Fizikçilerin aradığı gizemli ‘X parçacıkları' tespit edildi

Michelle Starr

Bilim insanları ilk kez, Büyük Patlama’dan hemen sonra ortaya çıkan ‘ilkel çorba’ içerisinde kısa bir süre içinde oluştuğu düşünülen esrarengiz bir parçacığı tespit edebildiler. Parçacık tam olarak Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda kurşun iyonlarının çarpıştırılmasıyla yaratılan ve ‘kuark-gluon plazması’* adı verilen bir ortamda gözlemlendi. Fizikçiler, çarpıştırıcıda, bu çarpışmaların yarattığı trilyonlarca parçacığın arasında, ‘X parçacıkları’ diye adlandırılan egzotik parçacıklardan 100 tanesini tanımlamayı başardılar.

BÜYÜK BİR HİKAYENİN BAŞLANGICI

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde (MIT) görev yapan ve merkezi İsviçre’nin Cern kentinde bulunan uluslararası CMS İşbirliği'nin bir üyesi olan fizikçi Yen-Jie Lee, “Bu henüz hikayenin başlangıcı” diyor: “Böylece, bir sinyal bulabileceğimizi kanıtladık. Gelecek birkaç yıl içinde, X parçacığının iç yapısını araştırmak amacıyla kuark-gluon plazmasını kullanmak istiyoruz; bu araştırma da evrenin ne tür bir malzeme meydana getirmesi gerektiğine ilişkin anlayışımızı değiştirebilir.”

Büyük Patlama’dan yalnızca birkaç dakika sonra, en ilkel haldeki Evren, şu anda boşlukta yüzdüğünü gördüğümüz şeylerden oluşmuyordu. Bundan ziyade, saniyenin yalnızca birkaç milyonda birine tekabül eden bir zaman dilimi içinde, ‘kuarklar’ ve ‘gluonlar’ adını verdiğimiz temel parçacıklardan meydana gelen ve trilyonlarca derecelik bir ısıya sahip bir plazmayla doldu. Bu oluşuma ‘kuark-gluon plazması’ diyoruz.

Gözünüzü kapayıp açmanızdan daha kısa bir süre içinde bu plazma soğudu ve oluşan parçacıklar birleşerek bugün normal maddenin meydana geldiği ‘proton’ ve ‘nötronları’ yarattı. Bununla birlikte, bu aşırı kısa zaman aralığında, kuark-gluon plazması içinde bulunan parçacıklar çarpıştı, birbiriyle kaynaştı ve farklı oluşumlar içerisinde tekrar parçalandı.

FİZİĞİN KUTSAL KASELERİNDEN BİRİYDİ

Bu oluşumlardan bir tanesi o denli esrarengiz bir parçacık ki, henüz nasıl bir araya geldiğini dahi bilmiyoruz. Buna ‘X parçacığı’ diyoruz ve yalnızca parçacık çarpıştırıcılarında çok nadiren ve incelenemeyecek kadar kısa bir süre için görebiliyoruz.

Öte yandan, teorik olarak, X parçacıkları fizikçilerin yıllardan beridir parçacık hızlandırıcılarında yarattıkları kuark-gluon plazmasında aşırı kısa süreler için ortaya çıkabiliyorlar. Ve bu durum onları anlamak doğrultusunda bizlere daha iyi bir fırsat sunabilir.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın 2018 yılındaki faaliyetleri esnasında, pozitif yüklü kurşun atomları çok yüksek hızlarda birbiriyle çarpıştırıldı. Bu yaklaşık 13 milyar çarpışmanın her biri, on binlerce parçacıktan oluşan bir parçacık yağmuru ortaya çıkardı. Ve bu, gözden geçirilmesi gereken muazzam miktarda veri bulunduğu anlamına geliyor.

Lee, “Teorik bağlamda söyleyecek olursak, plazmada o kadar çok kuark ve gluon var ki, neticede X parçacıklarının üretiminin artması gerekiyor” diyor: “Buna karşın, insanlar onları bulmanın aşırı derecede güç olacağını düşünüyorlardı; çünkü bu kuark çorbasında üretilen çok fazla sayıda parçacık mevcuttu.”

ÖZEL BİR YAZILIM ARACILIĞIYLA TESPİT EDİLDİ

X parçacıklarının ömrü çok kısa olsa da, bozunduklarında [ayrıştıklarında], daha düşük kütleye sahip olan farklı parçacıklardan oluşan bir parçacık yağmuru yaratırlar. Araştırma ekibi, veri inceleme sürecini kolaylaştırmak amacıyla, X parçacık bozunumunun karakteristik kalıplarını tanıyabilecek bir bilgisayar yazılımı geliştirdi. Bunun ardından, yazılıma 2018 LHC verilerini girdiler.

Yazılım, verilerde yaklaşık 100 adet X parçacığın var olduğunu ortaya koyan belirli bir kütledeki bir sinyali tespit etti. Bu, mükemmel bir başlangıç anlamına geliyordu. Lee, “Bu 100 parçacığı böylesine devasa bir veri kümesi içerisinde bulabilmiş olmamız neredeyse imkânsız bir şey” diyor.

Bulunduğumuz noktada, elde ettiğimiz veriler X parçacığının yapısına ilişkin daha fazla bilgi edinmek için yeterli değil; yine de bu keşif bizi daha da ileri götürebilir. Artık X parçacığının imzasını nasıl bulacağımızı bildiğimize göre, gelecekte oluşturulacak veri kümelerinde onu saptamak çok daha kolay olacak. Bunun yanı sıra, elimizde daha fazla veri biriktikçe, onları anlamak da daha kolay bir hale gelecek.

Protonların ve nötronların her biri üç adet kuarktan meydana gelir. Fizikçiler, X parçacıklarının dört adet kuarktan, yani ‘tetrakuark’ olarak bilinen tuhaf ve sıkı bir şekilde bağlanmış bir parçacık ya da her biri iki kuark içeren bir çift ‘mezondan’ meydana gelen ve gevşek bağlara sahip yeni bir tür parçacıktan oluşabileceğine inanıyorlar. Şayet birincisi doğruysa, daha sıkı bağlara sahip olduğu için, ikincisinden daha yavaş bozunur.

Lee, “Şimdilik ulaştığımız veriler bunların her ikisiyle de tutarlı görünüyor; zira henüz yeterli istatistik bilgiye sahip değiliz. Önümüzdeki birkaç yıl içinde bu iki senaryoyu birbirinden ayırabilmek için çok daha fazla veriye ulaşmış olacağız” diyor: “Bu, ilkel Evren’de bolca üretilen parçacık türleriyle ilgili bakış açımızı genişletecek.”

Araştırma, Physical Review Letters adlı dergide yayınlandı.

*'Kuark çorbası' ya da kuark-gluon plazması, nükleer maddenin tanımlanmış yeni bir halidir. Bu hal, aşırı derece sıcak ve son derece yoğun bir yapıdadır. Proton, nötron gibi parçacıklar, kuark çorbası içerisinde sahip oldukları yapılarını kaybederler. Yapısı bozulan bu tür parçacıklar, onları oluşturan temel parçacıklar olan kuark ve gluona ayrışırlar.

Yazının orijinali Science Alert sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)