, kuark-gluon plazmasının gerçekte neye benzediğini öğrenmenin yeni bir yolunu sağlama olasılığını yükseltir.”

UCSB Kavli Teorik Fizik Enstitüsü’nden Du Plessis ve Bruno Scheihing-Hitschfeld bulgularını şu şekilde rapor ediyorlar: Fiziksel İnceleme Mektupları.

Polenlerden bir yol

1905’te Einstein, bir parçacığın sıvı içindeki hareketini ve bu hareketin sıvının mikroskobik yapısını nasıl ortaya çıkarabileceğini açıklayan bir teori geliştirdi. Teorisi botanikçi Robert Brown’dan ilham aldı. 1827’de Brown şaşırtıcı bir olguyu gözlemledi: Polen tanecikleri, görünüşte durgun suda asılı kaldıklarında rastgele titreşiyor ve girdap gibi görünüyorlardı. Sıvıdaki parçacıkların bu tuhaf titremesine daha sonra “Brown hareketi” adı verildi.

Einstein’ın 1905 teorisi Brown hareketinin sıvı içindeki görünmez, mikroskobik kuvvetlerin bir ürünü olduğunu gösterdi. Bir parçacığın hareketi, akışkanın onu yavaşlatmak için parçacığa uyguladığı sürükleme kuvveti ile parçacığın hareket etmesini sağlayan akışkan içindeki rastgele vuruşlar arasındaki dengedir. Einstein, bu rastgele vuruşların, sıvının içindeki, sıvıyı oluşturan atomlar ve moleküllerden başkası tarafından uygulanmayan mikroskobik kuvvetlerden gelmesi gerektiğini savundu. Bu mikroskobik parçacıkların enerjisi, daha büyük parçacıkları tekmelemek ve itmek için toplanabilir.

Teorisini ilk yayınladığından beri bilim insanları, kuark-gluon plazması da dahil olmak üzere bir dizi akışkanı karakterize etmek için Einstein’ın Brown hareketi açıklamasını uyguladılar. Diğer sıvıların çoğunda olduğu gibi, kuark-gluon plazmasında hareket eden bir parçacığın, suda hareket eden bir polen tanesine benzer bir mikroskobik vuruş dengesine sahip olması gerektiği varsayılmıştı.

Bu denge, bir parçacığın orta şiddette tekmeler (zilin en yüksek noktası) deneyimleme olasılığının yüksek olduğu ve parçacık hareket edip sonunda bir sıvıya yerleştikçe en aşırı tekmeler (zilin kuyruk uçları) deneyimleme olasılığının eşit derecede düşük olduğu çan şeklindeki bir olasılık dağılımı ile temsil edilir.

Du Plessis şöyle açıklıyor: “Einstein, bir parçacığın eninde sonunda çevresi ile aynı sıcaklığa ulaşması için sürükleme ve rastgele vuruşların doğru şekilde dengelenmesi gerektiğini gösterdi.” “Düşündüğü sıvı türleri için haklıydı. Ancak göreceli hızlarda hareket eden parçacıklar için bu ilişki bozuluyor. Ve 20 yıldır bir şeyin eksik olduğunu biliyorduk. Bu yüzden Einstein’ın yaptığı işin ötesine geçmeliyiz.”

Tekme hızı

Yeni çalışmalarında Du Plessis ve Scheihing-Hitschfeld, ağır bir kuarkın, ışık hızına yakın, göreli hızlarda bir sıvının içinde uçması durumunda karşılaşacağı kuvvetleri hesapladı. Bunu, kuarkları ve gluonları bir araya getiren temel kuvvet olan güçlü nükleer kuvvetin hesaplamalarını yaparak yaptılar.

Ekip, göreli bir ağır kuarkın, zayıf etkileşime giren kuarklar ve gluonlardan oluşan bir gazın içinde uçtuğu senaryosuyla başladı. Zayıf etkileşimler bunu hesaplamaları için yönetilebilir bir başlangıç ​​noktası haline getirdi.

Bu başlangıç ​​senaryosu için, ağır kuarkın güçlü nükleer kuvvetini ve kuark ve gluon gazı içerisinde hareket ettikçe momentumunun ne kadar değişebileceğini hesapladılar. Bu hesaplama, kuarkın momentum değişikliklerinin bir eğrisini veya olasılık dağılımını üretti. Aynı eğri, kuarkın çeşitli kuvvetlerle vurulma olasılığını da temsil edebilir; Daha güçlü vuruşlar kuarkın momentumunda daha büyük değişikliklere neden olur.

Araştırmacıların hesapladığı eğri, Einstein’ın diğer sıvılarda bulduğuna benzer şekilde, yalnızca küçük vuruşlar için çan şeklindeydi. Ve Einstein’ın çan şeklindeki eğrisinden farklı olarak ekibin bulduğu şey, göreli hızlarda hareket eden ağır kuarkların eğimini gösterdi. Eğrinin her iki ucundaki kuyruklar düzensizdi ve ağır bir kuarkın deneyimleyeceği vuruş türlerinde şaşırtıcı bir dengesizliği ortaya çıkardı.

Du Plessis, “Her zamanki Brown tablosu, büyük vuruşların son derece nadir hale geldiğini varsayıyor” diyor. “Ancak, ağır kuarklar için bu nadir vuruşlar, çan eğrisinin öngördüğünden daha yaygındır ve zıt yönlerde eşit derecede olası değildir: Kuarkı sürüklenmeden beklenenden daha fazla yavaşlatan büyük bir tekme, onun beklenenden daha hızlı hareket etmesine neden olan eşit derecede büyük bir vuruştan daha olasıdır.”

Ekip aynı hesaplamayı farklı parçacıklardan oluşan plazmalarda da gerçekleştirdi. Plazmanın yapısından bağımsız olarak aynı eğimli eğrinin geçerli olduğunu buldular. Dahası, mikroskobik fizikteki farklılıklara rağmen aynı yapının, güçlü bir şekilde eşleşmiş plazmada daha önceki bir hesaplamada zaten saklandığını buldular.

Du Plessis, “Bu, görünüşte evrensel olan yapının ilk kez hayata geçirildiği ve gerçekten resmileştirildiği seferdir” diyor. “Bu, ağır kuarklar kullanılarak kuark-gluon plazmasının nasıl daha iyi anlaşılabileceğine dair somut bir yol sunuyor.”

Bunun evrenin ilk akışkanı için ne anlama geldiği konusunda Du Plessis, ilksel kuark-gluon plazmasının muhtemelen “bu Brownian hareket modelleme yönteminin önerdiğinden daha güçlü bir şekilde etkileşime girdiğini. Daha çok bir sıvıya, daha az bir gaza benzer” diyor.