Oksijen Atomlarıyla Evrenin İlk Anları Yeniden Yaratıldı mı? Küçük Çarpışmalar Büyük Patlama’nın Gizemini Açığa Çıkarabilir
Saniyenin Milyarda Birinin Milyarda Birinden Kısa Süren Bir Madde Evreni Nasıl Açıklayabilir?
Evren, Büyük Patlama’nın hemen ardından nasıl bir yerdi? Madde, bugün bildiğimiz atomlara, yıldızlara ve gezegenlere dönüşmeden önce hangi koşullarda varlığını sürdürüyordu? Bilim insanları, bu soruların yanıtlarını bulabilmek için evrenin ilk anlarında hüküm süren aşırı sıcaklıkları ve yoğunlukları laboratuvar ortamında yeniden oluşturmaya çalışıyor.
Şimdi ise ABD’deki Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı’nda gerçekleştirilen yeni bir deney, bu arayışta dikkat çekici bir kapı araladı.
STAR deneyinden elde edilen bulgular, oksijen çekirdeklerinin çarpıştırılmasının son derece kısa bir süre için kuark-gluon plazması olarak bilinen olağanüstü bir madde hâli oluşturabileceğine dair güçlü kanıtlar sundu. Bu madde hâlinin, Büyük Patlama’dan sonraki ilk anlarda evreni doldurduğu düşünülüyor.
Daha da çarpıcı olan ise şu: Bilim insanları, bu ilkel maddeyi oluşturmak için her zaman devasa atom çekirdeklerine ihtiyaç duyulmayabileceğini fark ediyor.
Peki, yalnızca birkaç proton ve nötrondan oluşan oksijen çekirdekleri, gerçekten de evrenin ilk anlarına açılan bir pencere yaratabilir mi?
Kuark-Gluon Plazması Nedir ve Büyük Patlama’nın İlk Anlarında Nasıl Ortaya Çıktı?
Bugün çevremizde gördüğümüz maddenin büyük bölümü atomlardan oluşur. Atomların merkezinde protonlar ve nötronlar bulunur. Ancak protonlar ve nötronlar da temel parçacıklar değildir.
Onların içinde kuarklar bulunur.
Kuarkları bir arada tutan temel parçacıklar ise gluonlar olarak adlandırılır. Normal koşullarda kuarklar ve gluonlar serbestçe dolaşamaz. Güçlü nükleer kuvvet, onları proton ve nötron gibi parçacıkların içinde hapseder.
Fakat evrenin ilk anlarında koşullar tamamen farklıydı.
Sıcaklık inanılmaz derecede yüksekti. Madde ise son derece yoğun bir durumdaydı. Bu olağanüstü ortamda protonlar ve nötronlar henüz bugünkü biçimleriyle ortaya çıkmamıştı. Bunun yerine kuarklar ve gluonlar, sıcak ve yoğun bir parçacık çorbası içinde daha serbest biçimde hareket ediyordu.
Bilim insanları bu egzotik madde hâline kuark-gluon plazması adını veriyor.
Evren genişleyip soğudukça bu ilkel çorba da değişti. Kuarklar ve gluonlar birleşerek protonları, nötronları ve daha sonra atomları oluşturmaya başladı. Sonunda yıldızlar, galaksiler ve gezegenler ortaya çıktı.
Ancak burada büyük bir soru ortaya çıkıyor: Evrenin ilk anlarında var olan bu maddeyi bugün yeniden incelemek mümkün mü?
Bilim insanları, güçlü parçacık hızlandırıcıları sayesinde bu soruya giderek daha güçlü bir şekilde “evet” yanıtını veriyor.
Oksijen Çekirdeği Çarpışmaları Kuark-Gluon Plazmasını Oluşturabilir mi?
Bilim insanları uzun yıllar boyunca Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı’nda, yani RHIC’te, çoğunlukla altın gibi çok daha büyük atom çekirdeklerini çarpıştırdı.
Altın çekirdeği yetmiş dokuz proton ve yaklaşık yüz on sekiz nötron içerir. Bu nedenle iki altın çekirdeği ışık hızına yakın hızlarda çarpıştığında, ortaya olağanüstü sıcak ve yoğun bir ortam çıkabilir.
Bu tür ağır iyon çarpışmaları, kuark-gluon plazmasının laboratuvar ortamında üretildiğine dair güçlü kanıtlar sağlamıştı.
Ancak bilim insanları zamanla daha temel bir soruya yöneldi:
Bir kuark-gluon plazması oluşturmak için çarpışan atom çekirdeklerinin ne kadar büyük olması gerekir?
Bu sorunun yanıtı, araştırmacıları daha küçük sistemlere götürdü.
Oksijen, bu araştırma için oldukça ilginç bir fırsat sundu. Bir oksijen çekirdeğinde yalnızca sekiz proton ve sekiz nötron bulunur. Başka bir deyişle, oksijen çekirdeği altına kıyasla çok daha küçük bir parçacık sistemidir.
Eğer bu kadar küçük çekirdeklerin çarpışması da kuark-gluon plazmasının izlerini oluşturabiliyorsa, bilim insanlarının maddenin aşırı koşullar altında nasıl davrandığına ilişkin anlayışı önemli ölçüde genişleyebilir.
Belki de asıl soru, plazmanın oluşup oluşmadığından daha derindir: Bu ilkel madde hâli ortaya çıkabilmek için gerçekte ne kadar küçük bir alana ihtiyaç duyuyor?
Jet Sönümlemesi: Erken Evren Maddesinin Ardındaki En Güçlü İpuçlarından Biri
Kuark-gluon plazmasını doğrudan görmek mümkün değildir. Bu nedenle bilim insanları, çarpışmanın ardından ortaya çıkan parçacıklarda bıraktığı izleri araştırır.
Bu izlerin en önemlilerinden biri jet sönümlemesi olarak bilinen olaydır.
Yüksek enerjili bir parçacık çarpışması sırasında, kuarklar ve gluonlar büyük bir enerjiyle birbirinden uzaklaşabilir. Ardından bu parçacıklar, dedektörlerde görülebilen dar parçacık akışları oluşturur. Fizikçiler bu akışlara “jet” adını verir.
Ancak jetlerden biri sıcak ve yoğun bir ortamın içinden geçerse, yol boyunca enerji kaybedebilir.
Tıpkı bir cismin yoğun bir ortamdan geçerken hız ve enerji kaybetmesi gibi, yüksek enerjili parçacıklar da çevreleriyle etkileşime girer. Sonuç olarak dedektörler, başlangıçta beklenenden daha az enerjili veya daha az sayıda parçacık tespit edebilir.
İşte bu enerji kaybı, kuark-gluon plazmasının varlığına işaret eden önemli göstergelerden biridir.
STAR araştırmacıları, RHIC’te iki bin yirmi bir yılında kaydedilen oksijen-oksijen çarpışmalarını inceledi. Çarpışmalar, nükleon çifti başına iki yüz gigaelektronvolt enerji düzeyinde gerçekleşti.
Araştırmanın sonuçları dikkat çekiciydi.
Yüksek enerjili parçacıklar ve jetler, yoğunluğu yüksek çarpışmalarda yaklaşık yüzde yirmi oranında baskılanmış görünüyordu. Başka bir ifadeyle, bazı yüksek enerjili parçacıklar yoğun çarpışma ortamından geçerken enerjilerinin bir bölümünü kaybediyordu.
Bu sonuç, jet sönümlemesiyle uyumlu güçlü bir işaret sundu. Bilimsel çalışma, oksijen-oksijen çarpışmalarında jet sönümlemesine ilişkin güçlü kanıtlar bulunduğunu ve bunun küçük çarpışma sistemlerinde kuark-gluon plazmasının oluşumunu anlamaya yardımcı olduğunu belirtiyor.
Altın çekirdeklerinin çarpışmalarında görülen etki daha güçlüydü. Ancak bu durum şaşırtıcı değildi. Çünkü oksijen çekirdeklerinin oluşturduğu sistem çok daha küçüktü.
Yine de sonuç, fizikçilerin dikkatini çeken temel soruyu daha da önemli hâle getirdi: Eğer küçük bir oksijen çekirdeği bile bu izleri oluşturabiliyorsa, kuark-gluon plazmasının sınırı tam olarak nerede başlıyor?
Kuark-Gluon Plazması Ne Kadar Yaşıyor? Evrenin İlk Maddesi Bir Anlığına Ortaya Çıkıyor
Kuark-gluon plazmasının en şaşırtıcı özelliklerinden biri, inanılmaz derecede kısa ömürlü olmasıdır.
Bir parçacık çarpışması sonucunda oluşan bu aşırı madde hâli, bir saniyenin milyarda birinin milyarda birinden bile daha kısa bir süre boyunca var olabilir.
Bu süre insan ölçeğinde düşünüldüğünde neredeyse yok gibidir.
Ancak fizik için bu küçücük zaman aralığı bile son derece değerlidir.
Çarpışmanın ardından oluşan sıcak madde hızla genişler ve soğur. Kuarklar ve gluonlar yeniden birleşmeye başlar. Sonunda protonlar, nötronlar ve başka parçacıklar ortaya çıkar.
Bilim insanları plazmayı uzun süre boyunca doğrudan izleyemez. Bunun yerine çarpışmadan geriye kalan parçacıkları inceler.
Bu parçacıkların enerjisi, hareket yönü ve uzaydaki dağılımı, çarpışmadan hemen sonra oluşan ortam hakkında bilgi taşıyabilir.
Bir bakıma fizikçiler, olay yerinden geriye kalan izleri inceleyen dedektifler gibidir.
Peki, saniyenin akıl almaz derecede küçük bir bölümünde var olan bir madde hâli, evrenin ilk anları hakkında ne kadar bilgi saklıyor olabilir?
RHIC ve CERN’deki Oksijen Çarpışmaları Aynı Gizeme Farklı Enerjilerden Bakıyor
RHIC’teki sonuçlar, dünyanın başka bir büyük parçacık araştırma merkezinde yapılan çalışmalarla birlikte daha da anlam kazanıyor.
Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı da oksijen çekirdeklerini çarpıştırarak küçük sistemlerde kuark-gluon plazmasının izlerini araştırıyor.
Bu deneylerde çarpışma enerjileri RHIC’tekinden çok daha yüksek seviyelere ulaşıyor.
İki bin yirmi beş yılında gerçekleştirilen oksijen çarpışmaları ve bunların ardından yapılan analizler, küçük çarpışma sistemlerinde toplu parçacık davranışları ve enerji kaybı gibi önemli işaretler ortaya koydu. ALICE işbirliği, oksijen-oksijen çarpışmalarında yüksek enerjili kuark ve gluonların enerji kaybettiğine dair güçlü kanıtlar bildirdi.
RHIC ise aynı soruya daha düşük bir enerji düzeyinden yaklaşıyor.
Bu karşılaştırma bilim insanları için büyük önem taşıyor. Çünkü aynı atom türünün farklı enerji aralıklarında incelenmesi, kuark-gluon plazmasının hangi koşullarda ortaya çıktığını daha iyi anlamaya yardımcı olabilir.
Büyük bir sistem mi daha önemlidir, yoksa çarpışmanın enerjisi mi?
Belki de kuark-gluon plazmasının oluşumu, bu iki unsurun henüz tam olarak çözülmemiş karmaşık bir dengesiyle belirleniyor.
İşte oksijen deneyleri, fizikçilerin bu dengeyi anlamaya çalıştığı yeni bir laboratuvar oluşturuyor.
RHIC’in Son Çarpışmaları Yapıldı, Ancak Erken Evren Araştırmaları Bitmedi
Bu keşfin bir başka dikkat çekici yönü de RHIC’in tarihindeki özel yeri.
Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı’nın operasyonel dönemi altı Şubat iki bin yirmi altı tarihinde sona erdi. Son çalışma döneminde oksijen iyonları, STAR ve sPHENIX dedektörlerinde ışık hızına yakın hızlarda birbirleriyle çarpıştırıldı. Böylece RHIC’in yirmi beşinci ve son çalışma dönemi tamamlandı.
Ancak bir parçacık hızlandırıcısının çalışmasının sona ermesi, bilimsel keşiflerin de sona erdiği anlamına gelmiyor.
Tam tersine, son deneylerde toplanan verilerin analiz edilmesi yıllar boyunca sürebilir.
STAR ve sPHENIX deneyleri tarafından elde edilen son oksijen çarpışması verileri, küçük sistemlerde kuark-gluon plazmasının oluşum sınırını anlamak için yeni fırsatlar sunuyor. Araştırmacılar şimdi hem çarpışan çekirdeklerin boyutunu hem de çarpışma enerjisini değiştirerek bu olağanüstü madde hâlinin hangi noktada ortaya çıkmayı bıraktığını anlamaya çalışıyor.
Bu nedenle RHIC’in son çarpışmaları, aslında yeni bir araştırma döneminin başlangıcı olabilir.
Küçük Atom Çarpışmaları Evrenin En Büyük Sırlarını Açığa Çıkarabilir mi?
Oksijen çekirdekleri üzerinde yapılan çalışmalar, parçacık fiziğinde temel bir soruyu yeniden gündeme taşıyor.
Bir çarpışma sistemi ne kadar küçülebilir ve yine de kuark-gluon plazmasının özelliklerini gösterebilir?
Bu sorunun yanıtı yalnızca parçacık hızlandırıcılarının teknik sınırlarıyla ilgili değildir.
Aynı zamanda evrenin nasıl başladığını anlamakla da ilgilidir.
Büyük Patlama’nın ardından evren, bugün bildiğimiz hiçbir şeye benzemiyordu. Atomlar yoktu. Yıldızlar yoktu. Gezegenler ve galaksiler de henüz ortaya çıkmamıştı.
Bunun yerine, aşırı sıcak ve yoğun bir ortamda temel parçacıklar hüküm sürüyordu.
Bugün bilim insanları, dev parçacık hızlandırıcılarında gerçekleştirdikleri çarpışmalarla o uzak dönemin fiziksel koşullarını kısa süreliğine yeniden oluşturmaya çalışıyor.
Elbette laboratuvarda yaratılan sistem, erken evrenin birebir kopyası değildir. Evren çok daha büyük, çok daha karmaşık ve farklı koşullara sahipti. Buna rağmen kuark-gluon plazmasının incelenmesi, maddenin en temel yapı taşlarının aşırı sıcaklıklarda nasıl davrandığını anlamak için eşsiz bir fırsat sunuyor.
Belki de en şaşırtıcı olan şey şudur:
Evrenin ilk anlarını araştırmak için uzayın en uzak köşelerine gitmek zorunda değiliz. Bazen bir laboratuvarda, ışık hızına yakın hareket eden iki küçük oksijen çekirdeğinin çarpışmasına bakmak yeterli olabilir.
O hâlde insanlığın önündeki en büyük sorulardan biri hâlâ cevap bekliyor:
Bazı atomların inanılmaz bir hızla çarpışması, gerçekten de evrenin doğduğu ilk anların gizemini çözmemize yardımcı olabilir mi?
Derleyen: Deniz KAFKAS
Kaynak: Oksijen Atomlarıyla Evrenin İlk Anları Yeniden Yaratıldı mı? Küçük Çarpışmalar Büyük Patlama’nın Gizemini Açığa Çıkarabilir
Gökbilimciler Güneş Sisteminin Dış Kesimlerinde Yeni Bir Cüce Gezegen Keşfetti
Gökbilimciler Güneş Sisteminin Dış Kesimlerinde Yeni Bir Cüce Gezegen Keşfetti
Oksijen Atomlarıyla Evrenin İlk Anları Yeniden Yaratıldı mı? Küçük Çarpışmalar Büyük Patlama’nın Gizemini Açığa Çıkarabilir
Kaynaklar
- STAR Collaboration, “Measurement of Jet Quenching in Oxygen-Oxygen Collisions at Two Hundred Gigaelectronvolts by the STAR Experiment at RHIC”, Physical Review Letters, iki bin yirmi altı. STAR’ın hakem değerlendirmesinden geçmiş çalışması, yüksek etkinlikli oksijen-oksijen çarpışmalarında yaklaşık yüzde yirmilik baskılanma ve jet sönümlemesine dair güçlü kanıtlar bildiriyor.
- Brookhaven National Laboratory, “Oxygen Collisions Quench Jets’ Energy at RHIC”, iki bin yirmi altı. Araştırmanın küçük çarpışma sistemlerinde kuark-gluon plazmasının oluşum koşullarını araştırmadaki önemini açıklıyor.
- Brookhaven National Laboratory, “A Smashing Success: Relativistic Heavy Ion Collider Wraps up Final Collisions”, altı Şubat iki bin yirmi altı. RHIC’in son oksijen çarpışmalarını ve operasyonel dönemin sona erişini belgeliyor.
- ALICE Collaboration, “ALICE Uncovers Parton Energy Loss in Oxygen-Oxygen Collisions”, iki bin yirmi altı. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki oksijen çarpışmalarında enerji kaybına ilişkin bulguları aktarıyor.
- ALICE Collaboration, “Oxygen Collisions at the LHC Show New Indications of Extreme State of Matter”. Oksijen çarpışmalarının küçük sistemlerde kuark-gluon plazmasının özelliklerini araştırmadaki rolünü değerlendiriyor.
Oksijen Atomlarıyla Evrenin İlk Anları Yeniden Yaratıldı mı? Küçük Çarpışmalar Büyük Patlama’nın Gizemini Açığa Çıkarabilir