Yeni CERN ölçümü, gluonların atom çekirdeğinde nasıl davrandığına ilişkin geleneksel modellere meydan okuyor

Kansas Üniversitesi’nden bir fizikçi, gluonların atom çekirdeğinde nasıl davrandığına dair iki rakip açıklamanın artık deneysel olarak ayırt edilebileceğini gösteren bir CERN çalışmasında öncü bir rol oynadı.

CERN’in Büyük Hadron Çarpıştırıcısındaki ALICE deneyi kapsamında yürütülen araştırma, Fiziksel İnceleme Mektuplarıhem etkileşim enerjisinin hem de momentum transferinin bir fonksiyonu olarak tutarsız J/ψ (“JAY-sigh” olarak telaffuz edilir) fotonükleer üretiminin ilk çok boyutlu ölçümünü rapor eder. Ölçüm, bilim adamlarına kuarkları birbirine bağlayan parçacıklar olan gluonların atom çekirdeğinde yüksek enerjilerde nasıl düzenlendiğine dair şimdiye kadarki en net görüşü sağlıyor.

KU’da fizik ve astronomi profesörü ve ALICE işbirliğinin üyesi olan nükleer fizikçi Daniel Tapia Takaki, “Kuarklar sıklıkla maddenin temel yapı taşları olarak tanımlansa da, vücudumuzdaki atomlardan yıldızların içindeki maddeye kadar görünür evrenin neredeyse tüm kütlesi aslında gluonların taşıdığı enerjiden ve kuarkları birbirine bağlayan güçlü kuvvetten geliyor” dedi. “Bu nedenle, gluonların çekirdeklerin içinde nasıl davrandığını anlamak, maddenin kendi kütlesini ve yapısını nasıl kazandığını anlamak için çok önemlidir.”

Takaki, KU’nun öğrenci ve araştırmacı değişimini içeren kurumsal bir ortaklığı sürdürdüğü Prag’daki Çek Teknik Üniversitesi’ndeki araştırmacılarla yakın işbirliği yaparak araştırmada öncü bir rol oynadı.

J/ψ’yi prob olarak kullanmak

Ekip, gluonların çekirdek içinde daha önce mümkün olandan daha fazla uzaysal çözünürlükle nasıl dalgalandığını incelemek için tutarsız J/ψ fotonükleer üretimi adı verilen deneysel bir teknik kullandı.

Takaki, “Ölçümler, hızlı hareket eden kurşun çekirdeklerin doğrudan çarpışmadan birbirine yakın geçtiği Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın 2. Koşusu sırasında toplanan veriler kullanılarak gerçekleştirildi.” dedi. “Bu karşılaşmalarda, çekirdeği çevreleyen yoğun elektromanyetik alanlar, yüksek enerjili foton ışınları gibi davranır. Bu fotonlardan biri başka bir çekirdeğe çarptığında, kısa süreliğine J/ψ adı verilen ve üretimi altta yatan gluon yapısına duyarlı bir sonda sağlayan bir parçacık üretebilir.”

Tüm çekirdeğin ortalamasını alan diğer ölçümlerin aksine, tutarsız J/ψ üretimi, gluon yoğunluğundaki yerel dalgalanmalara karşı duyarlıdır ve araştırmacıların protondan daha küçük yapıları incelemesine olanak tanır. Her atom çekirdeğinin içinde bulunan bu yoğun gluon alanları, evrendeki görünür maddenin neredeyse tamamını oluşturur. Ancak kolektif davranışları modern fiziğin en büyük zorluklarından biri olmaya devam ediyor.

Takaki, “Tutarsız üretim kullanan deneylerimiz, bulanık bir görüntüden yüksek çözünürlüklü bir mikroskoba geçiş gibidir” dedi. “Bu süreç, gluonların çekirdek içinde nasıl dalgalandığını ve kendilerini organize ettiğini görmemize olanak tanıyor. Momentum transferini değiştirerek, deneyimiz mikroskobumuzu etkili bir şekilde odak noktasını değiştiriyor. ALICE deneyi, 0,6, 0,3 ve 0,2 femtometre çözünürlüklerde, çekirdeğin içindeki daha küçük bölgeleri aşamalı olarak araştırdı. En iyi çözünürlük, protonun yalnızca yaklaşık dörtte biri büyüklüğündeki yapılara karşılık geliyor.”

Takaki’ye göre, eğer çekirdek bir futbol stadyumu büyüklüğünde olsaydı, ALICE işbirliğinin en yüksek çözünürlüklü ölçümü, oyun sahasındaki yalnızca birkaç metre ötedeki ayrıntıları ayırt etme kapasitesine sahip olacaktı.

“Bu olağanüstü ölçeklerde, gluon doygunluğu olarak bilinen bir olay olan gluonların toplu olarak davranmaya başladıklarına dair kanıtlar gözlemliyoruz” dedi.

Gölgelemeye meydan okuma

Takaki bu yaklaşımın öncüsü olmuştur ve gluonların, bazen “sıcak noktalar” olarak adlandırılan, yüksek yoğunluklu yerel bölgeleri nasıl oluşturduğunu açıklayan teorik modellere katkıda bulunmuştur. Enerjiye bağımlı sıcak nokta modelinde bu bölgeler çarpışma enerjisiyle birlikte gelişiyor ve güçlü etkileşimde yeni fiziğin imzasını atabiliyor.

Yeni çalışmada araştırmacılar, foton çekirdeği enerjilerinin geniş bir aralığında (20’den 633 milyar elektron volta kadar) tutarsız J/ψ üretimini ölçerken, aynı zamanda etkileşimin momentum aktarımıyla nasıl değiştiğini de inceledi; bu da çekirdeğin ne kadar ince incelendiğine karşılık geliyor.

KU araştırmacısı, “Sonuçlar çarpıcı bir modeli ortaya çıkardı” dedi. “Deneyde keşfedilen en küçük uzaysal ölçeklerde, J/ψ parçacıklarının üretim hızı, yaklaşık üç standart sapmalık istatistiksel anlamlılıkla önemli ölçüde baskılanmıştır.”

Bu baskılamanın, daha önceki ölçümleri başarılı bir şekilde açıklayan ve “nükleer gölgeleme” olarak bilinen uzun süredir devam eden bir açıklamaya meydan okuduğunu söyledi.

“Bu çerçevede, bir çekirdeğin içindeki gluonlar, güneş ışığını engelleyen bulut katmanlarına benzer şekilde, kısmen üst üste gelir ve birbirlerini gizler, bu da belirli parçacık üretim süreçlerinin olasılığını azaltır” dedi.

Yeni ölçümler, geleneksel nükleer gölgelemenin tek başına gözlemlenen verileri tam olarak açıklayamayacağını gösteriyor.

Takaki, “Bunun yerine, gözlemler, güçlü kuvveti tanımlayan kuantum renk dinamiği teorisi tarafından tahmin edilen, ‘gluon doygunluğu’ olarak bilinen farklı bir olguyla tutarlıdır.” dedi. “Bu rejimde, gluonlar o kadar yoğun bir şekilde paketleniyor ki birbirleriyle güçlü bir şekilde etkileşime girmeye başlıyorlar, bu da belirli bir bölgede kaç tane var olabileceğini sınırlıyor.”