Kuantum renk dinamiğinde faz geçişini anlamak için yeni gözlemler

Maddenin oluşumu: Deneyler evrenin başlangıcı hakkında bilgi veriyor.

Şu an kabul edilen bilimsel tabloya göre, evrendeki maddenin yapıtaşları, varlığının ilk 10 mikrosaniyesinde oluşmuştur. Yaklaşık 13,7 milyar yıl önce gerçekleşen Büyük Patlama’dan sonra, madde esas olarak etkileşimleri  kuantum renk dinamiği (güçlü etkileşim teorisi) ile açıklanan iki temel parçacık türü kuarklar ve gluonlardan  oluşuyordu. Erken evrende, bu parçacıklar bir kuark-gluon plazmasında  neredeyse serbestçe hareket ediyorlardı. Daha sonra, bir faz geçişinde, bu parçacıklar birleşerek  atomik çekirdeklerin yapıtaşları olan protonları ve nötronları da içeren hadronları oluşturdular.

Bilim dergisi Nature’ın güncel sayısında, bu geçişin niteliğine ışık tutan büyük parçacık hızlandırıcılarında yapılan bir dizi deneyin analizi uluslararası bilim insanlarının bulunduğu bir ekip tarafından sunulmaktadır. Bu analiz sonuçlarına göre, geçiş sıcaklığı kesin olarak belirlendi ve maddenin mevcut bileşenleri olan protonlar, nötronlar ve atom çekirdeğinde kuark-gluon plazmasının soğuma ve donma mekanizması için yeni bir açıklama elde edildi. Deney sonuçlarının analizi geçiş sıcaklığının tahmin edilen değerini doğrulamaktadır.

Merkezi bir sonuç: Araştırma merkezi CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısında (LHC) bulunan ALICE detektörü ile dünya çapında en yüksek enerjide yapılan deneyler erken evrenin koşullarına  benzer şekilde, parçacıkların ve antiparçacıkların  çok yüksek doğrulukta eşit miktarlarda birlikte bulunduğu bir madde üretirler. Ekip, deneysel verilerin analiziyle, kuark-gluon plazması ile hadronik madde arasındaki faz geçişinin 156 MeV sıcaklığında gerçekleştiği teorik tahminleri doğrulamaktadır. Bu sıcaklık güneşin iç kısmından 120.000 kat daha yüksektir.

“Cehennemde Kartopu”

Fizikçiler, çok sayıda parçacık ve anti parçacıkların verimini daha kesin olarak analiz ettiler. Yakın zamanda GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung’dan Münster Üniversitesi’ne katılan Prof. Dr. Anton Andronic “Araştırmalarımız bir dizi sürpriz keşif ortaya çıkardı. Bunlardan biri, ışık çekirdeklerinin ve anti-parçacıkların, bağlanma enerjileri geçiş sıcaklığına karşılık gelen enerjiden yaklaşık 100 kat daha küçük olmasına rağmen, proton ve anti-protonlarla aynı sıcaklıkta üretilmesidir” açıklamasını yaptı. Bilim adamları, bu tür “gevşek bağlanmış nesnelerin” yüksek sıcaklıkta, daha sonra sadece gözlemlenen ışık çekirdeklerine ve anti-çekirdeklere dönüşen kompakt çoklu kuark nesneler olarak oluşturulduğunu varsaymaktadır. Çok-kuarklı durumların varlığı uzun zaman önce önerilmişti, ancak ikna edici bir kanıt bulunamamıştı.

“Hapis (Confinement)”: Charm kuarkları (6 çeşit kuarktan biri ) ateş topu içinde serbestçe seyahat etmekte

Dikkat çekici başka bir gözlem, uzun zamandır bilinen ama yeterince anlaşılmamış bir doğal olay ile ilgilidir: Normalde kuarklar protonların ve nötronların iç kısımlarında hapis durumundadır; İzole kuarklar hiç gözlemlenmemiştir. Bu durum bilim adamları tarafından “hapis (confinement)” olarak tanımlanan bir özelliktir. Bir diğer deyişle kuark ve gluonların asla ayrı durumda olmamaları özelliği de denilebilir. Yüksek enerjide nükleer çarpışmalarda oluşan ateş topunun içinde bu hapis kalkmaktadır. Yeni çalışma, bir çift charm ve anti-charm kuarklarından oluşan  J / psi mezonları gibi charmonium durumlarının, ABD’de bulunan Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı’nda yapılan düşük enerjideki gözlemlere kıyasla LHC enerjilerinde çok daha sık üretildiğini göstermektedir. Aslında LHC’deki yüksek enerji yoğunluğundan ötürü  J / psi mezonlarının ayrışma yoluyla azalması beklenir. Tersine, 18 yıl önce, ekip üyelerinin (Prof. Dr. Peter Braun-Munzinger, GSI ve Prof. Dr. Johanna Stachel, Universität Heidelberg) charm kuarkların gluonlardan ayrılmaları (deconfinement) nedeniyle çoğalması öngörülmüştür. Bu öngörünün sonuçları tüm ekip tarafından bir dizi yayında ayrıntılı olarak ele alındı. Şimdi gözlemlenen J / psi parçacıklarının artan üretimi tahmini doğrulamaktadır. Polonya’daki Wroclaw Üniversitesi öğretim üyesi Prof. Dr. Krzysztof Redlich  “Bu gözlemler, hapsedilme olgusunu daha ayrıntılı olarak anlamaya yönelik ilk adımdır.” açıklamasını yaptı.

CERN ve Brookhaven Ulusal Laboratuvarında yapılan deneyler

Veriler, Cenevre yakınlarındaki CERN araştırma merkezinde bulunan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) hızlandırıcısında “ALICE” deneyi çerçevesinde  birkaç yıl süren araştırmalar sırasında  elde edilmiştir. “ALICE” da, 41 ülkeden bilim insanları, Büyük Patlama’dan sonra mikro saniyeler içinde iki kurşun çekirdek arasındaki çarpışmalarda evrenin durumunu araştırdılar. En yüksek insan yapımı enerji yoğunlukları bu tür çarpışmalarda üretilmektedir. Bunlar, erken evrende var olan maddenin (kuarklar ve gluonlar) oluşumuna yol açar. Her kafa kafaya çarpışmada, ALICE deneyinde tespit edilen 30.000’den fazla parçacık (hadron) üretilir. Gerçek araştırmada ayrıca daha düşük enerji hızlandırıcılarında (CERN’deki “Süper Proton Sinkrotron ve New York’taki US-Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki “Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı”) yapılan deneylerden elde edilen veriler de kullanılmıştır.

Bu, Darmstadt’daki GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung ve Heidelberg ve Münster (Almanya) üniversiteleri tarafından yapılan bir basın bültenidir.

Kaynak: sciencedaily.com

Dergi Referansı:

Anton Andronic, Peter Braun-Munzinger, Krzysztof Redlich, Johanna Stachel. Decoding the phase structure of QCD via particle production at high energy. Nature, 2018; 561 (7723): 321 DOI: 10.1038/s41586-018-0491-6