Evrenin oluşum aşamasının ilk anlarında, trilyon derece sıcaklıkta bir kuark ve gluon çorbası halindeydi. Bu temel parçacıklar ışık hızında hareket ederek, yalnızca birkaç milyonda bir saniye süren bir "kuark-gluon plazması" oluşturdu. Ardından bu ilkel sıvı hızla soğudu ve içindeki kuarklar ve gluonlar birleşerek bugün var olan protonları, nötronları ve diğer temel parçacıkları oluşturdu.
İsviçre'deki CERN'in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki fizikçiler, evrenin başlangıçtaki bileşenlerini daha iyi anlamak için kuark-gluon plazmasını (QGP) yeniden oluşturuyorlar. Bilim insanları, ışık hızına yakın hızlarda ağır iyonları çarpıştırarak, erken evrenin ilk mikrosaniyelerinde var olan aynı maddeyi oluşturmak ve incelemek için kuarkları ve gluonları kısa süreliğine yerinden oynatabiliyorlar.
Şimdi ise, MIT fizikçilerinin önderliğindeki CERN'deki bir ekip, kuarkların plazma içinde hızla ilerlerken, tıpkı bir ördeğin suda bıraktığı dalgalara benzer şekilde, izler oluşturduğuna dair açık işaretler gözlemledi. Bu bulgular, kuark-gluon plazmasının, tek tek parçacıklar gibi rastgele dağılmak yerine, hızlanan parçacıklara tek bir sıvı gibi tepki vererek, çalkalanıp sıçradığına dair ilk doğrudan kanıt niteliğindedir.
MIT'de fizik profesörü olan Yen-Jie Lee, "Alanımızda plazmanın bir kuarka tepki verip vermemesi uzun zamandır tartışılan bir konuydu," diyor. "Şimdi görüyoruz ki plazma inanılmaz derecede yoğun, öyle ki bir kuarkı yavaşlatabiliyor ve sıvı gibi sıçramalar ve girdaplar üretiyor. Yani kuark-gluon plazması gerçekten de ilkel bir çorba."
Bir kuarkın ardında bıraktığı izleri görmek için Lee ve meslektaşları, çalışmada bildirdikleri yeni bir teknik geliştirdiler. Bu yaklaşımı, diğer kuark izlerini incelemek için daha fazla parçacık çarpışma verisine uygulamayı planlıyorlar. Bu izlerin boyutunu, hızını ve kapsamını ve bunların azalıp dağılmasının ne kadar sürdüğünü ölçmek, bilim insanlarına plazmanın özelliklerine ve kuark-gluon plazmasının evrenin ilk mikrosaniyelerinde nasıl davranmış olabileceğine dair bir fikir verebilir.
Lee, “Kuark izlerinin nasıl ileri geri yansıdığını incelemek, kuark-gluon plazmasının özellikleri hakkında bize yeni bilgiler verecek,” diyor. “Bu deneyle, bu ilkel kuark çorbasının anlık bir görüntüsünü alıyoruz.”
Çalışmanın ortak yazarları, CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda bulunan genel amaçlı parçacık dedektörlerinden biri olan Kompakt Muon Solenoid (CMS) deneyinden elde edilen verileri yürütmek ve analiz etmek için birlikte çalışan dünyanın dört bir yanından parçacık fizikçilerinden oluşan CMS İşbirliği ekibinin üyeleridir. Bu çalışma için kuark uyanıklık etkilerinin belirtilerini tespit etmek amacıyla CMS deneyi kullanılmıştır. Açık erişimli çalışma , Physics Letters B dergisinde yayınlanmıştır .
Kuark gölgeleri
Kuark-gluon plazması, evrende var olmuş ilk sıvıdır. Aynı zamanda, bilim insanlarının kısa varoluş süresi boyunca birkaç trilyon derece Celsius civarında olduğunu tahmin ettikleri, şimdiye kadar var olmuş en sıcak sıvıdır. Bu kaynayan karışımın neredeyse "mükemmel" bir sıvı olduğu da düşünülmektedir; yani plazmadaki tek tek kuarklar ve gluonlar pürüzsüz, sürtünmesiz bir akışkan olarak birlikte akmıştır.
Kuark-gluon plazmasının bu görüntüsü, birçok bağımsız deney ve teorik modele dayanmaktadır. MIT'de Fizik Profesörü olan Krishna Rajagopal ve çalışma arkadaşları tarafından geliştirilen bir model, kuark-gluon plazmasının içinden hızla geçen herhangi bir parçacığa bir sıvı gibi tepki vermesi gerektiğini öngörmektedir. Hibrit model olarak bilinen teorisi, bir kuark jeti kuark-gluon plazmasından geçerken arkasında bir iz bırakması ve plazmanın buna tepki olarak dalgalanmasına ve sıçramasına neden olması gerektiğini öne sürmektedir.
Fizikçiler, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ve diğer yüksek enerjili parçacık hızlandırıcılarındaki deneylerde bu tür uyanıklık etkilerini aradılar. Bu deneyler, kurşun gibi ağır iyonları ışık hızına yakın bir hıza çıkarır; bu noktada iyonlar çarpışarak tipik olarak bir saniyenin katrilyonda birinden daha kısa süren kısa ömürlü bir ilkel çorba damlası oluşturabilirler. Bilim insanları esasen bu anın bir fotoğrafını çekerek QGP'nin özelliklerini belirlemeye çalışırlar.
Fizikçiler, kuark izlerini belirlemek için kuark ve "antikuark" çiftlerini aramışlardır; bu parçacıklar, kuark karşılıklarıyla aynıdır, ancak bazı özellikleri büyüklük olarak eşit, işaret olarak ise zıttır. Örneğin, bir kuark plazmada hızla ilerlerken, muhtemelen aynı hızda, ancak zıt yönde hareket eden bir antikuark da vardır.
Bu nedenle fizikçiler, ağır iyon çarpışmalarında üretilen QGP'de kuark/antikuark çiftlerini aramış ve parçacıkların plazma boyunca özdeş, tespit edilebilir izler oluşturabileceğini varsaymışlardır.
Lee, "İki kuark üretildiğinde sorun şu ki, iki kuark zıt yönlere gittiğinde, bir kuark diğer kuarkın ardında bıraktığı izi gölgede bırakıyor," diyor.
O ve meslektaşları, birinci kuarkın ardındaki izi aramanın, etkilerini gizleyen ikinci bir kuark olmadığı takdirde daha kolay olacağını fark ettiler.
Lee, "Kuark-gluon plazmasında tek bir kuarkın etkilerini farklı bir parçacık çifti aracılığıyla görmemizi sağlayan yeni bir teknik keşfettik," diyor.
Bir cenaze etiketi
Kurşun iyon çarpışmalarının ardından kuark ve antikuark çiftlerini aramak yerine, Lee'nin ekibi plazmadan yalnızca bir kuarkın geçtiği, esasen bir "Z bozonu" ile arka arkaya hareket eden olayları aradı. Z bozonu, çevre üzerinde neredeyse hiçbir etkisi olmayan, nötr, elektriksel olarak zayıf bir temel parçacıktır. Bununla birlikte, çok belirli bir enerjide var oldukları için, Z bozonlarını tespit etmek nispeten kolaydır.
Lee, “Bu kuark-gluon plazma çorbasında, çok sayıda kuark ve gluon birbirleriyle çarpışıyor ve geçiyor,” diye açıklıyor. “Bazen şanslıysak, bu çarpışmalardan biri yüksek momentumlu bir Z bozonu ve bir kuark oluşturuyor.”
Böyle bir çarpışmada, iki parçacık birbirine çarpmalı ve tam zıt yönlere doğru fırlamalıdır. Kuark bir iz bırakabilirken, Z bozonunun çevredeki plazma üzerinde hiçbir etkisi olmamalıdır. İlkel çorba damlacığında gözlemlenen dalgalanmalar tamamen içinden geçen tek bir kuark tarafından oluşturulmuş olacaktır.
Ekip, Vanderbilt Üniversitesi'ndeki Profesör Yi Chen'in grubuyla işbirliği içinde, Z bozonlarını tek kuarkların ardında bıraktığı izleri bulmak ve izlemek için bir "etiket" olarak kullanabileceklerini düşündü. Yeni çalışmaları için araştırmacılar, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın ağır iyon çarpışma deneylerinden elde edilen verileri incelediler. 13 milyar çarpışmadan, Z bozonu üreten yaklaşık 2.000 olayı belirlediler. Bu olayların her biri için, kısa ömürlü kuark-gluon plazmasındaki enerjileri haritalandırdılar ve Z bozonlarının ters yönünde, akışkan benzeri bir sıçrama deseni (bir iz etkisi) gözlemlediler; ekip bunu doğrudan plazmadan hızla geçen tek kuarkların etkisine bağlayabildi.
Dahası, fizikçiler verilerde gözlemledikleri uyanıklık etkilerinin Rajagopal'ın hibrit modelinin öngördüğüyle tutarlı olduğunu buldular. Başka bir deyişle, kuark-gluon plazması, parçacıklar içinden hızla geçtiğinde gerçekten de bir sıvı gibi akıyor ve dalgalanıyor.
Yeni çalışmada doğrudan yer almayan Rajagopal, "Bu, birçoğumuzun uzun yıllardır var olması gerektiğini savunduğu ve birçok deneyin araştırdığı bir şey" diyor.
İspanya'daki Oviedo Üniversitesi'nde fizik profesörü ve Rajagopal'ın işbirlikçisi olan, ancak mevcut çalışmada yer almayan Daniel Pablos, "Yen-Jie ve CMS'nin yaptığı şey, bu temel olguya dair ilk temiz, net ve kesin kanıtı bize ve onlara sunan bir ölçüm yöntemi geliştirmek ve uygulamaktır" diyor.
Lee, "Kuarkın gerçekten de hareket ederken daha fazla plazmayı beraberinde sürüklediğine dair ilk doğrudan kanıtı elde ettik," diye ekliyor. "Bu, bu egzotik sıvının özelliklerini ve davranışını eşi benzeri görülmemiş bir ayrıntıyla incelememizi sağlayacak."
Bu çalışma kısmen ABD Enerji Bakanlığı tarafından desteklenmiştir.
