Fizikçiler Oksijen Çekirdeklerini Çarpıştırarak Evrenin İlk Anlarındaki Maddeyi Yeniden Yarattılar
Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki RHIC çarpıştırıcısında, Shandong Üniversitesi’nden fizikçilerin temel analizleri gerçekleştirdiği STAR işbirliği, orta enerjili hafif oksijen çekirdeklerinin çarpışmalarının bile kuark-gluon plazması ürettiğini gösterdi; bu madde, Büyük Patlamadan sonraki ilk mikrosaniyelerde evreni dolduran maddeydi. Daha önce plazma yalnızca çok daha yüksek enerjili ağır altın çekirdeklerinin çarpışmalarıyla üretiliyordu.
Kuark-gluon plazması, insanlar tarafından üretilen en sıcak maddedir. 2010 yılında, RHIC fizikçileri altın çekirdek çarpışmalarının sıcaklığını yaklaşık 4 trilyon santigrat derece olarak tahmin ettiler; bu, Güneş’in merkezinden 250.000 kat daha sıcaktır. Bu sonuç Guinness Dünya Rekorları Kitabı’na bile girdi. Daha sonra, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı yaklaşık 5,5 trilyon santigrat derece üretti. Dahası, plazmanın bir gaz değil, neredeyse mükemmel bir sıvı olduğu ortaya çıktı.
Kuark-gluon plazması, proton ve nötronların “eridiği”, onları oluşturan kuark ve gluonların ise serbestçe hareket ettiği bir durumdur. Atom çekirdeklerini ışık hızına yakın bir hıza ivmelendirip çarpıştırarak üretilebilir. Bu maddenin bir damlası bir atom çekirdeğinden daha küçüktür ve bir saniyenin milyarda birinin milyarda birinden daha kısa sürer, bu nedenle doğrudan gözlemlenemez. Çarpışma noktasından uzaklaşan parçacıklardan çıkarım yoluyla belirlenir.
Kuark-gluon plazmasının ana özelliği, jet sönümlemesi olarak adlandırılan olaydır. Çarpışmalar, yüksek enerjili parçacıklardan oluşan dar ışınlar üretir. Yoğun bir ortamdan geçerken, tıpkı suya ateşlenen bir mermi gibi enerji kaybederler. Plazma içindeki yol ne kadar uzun olursa, yavaşlama o kadar güçlü olur. Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki (ABD) RHIC çarpıştırıcısında, bu etki uzun zamandır her biri yaklaşık 200 proton ve nötron içeren ağır altın çekirdeklerinin çarpışmalarında gözlemlenmiştir. Ancak şu soru cevapsız kalmıştır: Bir sistemin kuark-gluon plazmasının ortaya çıkması için ne kadar küçük olması gerekir? Fizikçiler bu soruyu cevaplamaya yönelik önemli bir adım attılar. Çalışma, Physical Review Letters dergisinde yayınlandı .
Önden çarpma
Oksijen çekirdeği yalnızca 16 parçacıktan oluşur ve neredeyse küreseldir, bu da analizi kolaylaştırır. Fizikçiler, 2021 yılında STAR dedektörü tarafından kaydedilen yaklaşık 500 milyon oksijen çarpışmasını incelediler. En fazla sayıda parçacığın üretildiği ve kuark-gluon plazmasının oluşma olasılığının en yüksek olduğu kafa kafaya çarpışmaları, plazma oluşumunun olası olmadığı teğetsel çarpışmalarla karşılaştırdılar.
Shandong Üniversitesi’nde araştırmayı yürüten ortak yazar Sijie Zhang, “Ölçümlerimiz esasen sayma işlemidir,” diye açıklıyor . “Program, yüksek enerjili parçacıkların dar ışınlarını buluyor ve biz de bunlardan kaçının belirli bir eşik değerinin üzerindeki enerjilerle yayıldığını sayıyoruz.”
Kafa kafaya çarpışmalarda, eşik değerin üzerindeki enerjilere sahip parçacıklar, altın durumuna kıyasla yaklaşık %20 daha küçüktü; ancak bu beklenen bir durum: oksijen çekirdeklerinin çarpışması sırasında oluşan plazma damlacığı çok daha küçüktür. Benzer bir etki yakın zamanda Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda da gözlemlendi, ancak oradaki çarpışma enerjisi neredeyse 30 kat daha yüksekti. Bu yeni sonuç, “ilkel” maddenin ortaya çıkma koşulları için bir alt sınır belirliyor.
Alt sınırı bilmek önemlidir çünkü fizikçiler, tek tek protonların çarpışmalarında bile plazma benzeri koordineli parçacık hareketini gözlemlemişlerdir. Burada gerçek plazmanın üretilip üretilmediği veya başka bir mekanizmanın aynı izleri bırakıp bırakmadığı belirsizdir. Plazmanın nerede ortaya çıkıp kaybolduğunu bilmek, kuarkları serbest bırakmak için gereken enerji yoğunluğunu anlamamızı ve erken evrenin bildiğimiz maddeye nasıl dönüştüğünü daha doğru bir şekilde yeniden yapılandırmamızı sağlar.
Derleyen: Feyza ÇETİNKOL
Kaynak: Fizikçiler Oksijen Çekirdeklerini Çarpıştırarak Evrenin İlk Anlarındaki Maddeyi Yeniden Yarattılar