En Ağır Antimadde Bulundu: Atom Çarpıştırıcısı Yeni Bir Rekora İmza Attı
Altı milyar parçacık parçalanmasını inceleyen bilim insanları, bugüne kadar keşfedilen en ağır antimadde çekirdeği olan yaklaşık 16 “antihiperhidrojen-4” parçacığı tespit etti.
RHIC’de bir antiproton, iki antinötron ve bir antihiperon içeren, şimdiye kadarki en ağır antimadde çekirdeğinin çığır açan keşfi yapıldı. Bu araştırma, maddenin evrene neden hâkim olduğunu anlamaya yardımcı olurken, antimaddenin temel özelliklerini doğrulayarak parçacık bozunma oranlarında maddeye kıyasla önemli bir fark olmadığını ortaya koyuyor.
Yeni Bir Antimadde Çekirdeğinin Keşfi
Evrenin ilk zamanlarındaki koşulları yeniden yaratan bir “atom parçalayıcı” olan Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı’nda (RHIC) atom çekirdeklerinin altı milyar çarpışmasından akan parçacıkların izlerini inceleyen bilim insanları, şimdiye kadar tespit edilen en ağır yeni bir tür antimadde çekirdeği keşfettiler. Bir antiproton, iki antinötron ve bir antihiperon olmak üzere dört antimadde parçacığından oluşan bu egzotik antimadde çekirdeği antihiperhidrojen-4 olarak biliniyor.
RHIC’in STAR İşbirliği üyeleri, çarpışma enkazının ayrıntılarını analiz etmek için ev büyüklüğündeki parçacık dedektörlerini kullanarak keşif yaptılar. Sonuçlarını bugün (21 Ağustos) Nature dergisinde yayınladılar ve bu egzotik antiparçacıkları madde ve antimadde arasındaki farkları aramak için nasıl kullandıklarını açıkladılar.
STAR dedektörünün kompozit görüntüsü ve Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı’nda (RHIC) altın-altın çarpışmasından çıkan parçacık izlerinin bir örneği. Kredi: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı
Madde-Antimadde Asimetrisini Anlamak
Çin’deki Lanzhou Üniversitesi ve Modern Fizik Enstitüsü Nükleer Fizik Ortak Bölümü’nde yüksek lisans öğrencisi olan STAR işbirlikçisi Junlin Wu, “Madde ve antimadde hakkındaki fizik bilgimiz, zıt elektrik yüklerine sahip olmak dışında, antimaddenin madde ile aynı özelliklere sahip olduğudur – aynı kütle, bozunmadan önce aynı yaşam süresi ve aynı etkileşimler” dedi. Ancak gerçek şu ki, yaklaşık 14 milyar yıl önce Büyük Patlama sırasında her ikisinin de eşit miktarda yaratıldığına inanılmasına rağmen, evrenimiz antimaddeden ziyade maddeden oluşuyor.
Wu, “Evrenimizin neden madde ağırlıklı olduğu hala bir soru ve tam cevabını bilmiyoruz” dedi.
DOE’nin Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda nükleer fizik araştırmaları için ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan RHIC, antimaddeyi incelemek için iyi bir yerdir. Ağır iyonların çarpışmaları – elektronlarından arındırılmış ve ışık hızına yakın hızlandırılmış atom çekirdekleri – iyonların bireysel proton ve nötronlarının sınırlarını eritir. Ortaya çıkan serbest kuark ve gluon çorbasında biriken enerji, görünür maddenin en temel yapı taşları, binlerce yeni parçacık üretir. Evrenin ilk zamanlarında olduğu gibi, RHIC de madde ve antimaddeyi neredeyse eşit miktarlarda üretir. Bu parçacık parçalanmalarında üretilen madde ve antimadde parçacıklarının özelliklerinin karşılaştırılması, günümüz dünyasında maddenin varlığını desteklemek için dengeyi bozan bazı asimetri hakkında ipuçları sunabilir.
Ağır Antimadde Tespiti
Wu’nun IMP’deki danışmanı STAR fizikçisi Hao Qiu, “Madde-antimadde asimetrisini incelemek için ilk adım yeni antimadde parçacıkları keşfetmektir” dedi. “Bu çalışmanın arkasındaki temel mantık budur.”
STAR fizikçileri daha önce RHIC çarpışmalarında yaratılan antimaddeden oluşan çekirdekleri gözlemlemişlerdi. 2010 yılında antihipertriton tespit ettiler. Bu, sıradan proton ve nötronları oluşturan daha hafif “yukarı” ve “aşağı” kuarklar yerine en az bir “garip” kuark içeren bir parçacık olan hiperon içeren bir antimadde çekirdeğinin ilk örneğiydi. Sadece bir yıl sonra STAR fizikçileri helyum çekirdeğinin antimadde eşdeğeri olan antihelyum-4’ü tespit ederek bu ağır antimadde rekorunu alt üst etti.
Daha yeni bir analiz, antihiperhidrojen-4’ün de ulaşılabilir olabileceğini öne sürdü. Ancak antihelyumdaki protonlardan birinin yerine bir antihiperon (özellikle bir antilambda parçacığı) eklenmesinin ağır sıklet rekortmenini bir kez daha geride bırakacağı bu kararsız antihiper çekirdeği tespit etmek nadir bir olay olacaktır. Bunun için dört bileşenin de (bir antiproton, iki antinötron ve bir antilambda) RHIC çarpışmalarında oluşan kuark-gluon çorbasından doğru yerde, aynı yöne doğru ve doğru zamanda geçici olarak bağlı bir halde bir araya gelmeleri gerekir.
STAR İşbirliği’nin iki eş sözcüsünden biri olan Brookhaven Laboratuvarı fizikçisi Lijuan Ruan, “Bu dört kurucu parçacığın RHIC çarpışmalarından birbirine yeterince yakın bir şekilde çıkması ve bu antihipernükleusu oluşturmak için birleşebilmeleri sadece şans eseri” dedi.
“Pi” Yığınındaki İğne
Antihiperhidrojen-4’ü bulmak için STAR fizikçileri bu kararsız antihipernükleusun bozunduğu parçacıkların izlerine baktılar. Bu bozunma ürünlerinden biri daha önce tespit edilen antihelyum-4 çekirdeğidir; diğeri ise pion (pi+) adı verilen basit bir pozitif yüklü parçacıktır.
Wu, “Antihelyum-4 zaten STAR’da keşfedildiği için, bu olayları almak için daha önce kullanılan yöntemin aynısını kullandık ve daha sonra bu parçacıkları bulmak için pi+ izleriyle yeniden yapılandırdık” dedi.
Yeniden yapılandırmakla, antihelyum-4 ve pi+ parçacıklarının yörüngelerini tek bir noktadan çıkıp çıkmadıklarını görmek için tekrar izlemekten bahsediyor. Ancak RHIC çarpışmaları çok sayıda pion üretir. Ve nadir antihipernükleusları bulmak için bilim insanları milyarlarca çarpışma olayını elemek zorundaydı! Bir çarpışmadan çıkan her antihelyum-4, yüzlerce hatta 1.000 pi+ parçacıkla eşleştirilebilirdi.
“Anahtar nokta, iki parçacık izinin belirli özelliklere sahip bir kesişme noktasına veya bozunma tepe noktasına sahip olanları bulmaktı,” dedi Ruan. Yani, bozunma tepe noktası, iki parçacığın başlangıçta ateş topunda üretilen parçacıklardan çarpışmadan hemen sonra oluşan bir antihipernükleusun bozunmasından kaynaklanabileceği kadar çarpışma noktasından uzak olmalıdır.
STAR ekibi, diğer tüm olası bozunma çifti ortaklarının geçmişini elemek için çok çalıştı. Sonunda, analizleri tahmini arka plan sayısı 6,4 olan 22 aday olay ortaya çıkardı.
“Bu, antihiperhidrojen-4’ten gelen bozunmalara benzeyen yaklaşık altı tanesinin sadece rastgele gürültü olabileceği anlamına geliyor,” diyor Kent State Üniversitesi’nde doktora öğrencisi olan ve görevi tüm bu olayları elemek ve sinyalleri seçmek için kullanılan bilgisayar kodunun düzgün bir şekilde yazıldığından emin olmak olan Emilie Duckworth.
Bu arka planı 22’den çıkarmak, fizikçilere yaklaşık 16 gerçek antihiperhidrojen-4 çekirdeği tespit ettikleri konusunda güven veriyor.
Madde-Antimadde Karşılaştırması
Sonuç, STAR ekibinin doğrudan madde-antimadde karşılaştırmaları yapması için yeterince önemliydi.
Antihiperhidrojen-4’ün ömrünü, aynı yapı taşlarının sıradan madde çeşitlerinden oluşan hiperhidrojen-4’ün ömrüyle karşılaştırdılar. Ayrıca, başka bir madde-antimadde çifti olan antihipertriton ve hipertritonun ömürlerini de karşılaştırdılar.
İkisi de önemli bir fark göstermedi ve bu bilim insanlarını şaşırtmadı.
Açıkladıklarına göre, deneyhttps://scitechdaily.com/atom-smasher-shatters-records-with-heaviest-antimatter-discovery/ler özellikle güçlü bir simetri biçiminin testiydi. Fizikçiler genellikle bu simetrinin ihlalinin son derece nadir olacağı ve evrendeki madde-antimadde dengesizliğinin cevabını içermeyeceği konusunda hemfikir.
Duckworth, “Bu [özel] simetrinin ihlalini görseydhttps://scitechdaily.com/atom-smasher-shatters-records-with-heaviest-antimatter-discovery/ik, temelde fizik hakkında bildiğimiz birçok şeyi pencereden dışarı atmak zorunda kalırdık,” dedi.
Yani bu durumda, simetrinin hala işe yaraması bir nevi rahatlatıcıydı. Ekip, sonuçların fizikçilerin modellerinin doğru olduğunu ve “antimadde üzerine deneysel araştırmalarda büyük bir adım” olduğunu daha da doğruladığını kabul etti.
Bir sonraki adım, 2022 yılında DOE Bilim Ofisi Lisansüstü Öğrenci Araştırma programından fon almak üzere seçilen Duckworth’un sürdürdüğü parçacıklar ve antiparçacıklar arasındaki kütle farkını ölçmek olacak.
Kaynak: https://scitechdaily.com
Antimadde Yıldızlararası Seyahatin Radikal Yeni Geleceğinin Kilidini Açabilir