Fizikçiler İlk Kez Protonun İçindeki Gizemli Dünyayı Tanımladılar
Fizikçilerden oluşan uluslararası bir ekip ilk kez maddenin “ebedi” parçacığı olan protonun içinde meydana gelen etkileşimleri açıklayan bir teori oluşturdu.
Proton temel bir parçacık değildir (örneğin elektron gibi). Gluonlar, yani kuarklar arasındaki güçlü renk etkileşimlerinden sorumlu parçacıklar tarafından “yapıştırılmış” üç kuarktan (iki üst ve bir alt) oluşur.
Bu etkileşimler o kadar güçlüdür ki protonun içinde sanal kuark ve antikuark çiftleri ile sanal gluon çiftleri sürekli olarak belirip kaybolur. İçeride her şey kaynıyor ama biz göremiyoruz.
Protonun iç kısımları fiziğin en dinamik ama bir o kadar da anlaşılması zor alanlarından biridir. Bu küçük parçacığın içinde kuarklar ve gluonlar sürekli değişen bir sanal parçacıklar denizinde etkileşime girerler.
Şimdi, kuantum bilgi teorisi ve kuantum dolanıklık kavramını kullanan bilim insanları, bu etkileşimleri tanımlamak için yeni bir şema geliştirdiler.
Bu yaklaşım ilk kez, elektron ve protonların derin elastik olmayan çarpışmalarından kaynaklanan parçacıkların saçılmasını içeren mevcut tüm deneylerden elde edilen verileri başarıyla açıklıyor.
Profesör Krzysztof Kutak “Protonun içinde meydana gelen olaylar hakkında bilgi edinmek istiyorsak, önce oraya bir şekilde ulaşmamız gerekir. Şu anda protonlar ve elektronlar arasındaki çarpışmalar bunu yapmanın en iyi yoludur, çünkü protonlar sadece boyut olarak protonlardan çok daha küçük olmakla kalmaz, aynı zamanda her şeyden önce temel parçacıklardır, bu nedenle kendilerinin başka bir şeye bozunmayacağının garantisine sahibiz” diyor.
Kuarklar ve gluonlar denizinde
Yeni çalışmanın temel varsayımlarından biri, protonun son derece küçük boyutuna rağmen, onu oluşturan ve topluca parton olarak adlandırılan kuark ve gluonların kuantum dolaşıklığı olduğudur.
Kuantum nesneleri arasındaki dolanıklıktan, bir nesnenin özelliklerinin değerleri, değişimle ilgili bilginin uzayda seyahat eden herhangi bir ortam tarafından aralarında iletilecek zamana sahip olmamasına rağmen, başka bir nesnede değişikliklerine yanıt verdiğinde söz ederiz.
Profesör Martin Hentschinski “Protonun iç organları söz konusu olduğunda, dolanıklık bir metrenin katrilyonda biri ya da daha azı gibi hayal edilmesi zor mesafelerde meydana gelir ve kolektif bir özelliktir. Daha önceki yayınlarımızda da gösterdiğimiz gibi, bu durum proton içindeki sadece birkaç partonu değil, tüm partonları etkiliyor” diyor.
Yüksek enerjili çarpışmaların rolü
Protonun maksimum dolaşık iç yapısını keşfetmek amacıyla bir elektron ona çarptığında, iki parçacık arasında taşıyıcısı bir foton olan elektromanyetik bir etkileşim meydana gelir.
Derin elastik olmayan çarpışmalarda, bu fotonun enerjisi o kadar yüksektir ki, ilişkili elektromanyetik dalga protonun içine “sığar” ve iç yapısının ayrıntılarını “görmemizi” sağlar.
Fotonla etkileşim sonucunda proton parçalanarak birçok ikincil parçacık oluşturabilir. Dolanıklık, protonun foton tarafından “tespit edilen” kısmından yayılan ikincil parçacıkların sayısının, gözlemlenebilir hadronlar olarak üretilecek parçacıkların sayısını belirleyeceği gerçeğinde kendini gösterecektir.
Profesör Dmitry Kharzeyev “Çok karmaşık sistemlerin ve kuantum bilgisinin incelenmesinde özellikle önemli olan entropi kavramına bu şekilde ulaşıyoruz. Eğer derin esnek olmayan çarpışmalar sayesinde bir protonun içindeki dolaşıklık hakkında tam bilgiye erişebilseydik, dolaşıklık entropisinin sıfır olduğundan bahsedebilirdik. Ancak, protonun içine giren bir foton protonun içinin yalnızca bir kısmını “görür”, geri kalanı ona gizli kalır – ve bu da dolaşıklık entropisinin sıfır olmadığı anlamına gelir. Böylece, protonun dolaşıklık miktarını ölçmek için uygun bir ölçüye sahip olduk,” diye açıklıyor.
Deneysel doğrulama ve veri analizi
Yeni çalışmada fizikçiler, dolaşıklık entropisi temelinde elektron-proton çarpışmalarında oluşan hadronların entropisini tahmin edebileceklerini kanıtladılar.
Sonuç olarak, bir protonda kuark ve gluonların maksimum dolaşıklığı, belirli bir çarpışmada kaç parçacığın üretileceğini belirleyememe şeklinde kendini göstermektedir.
Bu tahminler 2006-2007 yıllarında Hamburg’daki DESY merkezindeki HERA parçacık hızlandırıcısında gerçekleştirilen ve tek protonların elektronların karşıt parçacıkları olan pozitronlarla çarpıştırıldığı H1 deneyinde yapılan ölçümlerin tüm varyantları için doğrulanmıştır.
Proton
“Bugün, dolaşıklık entropisini hesaba katan yeni formalizmimizin, nükleer olayları ölçmenin belirli bir yolu ile ilişkili olmadığına, ancak gözlemlenen olayların doğasını açıklamak için gerçek bir yeteneğe sahip olduğuna dair güçlü kanıtlarımız var. Dolaşıklık entropisini inceleyerek, güçlü etkileşimlerin protonlardaki kuarkları ve gluonları nasıl bağladığını daha iyi anlayabileceğimize ya da daha büyük bir atom çekirdeğine ait olmanın tek bir protonun özelliklerini nasıl etkilediği sorusunu yanıtlayabileceğimize inanıyoruz.”
Derleyen: Feyza ÇETİNKOL
Kaynak: Fizikçiler İlk Kez Protonun İçindeki Gizemli Dünyayı Tanımladılar