ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Brookhaven Ulusal Laboratuvarı ve Stony Brook Üniversitesi’ndeki (SBU) fizikçiler, jetler adı verilen kollim spreylerde üretilen parçacıkların, atom altı parçacık parçalanmalarındaki kökenleri hakkında bilgi tuttuğunu göstermiştir. Çalışma yakın zamanda dergide bir editörün önerisi olarak yayınlandı Fiziksel İnceleme Mektupları.
“Kapsamlı araştırmalara rağmen, bir jetin başlangıç koşulları ile son parçacık dağılımı arasındaki bağlantı zor kaldı,” dedi Charles Joseph Naim, SBU’nun Fizik ve Astronomi Bölümü’ndeki Nükleer Bilim Frontiers Merkezi’nde (CFNS) araştırma görevlisi. “Bu çalışma, ilk kez, jet oluşumunun en erken aşamasında ‘dolaşma entropisi’ ile bir jet geliştikçe ortaya çıkan parçacıklar arasında doğrudan bir bağlantı kurar.”
Kanıtlar, Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü Cern’de bulunan 17 millik bir sirumference Dairesel Çarpıştırıcı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda Atlas Deneyi tarafından yakalanan proton-proton çarpışmalarından ortaya çıkan jet parçacıklarının bir analizinden kaynaklanmaktadır. Bu güçlü çarpışmalarda, kuarklar ve gluonlar olarak bilinen çarpışan protonların bireysel yapı taşları, birbirlerini dağın ve bazen muazzam miktarda enerji ile serbest bırakılır. Ancak kuarklar uzun süre özgür kalamaz. Onlar ve normalde onları bir arada tutan gluonlar hemen bölünmeye ve parçalanma adı verilen bir dallanma işlemine yeniden bağlanmaya başlar. Sonuç, çarpışmadan koordineli bir şekilde, yani bir jet olarak püsküren çiftlerden veya çifti veya hadon olarak bilinen kuarklardan yapılmış birçok yeni kompozit parçacığın oluşumudur.
“Hadronların jetteki dağılımının, jetin ilk oluşturduğu o sırada kuarklar ve gluonlar arasındaki dolaşma seviyesinden etkilenip etkilendiğini görmek istedik.” dedi SBU’da seçkin bir profesör olan Abhay Deshpande. Deshpande, Brookhaven Lab’da yapım aşamasında olan yeni bir nükleer fizik araştırma tesisi olan Electron-İyon Çarpıştırıcısı (EIC) Bilim Direktörü olarak ortak bir randevu alıyor ve şu anda Brookhaven Lab’ın Nükleer ve Partiker Fiziği için Geç Laboratuvar Direktörü olarak görev yapıyor.
Analiz, kısmen SBU’da fakülte rolleri ve Brookhaven Lab’da randevuları olan çalışma ortak yazarları Zhoudunming Tu ve Dmitri Kharzeev tarafından yapılan daha önceki araştırmalarla motive edildi. Geçen yıl yayınlanan çalışmaları, protonlar içindeki kuarklar ve gluonlar arasında dolaşma ile proton-proton ve elektron-proton parçalarından ortaya çıkan partiküllerin genel dağılımı arasında bir bağlantı olduğunu ortaya koydu. Bu çalışmada, kuarklar ve gluonlar arasında dolaşma entropisi ne kadar yüksek olursa, entropi o kadar büyük olur veya “dağınıklık,” üretilen parçacıkların dağılımında.
“Bu önceki çalışma, yüksek enerjili proton içindeki kuarklar ve gluonlar arasında maksimum dolaşma olduğunu ortaya koydu,” dedi Tu. “Bu çalışmada, bu yaklaşımı bu kuarkların ve gluonların parçalanmasından oluşan jetlerin üretimine genişletiyoruz. Ayrıca bu parçalanan yüksek enerjili kuarklar ve gluonlar ‘içinde’ maksimum dolaşıklık olacak mı?”
Jet oluşturan kuarklar ve gluonlar arasında böyle bir maksimum dolaşma durumu, jet parçalanma fonksiyonu ile jetten çıkan hadronların entropisi veya bozukluğu arasında bir bağlantı öngörür. Bu entropi, dedektörü zorlayan çok sayıda farklı türde hadron – esas olarak pion, kaon ve protonlar – olarak görülecektir. Tersine, jet parçacıkları arasında yüksek derecede bir bozukluğun gözlemlenmesi ve ilk parçalanma tahminleri ile korelasyonu, parçalanma kuarklarında ve gluonlarındaki bu maksimum dolaşmanın kanıtı olacaktır.
Bilim adamları LHC’nin Proton-Proton çarpışmalarından elde edilen verilere baktıklarında, jet hadronlarının dağılımı, bu tahmini jet oluşumunun en erken aşamasında maksimum dolaşmaya dayalı olarak eşleştirdi.
“Bu yeni çalışma, parçalanma sürecine yeni bir kuantum düzeyinde bakış açısı sunuyor,” dedi Kharzeev.
SBU’da bir araştırma bilimcisi olan çalışma yazarı Jaydeep Datta, ekledi. “Bu çalışma, kuantum dolaşmanın, yaklaşan elektron-iyon çarpıcısı da dahil olmak üzere Hadron Formasyonunu nasıl etkilediğini daha fazla araştırmanın yolunu açıyor.”
EIC, birçok Stony Brook Üniversitesi fakültesi ve öğrencisinin aktif katılımına sahip olacak ve yüksek enerjili çarpışmalarda kuantum dolaştırma etkilerini incelemede eşi görülmemiş bir hassasiyet vaat ediyor. Diğer şeylerin yanı sıra, EIC, elektron-proton çarpışmalarından çıkan jetleri elektron-nükleus çarpışmalarından çıkan jetlerle karşılaştıracaktır. Bu deneyler, kuantum etkilerinin çekirdeklere ne kadar uzandığını araştıracak ve protonlar içindeki mikro kozmumu potansiyel olarak değiştirecektir.
