CERN’de araştırmacılar, neredeyse ışık hızında çarpıştırılan sürpriz derecede küçük atom çekirdekleriyle Evren’in mikroskobik versiyonlarını oluşturdu. Çarpışmalar, Büyük Patlama’dan kısa süre sonra kozmosu doldurduğu düşünülen ultra sıcak madde olan kuark-gluon plazmasını üretti. Daha da ilginç olanı, geride kalan parçacıklar onları yaratan çekirdeklerin şeklini ortaya koyuyor ve bu durum hem nükleer fizik hem de Evren’in en erken anları hakkında yeni bir araştırma yolu sunuyor.
Kopenhag Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, bilim insanlarının bir zamanlar mümkün olduğunu düşünmediği kadar küçük atom çekirdekleri arasındaki çarpışmalarla Büyük Patlama’dan kısa süre sonra Evren’i doldurduğu düşünülen ilkel madde halini yeniden yarattı. Bu mikroskobik erken Evren versiyonları, araştırmacıların kozmik tarihinin ilk anlarını ve nükleer fizikteki en derin sorulardan bazılarını anlamasına yardımcı olabilir.
Yıldızlar, gezegenler, atomlar ve diğer tanıdık madde biçimleri var olmadan önce Evren nasıldı?
İsviçre’deki CERN’de fizikçiler bu soruyu yanıtlamaya çalışıyor ve Evren’in doğumundan hemen sonra var olan aşırı koşulları yeniden üretiyor. Niels Bohr Enstitüsü’nden araştırmacılar, uluslararası ALICE iş birliği içindeki bilim insanlarıyla birlikte bu hedefe doğru önemli bir adım attı.
Evren’in İlkel Maddesinin Yeniden Oluşturulması
CERN’de atom çekirdekleri neredeyse ışık hızına hızlandırılıp birbirine çarptırılıyor. Bu çarpışmalar, Büyük Patlama’dan sonraki ilk milyonda bir saniye boyunca Evren’i doldurduğu düşünülen olağanüstü madde hali olan kuark-gluon plazmasının minik damlacıklarını oluşturabiliyor.
Bilim insanları uzun süre bu plazmanın üretimi için kurşun gibi çok ağır çekirdekler arasındaki çarpışmaların gerekli olduğunu düşünüyordu. Yeni deneyler çok daha küçük çekirdeklerin de ilkel maddeyi oluşturabildiğini gösteriyor. Araştırmacılar bunu oksijen-16 ve neon-20 çekirdeklerini çarpıştırarak başardı.
Deneyi yöneten Doçent You Zhou, “Bu ilkel maddeyi, yani bir tür Küçük Büyük Patlama’yı yeniden yaratmak için atom çekirdeklerinin ne kadar küçük olabileceğinin sınırını zorladık. Bu aşırı duruma madde geçişi için gereken temel koşulları artık daha iyi biliyoruz” diyor.
“Umarım bu, plazmanın Evren’in ilk anlarında nasıl davrandığını ve daha sonra etrafımızdaki her şeyin yapıldığı madde biçimlerine nasıl evrildiğini daha iyi anlamamıza yardımcı olur.”
Uluslararası ALICE deneyi kapsamında üretilen araştırma bulguları, prestijli Physical Review Letters dergisinde yayımlandı.
Bowling Pimi İmzalı Minik Bir Büyük Patlama
Atom çekirdekleri muazzam hızlarda çarpıştığında, bileşenleri son derece küçük bir kuark-gluon plazması damlacığına dönüşebiliyor. Damlacık yalnızca çok kısa bir süre varlığını koruyor, ardından genişleyip başka parçacıklara dönüşüyor.
Bilim insanları plazmayı doğrudan gözlemleyemiyor. Bunun yerine hemen ardından ortaya çıkan parçacıkları ölçüyor ve bu parçacıkların nasıl hareket ettiğini inceliyor.
Yeni sonuçlar, bu hareket kalıplarının çarpışan çekirdeklerin orijinal şekli hakkında bilgi koruduğunu gösteriyor. İki oksijen çekirdeği arasındaki çarpışmalar nispeten yuvarlak bir desen oluştururken, neon içeren çarpışmalar kendine özgü bir bowling pimi şeklindeki deseni oluşturuyor.
Niels Bohr Enstitüsü’nden ve çalışmanın ortak yazarı olan doktora sonrası araştırmacı Emil Gorm Dahlbæk Nielsen, “İlkel maddeden gelen parçacıklar doğrudan atom çekirdeğinin geometrik şekli tarafından yönetiliyor. Birbirine çarptırdığımız iki çekirdek küresel ise bir desen elde ediyoruz. Bowling pimi şeklindeyse başka bir desen elde ediyoruz. Çarpışmadan sonra parçacıkların nasıl hareket ettiğini inceleyerek fizikçilerin başka türlü elde etmesi zor olan atom çekirdekleri hakkında fikir edinebiliyoruz” diye açıklıyor.
“Biraz bir nesneye ışık tutmak ve gölgesini görmek gibi. Nesneyi doğrudan göremiyorsunuz ama gölgesi şeklini ortaya koyuyor. Aynı şekilde parçacıkların hareketi, çarpışmanın başında var olan atom çekirdeklerinin geometrik şeklini gösteriyor.”
Aşırı Çarpışmalarla Nükleer Yapıyı Araştırma
Fizikçiler 70 yılı aşkın süredir atom çekirdeklerinin şekillerini ve iç yapılarını anlamaya çalışıyor. Bu soru Niels Bohr Enstitüsü ile özellikle derin bağlantılara sahip. Aage Bohr, atom çekirdeğinin yapısı üzerine yaptığı çalışmalarla 1975’te Fizik Nobel Ödülü’nü aldı.
Bir çekirdeğin şekli geometriden çok daha fazlası için önemli. Protonların ve nötronların nasıl düzenlendiğini yansıtıyor ve bilim insanlarının hâlâ tam olarak anlamaya çalıştığı doğanın dört temel kuvvetinden biri olan güçlü kuvvet hakkında değerli bilgiler sağlayabiliyor.
Geleneksel olarak fizikçiler nükleer yapıyı, atom çekirdeklerinin nasıl döndüğünü ve titreştiğini ölçmeyi içeren nispeten düşük enerjili deneylerle araştırmışlardır.
Yeni yaklaşım bu stratejiyi tersine çeviriyor. Araştırmacılar çekirdekleri nazikçe araştırmak yerine, onları mevcut en yüksek enerjilerde çarpıştırıyor ve geride bıraktıkları kalıplardan şekillerini yeniden kurguluyor.
You Zhou, “Nükleer yapı hakkında kesin bir anlayış, güçlü kuvveti anlamamıza yardımcı olur. Ancak çekirdekleri düşük enerjilerde dikkatlice araştırmak yerine, onları yaratabildiğimiz en yüksek enerjilerde birbirine çarptırıyoruz ve şimdi geride bıraktıkları izden şekillerini okuyabiliyoruz” diyor.
Araştırmacılar, tekniğin paradigma değişimine işaret edebileceğini söylüyor. Daha da geliştirilirse, bilim insanlarına iç yapıları hâlâ yeterince anlaşılamamış atom çekirdeklerini araştırmak için yeni bir yol sunabilir.
Bir Küçük Büyük Patlama Ne Kadar Küçük Olabilir?
Bilim insanları kuark-gluon plazması üretmeye devam ederken bir çarpışma sisteminin ne kadar küçük olabileceğinin kesin sınırını hâlâ bilmiyor. Bu sınırı belirlemek bir sonraki büyük hedeflerden biri.
Ekip bu nedenle helyum-4 dahil daha hafif atom çekirdekleri kullanarak ek deneyler yapmayı planlıyor.
You Zhou, “Büyüleyici olan, aynı deneyle hem atom çekirdeklerinin yapısını öğrenebiliyor hem de Evren’in doğumu sırasında neler olduğunu daha iyi anlayabiliyoruz. Bu iki şey ilk bakışta düşünülebileceğinden çok daha yakından bağlantılı” diye sonuca bağlıyor.
Kuark-Gluon Plazması Nedir?
Kuark-gluon plazması, Büyük Patlama’dan sonraki ilk milyonda bir saniye boyunca var olan son derece sıcak ve yoğun bir madde halidir. O dönemde sıcaklıklar o kadar aşırıydı ki protonlar ve nötronlar henüz oluşmamıştı. Bunun yerine onları oluşturan parçacıklar olan kuarklar ve gluonlar bir tür sıcak “çorba” içinde özgürce hareket ediyordu.
Evren genişledikçe sıcaklığı düştü. Kuarklar ve gluonlar sonunda birbirine bağlanarak protonlar ve nötronlar da dahil olmak üzere çeşitli parçacıkları oluşturdu. Bu parçacıklar daha sonra atom çekirdeklerinin ve nihayetinde yıldızlarda, gezegenlerde ve bizde bulunan sıradan maddenin bileşenleri haline geldi.
University of Copenhagen tarafından sağlanan materyaller. Not: İçerik stil ve uzunluk açısından düzenlenmiş olabilir.
