Kuark ve Gluonlardan Oluşan Atom Çekirdeğinin Tutarlı ve Bütüncül İlk Modeli Elde Edildi

İlk kez kuarklar ve gluonlar, şimdiye kadar proton ve nötronların varlığıyla açıklanan atom çekirdeğinin özelliklerini tanımlamak için kullanıldı. Geçici korelasyonlu nükleon çifti mor renkle vurgulanmıştır. Resmin Kaynağı: IFJ PAN

Atom çekirdeği, gluonlar tarafından bağlanmış kuarkların etkileşimi yoluyla vuku bulan parçacıklar olan proton ve nötronlardan meydana gelir. Bu nedenle, atom çekirdeğinin şimdiye kadar nükleer deneylerde gözlemlenen tüm özelliklerini sadece kuarklar ve gluonlar kullanarak yeniden üretmek zor olmasa gerek. Fakat uluslararası bir fizikçi ekibi bunu ancak şimdi başarabilmiştir.

Atom çekirdeğinin ana bileşenleri olan proton ve nötronların keşfinden bu yana neredeyse bir asır geçti. Başlangıçta bu yeni parçacıkların bölünemez olduğu düşünülüyordu. Ancak 1960'larda, yeterince yüksek enerjilerde proton ve nötronların iç yapılarını - yani gluonlar tarafından sürekli bir arada tutulan kuarkların varlığını - ortaya çıkaracaklarına dair bir öneri ortaya atıldı.

Kısa bir süre sonra kuarkların varlığı deneysel olarak doğrulandı. Bu nedenle, aradan onlarca yıl geçmesine rağmen, hiç kimsenin atom çekirdeğinde sadece proton ve nötronların görülebildiği düşük enerjilerde yapılan nükleer deneylerin sonuçlarını kuark-gluon modelleriyle yeniden üretememiş olması şaşırtıcı görünebilir.

Uzun süredir devam eden bu çıkmaz, Physical Review Letters'da yayınlanan bir makaleyle ancak şimdi kırıldı. Makalenin başlıca yazarları kuark-gluon dağılımları üzerine çalışan uluslararası nCTEQ işbirliğinden bilim insanlarıdır.

Polonya Bilimler Akademisi Nükleer Fizik Bölümü'nden (IFJ PAN) araştırmaya katılan üç teorisyenden biri olan Dr. Aleksander Kusina “Şimdiye kadar atom çekirdeğinin biri düşük enerjilerde görebildiğimiz proton ve nötronlara, diğeri ise yüksek enerjiler için kuark ve gluonlara dayanan iki paralel tanımı vardı. Çalışmamızda, şimdiye kadar birbirinden ayrı olan bu iki dünyayı bir araya getirmeyi başardık” diyor.

İnsanlar çevrelerini görebilirler çünkü daha önce çevremizdeki nesneleri oluşturan atom ve moleküllerle etkileşime girerek saçılmış fotonları kaydetmek için doğuştan gelen dedektörleri (gözler) kullanırlar. Fizikçiler de atom çekirdekleri hakkında benzer bir yolla bilgi edinirler: onları daha küçük parçacıklarla çarpıştırırlar ve çarpışmaların sonuçlarını titizlikle analiz ederler.

Ancak pratik nedenlerden dolayı elektriksel olarak nötr fotonları değil, yük taşıyan temel parçacıkları, genellikle elektronları kullanırlar. Deneyler, elektronlar nispeten düşük enerjilere sahip olduğunda atom çekirdeklerinin nükleonlardan (yani proton ve nötronlardan) oluşuyormuş gibi davrandığını, yüksek enerjilerde ise atom çekirdeklerinin içinde partonların (yani kuark ve gluonların) “görünür” olduğunu gösteriyor.

Atom Çekirdeğinin Nükleonik Parçacıklı Gösterimi, Resmin kaynağı: Nucleus – Protons and Neutrons - ppt download

Nükleonların Yapısının Modellemesi, Resmin Kaynağı: Bill Wurtz – ​history of the entire world, i guess | Genius

Kuarklar ve Gluon Etkileşiminin Gösterimi, Resmin Kaynağı: Quantum Physics - Subatomic particles - HubPages

Atom çekirdeklerinin elektronlarla çarpışmasının sonuçları, düşük enerjili çarpışmaları tanımlamak için yalnızca nükleonların ve yüksek enerjili çarpışmalar için yalnızca partonların varlığını varsayan modeller kullanılarak oldukça iyi bir şekilde yeniden üretilmiştir. Ancak, şimdiye kadar bu iki açıklama tutarlı bir resim halinde birleştirilememiştir.

IFJ PAN'dan fizikçiler çalışmalarında, Cenevre'deki CERN laboratuvarındaki LHC hızlandırıcısında toplananlar da dahil olmak üzere yüksek enerjili çarpışmalarla ilgili verileri kullandılar. Temel amaç, şu anda parton dağılım fonksiyonları (PDF'ler) ile tanımlanan atom çekirdeklerinin partonik yapısını yüksek enerjilerde incelemekti.

Bu fonksiyonlar, kuark ve gluonların proton ve nötronların içinde ve atom çekirdeği boyunca nasıl dağıldığını haritalamak için kullanılır. Atom çekirdeği için PDF fonksiyonları ile, çekirdekle bir elektron veya proton çarpışmasında belirli bir parçacığın oluşma olasılığı gibi deneysel olarak ölçülebilir parametreleri belirlemek mümkündür.

Teorik açıdan bakıldığında, bu makalede önerilen yeniliğin özü, proton ve nötronların güçlü bir şekilde etkileşen nükleon çiftleri (proton-nötron, proton-proton ve nötron-nötron) halinde birleştiğinin varsayıldığı düşük enerjili çarpışmaları tanımlamak için kullanılan nükleer modellerden esinlenen parton dağılım fonksiyonlarının ustaca genişletilmesidir.

Bu yeni yaklaşım, araştırmacıların incelenen 18 atom çekirdeği için atom çekirdeklerindeki parton dağılım fonksiyonlarını, korelasyonlu nükleon çiftlerindeki parton dağılımlarını ve hatta bu tür korelasyonlu çiftlerin sayılarını belirlemelerini sağladı.

Sonuçlar, düşük enerji deneylerinden bilinen korelasyonlu çiftlerin çoğunun proton-nötron çifti olduğu gözlemini doğruladı (bu sonuç özellikle altın veya kurşun gibi ağır çekirdekler için ilginçtir). Bu makalede önerilen yaklaşımın bir diğer avantajı da atom çekirdeklerindeki parton dağılımlarını belirlemek için kullanılan geleneksel yöntemlere kıyasla deneysel verilerin daha iyi tanımlanmasını sağlamasıdır.

“Modelimizde, belirli nükleonların eşleşmesi olgusunu simüle etmek için iyileştirmeler yaptık. Çünkü bu etkinin parton düzeyinde de geçerli olabileceğini fark ettik. İlginç bir şekilde bu, teorik açıklamanın kavramsal olarak basitleştirilmesine olanak sağladı ve bu da gelecekte tek tek atom çekirdekleri için parton dağılımlarını daha hassas bir şekilde incelememizi sağlayacak” diye açıklıyor Dr. Kusina.

Teorik tahminler ve deneysel veriler arasındaki uyum, parton modeli ve yüksek enerji bölgesinden elde edilen veriler kullanılarak, şimdiye kadar yalnızca nükleonik tanımlama ve düşük enerjili çarpışmalardan elde edilen verilerle açıklanan atom çekirdeklerinin davranışını yeniden üretmenin ilk kez mümkün olduğu anlamına geliyor. Açıklanan çalışmaların sonuçları, atom çekirdeğinin yapısının daha iyi anlaşılması, yüksek ve düşük enerji yönlerinin birleştirilmesi için yeni perspektifler açmaktadır.

Çevrilen Kaynak:

First coherent picture of an atomic nucleus made of quarks and gluons

Orijinal Çalışma:

Phys. Rev. Lett. 133, 152502 (2024) - Modification of Quark-Gluon Distributions in Nuclei by Correlated Nucleon Pairs

Modification of Quark-Gluon Distributions in Nuclei by Correlated Nucleon Pairs

Rica ederim; bir bakayım.