Bilim İnsanları Evrenin Ateşli Doğuşunu Laboratuvarda Yeniden Oluşturdu
Rice Üniversitesi araştırmacıları, Büyük Patlama’dan hemen sonra oluşan ilkel bir madde olan kuark-gluon plazmasından gelen ısıyı ölçerek Evren’in sıcaklığını ölçtüler.
Yüksek enerjili parçacık çarpışmalarını kullanarak, bu plazmanın zaman içinde nasıl oluştuğunu ve soğuduğunu izlediler. 2 ila 3 trilyon Kelvin arasındaki sıcaklıkları gösteren bulguları, erken evrenin saf enerjiden maddeye nasıl evrimleştiğine dair bugüne kadarki en hassas bakış açısını sunuyor.
İlksel Ateş Topu’nun Ölçülmesi
Rice Üniversitesi fizikçisi Frank Geurts liderliğindeki bir ekip, kuark-gluon plazmasının (QGP) evriminin çeşitli noktalarındaki sıcaklığını ölçerek çığır açan bir başarıya imza attı. Bu egzotik madde formunun, evrenin başlangıcını ve genişlemesini işaret eden Büyük Patlama‘dan saniyenin yalnızca milyonda biri kadar sonra evreni doldurduğu düşünülüyor. 14 Ekim’de Nature Communications’da yayınlanan araştırma, erken evrenin aşırı sıcaklık ve yoğunluk altında nasıl davrandığına ışık tutuyor.
Bilim insanları, onlarca yıldır hiçbir cihazın doğrudan hayatta kalamayacağı kadar aşırı ortamlarda sıcaklıkları ölçmenin güvenilir yollarını arıyorlardı. Geurts ve meslektaşları, New York’taki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı’nda (RHIC) yüksek hızlı ağır iyon çarpışmaları sırasında oluşan termal elektron-pozitron çiftlerini inceleyerek bu sorunu çözdüler. Bu emisyonlar, plazmanın oluşumu ve soğurken iç sıcaklığını ortaya çıkardı.
Daha önceki sıcaklık ölçüm girişimleri genellikle belirsizdi ve QGP fazını yansıtıp yansıtmadıkları veya plazmanın hızlı hareketinin neden olduğu Doppler benzeri etkilerden etkilenip etkilenmedikleri gibi faktörlerden etkileniyorlardı.
Fizik ve astronomi profesörü ve RHIC STAR iş birliğinin eş sözcüsü Geurts, “Ölçümlerimiz QGP’nin termal parmak izini ortaya çıkarıyor,” dedi. “Delepton emisyonlarını takip etmek, plazmanın ne kadar sıcak olduğunu ve ne zaman soğumaya başladığını belirlememizi sağlayarak, evrenin başlangıcından sadece mikrosaniyeler sonra koşulların doğrudan bir görünümünü sağladı.”
Nükleer Maddeye Yeni Bir Termal Pencere
Kuark-gluon plazması, proton ve nötronların yapı taşları olan kuark ve gluonların parçacıkların içinde bağlı kalmak yerine serbestçe var olduğu benzersiz bir durumdur. Özellikleri büyük ölçüde sıcaklığa bağlıdır, ancak önceki yaklaşımlar, plazmanın şiddetli genişlemesinin müdahalesi olmadan içini incelemek için gereken çözünürlük ve hassasiyetten yoksundu. QGP trilyonlarca Kelvin sıcaklıklara ulaşabildiğinden, araştırmacıların doğru ve gerçek zamanlı ölçümler alabilen invaziv olmayan bir yönteme ihtiyacı vardı.
Geurts, “QGP’nin ömrü boyunca üretilen termal lepton çiftleri veya elektron-pozitron emisyonları ideal adaylar olarak ortaya çıktı,” dedi. “Plazmayla etkileşime girebilen kuarkların aksine, bu leptonlar büyük ölçüde zarar görmeden plazmadan geçer ve çevreleri hakkında bozulmamış bilgiler taşırlar.”
Sayısız parçacık arasında bu zayıf sinyalleri tespit etmek olağanüstü bir hassasiyet ve titiz veri kalibrasyonu gerektiriyordu.
RHIC’de Deneysel Atılım
Bunu mümkün kılmak için ekip, RHIC’nin algılama sistemlerini geliştirerek, arka plan gürültüsünü filtrelerken düşük momentumlu lepton çiftlerini tespit edecek şekilde ince ayar yaptı. Daha sonra, bu çiftlerin enerji dağılımının plazmanın sıcaklığını doğrudan yansıtabileceği fikrini test ettiler. Teorik tartışmalarda “delici termometre” olarak bilinen bu yöntem, plazmanın ömrü boyunca toplanan emisyon verilerini birleştirerek ortalama bir sıcaklık profili oluşturur.
Sınırlı istatistiksel veriler ve karmaşık arka plan girişimlerinin getirdiği zorluklara rağmen araştırmacılar, bugüne kadar kuark-gluon plazmasının en doğru termal ölçümlerinden birini elde etmeyi başardılar.
Kuark-Gluon Sıcaklık Profilinin Haritalanması
Çalışma, dielektron çiftlerinin kütle aralığına bağlı olarak iki farklı ortalama sıcaklık ortaya koydu: teorik modellerle tahmin edilen ve hadronik problardan elde edilen donma sıcaklıklarıyla tutarlı olan düşük kütle bölgesinde yaklaşık 2,01 trilyon Kelvin’lik daha düşük bir sıcaklık ve daha yüksek çift kütle bölgesinde yaklaşık 3,25 trilyon Kelvin’lik önemli ölçüde daha yüksek bir sıcaklık.
Bu fark, bu dielektronları oluşturan düşük kütle aralığından gelen termal radyasyonun, faz geçişine yakın bir zamanda ağırlıklı olarak yayıldığını göstermektedir. Buna karşılık, daha yüksek kütle aralığından gelenler, QGP’nin evriminin daha erken ve daha sıcak aşamasından kaynaklanmaktadır.
Geurts, “Bu çalışma, QGP’nin termodinamik özelliklerinin haritalanmasında önemli bir ilerleme kaydederek, iki farklı evrim aşamasındaki ortalama QGP sıcaklıklarını ve birden fazla baryonik kimyasal potansiyeli bildirmektedir,” dedi.
Erken Evren İçin Sonuçlar
QGP’nin evriminin farklı noktalarındaki sıcaklığını hassas bir şekilde ölçerek, bilim insanları, temel maddenin büyük patlamadan hemen sonra var olan ve nötron yıldızları gibi kozmik olaylarda mevcut olan koşullara benzer şekilde muazzam ısı ve yoğunluk altında nasıl davrandığını haritalamak için gerekli olan “QCD faz diyagramını” tamamlamak için gereken kritik deneysel verileri elde ediyorlar.
Geurts, “Bu termal haritayla donanmış araştırmacılar, artık QGP’nin yaşam süreleri ve taşıma özellikleri hakkındaki anlayışlarını geliştirebilir ve böylece erken evren anlayışımızı geliştirebilirler,” dedi. “Bu gelişme, bir ölçümden daha fazlasını ifade ediyor; maddenin en uç sınırlarını keşfetmede yeni bir çağın habercisi.”
Kaynak: https://scitechdaily.com
Büyük Patlama’dan Sonra Oluşan İlk Yıldızları Keşfetmiş Olabiliriz