Tat Simetrisi Çöktü: CERN’de Yeni Bir Fizik Ufku
Argon ve skandiyum atom çekirdekleri arasındaki yüksek enerjili çarpışmalarda, uluslararası NA61/SHINE deneyinden bilim insanları çarpıcı bir anormallik keşfettiler. Bu, parçacık fiziğindeki en temel prensiplerden birinin, yukarı ve aşağı kuarklar arasındaki neredeyse simetrinin, yani lezzet simetrisinin olası bir bozulmasına işaret ediyor. Bu beklenmedik sonuç, nükleer çarpışmalara ilişkin mevcut modellerimizdeki boşlukları ortaya çıkarabilir veya araştırmacıların onlarca yıldır peşinde olduğu yakalanması zor “yeni fiziğin” ilk işareti olabilir.
Parçacık Fiziğinde Temel Bir Varsayımı Sorgulamak
Eşit sayıda tahta ve plastik bloktan bir şey inşa ettiğinizi hayal edin. Karışımın parçalara ayrıldıktan sonra aynı kalmasını beklersiniz. Fizikçiler uzun zamandır parçacık çarpışmalarında da benzer bir şeyin gerçekleştiğine inanıyorlardı; yukarı ve aşağı kuarklardan oluşan parçacıkların hangi kuark türü olursa olsun tahmin edilebilir şekilde davrandığı, lezzet simetrisi adı verilen bir tür denge.
Ancak şaşırtıcı yeni bir keşif bu varsayımı sorguluyor. Nature Communications’da yeni yayınlanan bir makalede, Polonya’nın Krakow’daki Nükleer Fizik Enstitüsü’nden (IFJ PAN) büyük bir ekip de dahil olmak üzere NA61/SHINE deneyinden araştırmacılar, argon ve skandiyum çekirdekleri arasındaki çarpışmalardan alışılmadık sonuçlar bildirdiler. Bu yüksek enerjili çarpışmalar, CERN’de, parçacıkları ünlü Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’na besleyen aynı hızlandırıcı olan Süper Proton Senkrotronu kullanılarak gerçekleştirildi.
Temelleri Çözmek: Kuarklar, Mezonlar ve Simetri
“Mevcut bilgi durumuna göre, algıladığımız madde dünyası esas olarak kuark adı verilen temel parçacıklardan oluşur. Her biri antimadde karşılığına sahip altı türdedirler. Atom çekirdeklerinin temel bileşenleri olan protonlar ve nötronlar, her zaman karışık olan yukarı ve aşağı kuarkların üçlülerinden oluşurken, kuark-antikuark çiftlerine mezon denir,” diyor Prof. Andrzej Rybicki (IFJ PAN) ve bizi konuya tanıtıyor.
Bu kuarklar, kuantum kromodinamiği olarak bilinen bir teoriyle tanımlanan, doğanın temel kuvvetlerinden biri olan güçlü kuvvet tarafından bir arada tutulur. Denklemlerinden, tüm kuark türlerinin aynı kütlelere sahip olması durumunda, güçlü etkileşimin hiçbirini ayırt edemeyeceği sonucu çıkar. Aslında, farklı çeşitlerdeki (lezzetlerdeki) kuarklar kütlelerinde önemli ölçüde farklılık gösterir ve bu da bu simetriyi bozar. Ancak önemli olan nokta, daha önce bahsedilen yukarı ve aşağı kuarklar olmak üzere en hafif iki kuark türünün kütlelerinin çok az farklı olmasıdır.
Bu nedenle güçlü etkileşimler, bunlara tam olarak aynı şekilde davranmaz, ancak yaklaşık bir lezzet simetrisinin varlığından söz etmek için yeterince benzer şekilde davranır. Nükleer araştırmalarda, bu simetrinin önemi önemlidir. Bu, yukarı kuarkların dahil olduğu yüksek enerjili bir çarpışmanın belirli bir olasılıkla bazı ikincil parçacıklar üretmesi durumunda, aşağı kuarkların mevcut olacağı bir çarpışmada hemen hemen aynı olasılıkla diğer karşılık gelen ikincil parçacıkların üretileceğini (ve tam tersi) bildiren şeydir.
CERN’deki NA61/SHINE deneyinde kullanılan Projectile Spectator Detector’ın (PSD) iç kısmı. Kredi: Julien Marius Ordan, CERN, CC-BY-4.0
Kaonlarla Yeni Bir Deneysel Atılım
NA61/SHINE deney ekibi, argon ve skandiyum atom çekirdeklerinin yüksek enerjili çarpışmaları sırasında çeşitli tiplerde görülen K mezonlarının (kaonlar) incelenmesine dahil oldu. Başlangıçta, grup yalnızca elektrik yüklü kaonları ölçmeyi planladı. Kabul edilmelidir ki, elektrik yükü olmayan kısa ömürlü nötr kaonların da çarpışmalarda üretildiği biliniyordu, ancak bunları ölçmek değerli görünmüyordu. Sonuçta, lezzet simetrisinden, negatif kaonlar ve pozitif kaonlar eklendiğinde, sonucun nötr kaonların sayısına iyi bir yaklaşımla karşılık gelmesi gerektiği açıktı. Ancak sonunda, grup her tür kaonun ölçümünü yapmaya karar verdi – ve bu büyük bir başarıydı.Şaşırtıcı Sonuçlar: %18 Kaon Anomalisi
“Ekibimiz tarafından yayınlanan sonuçlar, önceki teorik tahminlerden istatistiksel olarak önemli ölçüde farklı çıktı. Genellikle, lezzet simetrisinin yaklaşık doğası nedeniyle deneysel verilerdeki tutarsızlıkların bu enerji aralığında %3’ü geçmediği varsayılır. Öte yandan, biz %18’e kadar ulaşan yüklü kaonların aşırı üretimini bildiriyoruz!” diyor Prof. Rybicki.
Daha yakından bakıldığında, gözlemlenen etki daha da ilgi çekici hale geliyor. Argonun kararlı bir izotopu 18 proton ve 22 nötrona sahipken, skandiyum durumunda, kararlı bir çekirdekte protonlardan üç nötron daha fazla bulunur. Protonlar, iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarkın, nötronlar ise tam tersinin konglomeratlarıdır, bu nedenle basit aritmetik, çarpışmalardan önce incelenen sistemlerde biraz daha fazla aşağı kuark olduğunu kanıtlıyor.
“İlk odak noktası, karbon çekirdekleriyle pi+ ve pi- mezonların on milyonlarca kaydedilmiş çarpışması olacak ve çarpışmadan önce tam lezzet simetrisinden söz etmek mümkün olacak. Bir sonraki adım, oksijen-oksijen ve magnezyum-magnezyum çarpışmalarının seyrini incelemek olacak; sonuncu sistem, söz konusu fenomeni keşfetmeyi mümkün kılan argon ve skandiyuma benzer atom çekirdeklerinin karmaşıklığı nedeniyle özellikle umut verici görünüyor,” diyor Colorado Boulder Üniversitesi’nden Prof. Eric Zimmerman ile birlikte NA61/SHINE deneyine başkanlık eden Silezya Üniversitesi profesörü Dr. Seweryn Kowalski.
Ne yazık ki, en ilginç sonuçları beklememiz gerekecek: magnezyum çekirdeklerinin çarpışmaları ancak yakında başlayacak olan üç yıllık LHC yükseltmesinden sonra mümkün olacak.
Kaynak: https://scitechdaily.com