ALICE, Işık Çekirdeklerinin Hayatta Kalmasının Gizemini Çözdü

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki (LHC) parçacık çarpışmaları, Güneş'in merkezindekinden yüz bin kat daha yüksek sıcaklıklara ulaşabilir. Yine de, hafif atom çekirdekleri ve  antimadde  karşılıkları, çekirdekleri bir arada tutan bağların normalde çok daha düşük bir sıcaklıkta kopması beklenmesine rağmen, bu kavurucu ortamdan bir şekilde zarar görmeden çıkıyorlar. Fizikçiler on yıllardır bunun nasıl mümkün olduğu konusunda kafa yoruyorlardı, ancak  ALICE  işbirliği bugün Nature  dergisinde yayınlanan sonuçlarıyla bunun nasıl gerçekleştiğine dair deneysel kanıtlar sundu.

ALICE'deki araştırmacılar, LHC'de protonların yüksek enerjili çarpışmalarında üretilen döteronları (bir proton ve bir nötronun birleşmesiyle oluşan parçacıklar) ve antidöteronları (bir antiproton ve bir antinötron) incelediler. Çarpışmalardan doğrudan ortaya çıkmak yerine ,  döteronların ve antidöteronların yaklaşık %90'ının, çarpışmadan çıkan parçacıkların nükleer füzyonuyla oluştuğuna dair kanıtlar buldular; bu parçacıklardan birinin de kısa ömürlü bir parçacığın bozunmasından kaynaklandığı belirlendi.

ALICE deneyinin sözcüsü Marco van Leeuwen, “Bu sonuçlar alan için bir dönüm noktası niteliğinde,” dedi.  “Çekirdeklerin kuarklardan ve gluonlardan nasıl oluştuğuna dair anlayışımızdaki büyük bir boşluğu dolduruyorlar ve yeni nesil teorik modeller için temel girdiler sağlıyorlar.”

Bu bulgular, nükleer fizikte uzun süredir çözülemeyen bir bilmeceyi açıklamakla kalmıyor, aynı zamanda astrofizik ve kozmoloji için de geniş kapsamlı sonuçlar doğurabilir. Hafif çekirdekler ve antinükleuslar,  kozmik ışınlar  ile yıldızlararası ortam arasındaki etkileşimlerde de üretilir ve   evreni saran karanlık maddeyi içeren süreçlerde de oluşabilirler  . Fizikçiler, hafif çekirdek ve antinükleusların üretimi için güvenilir modeller oluşturarak, kozmik ışın verilerini daha iyi yorumlayabilir ve olası karanlık madde sinyallerini arayabilirler.

ALICE gözlemi, uzayda hafif çekirdek oluşumunu modellemek için sağlam bir deneysel temel sağlıyor. Gözlemlenen hafif çekirdeklerin çoğunun tek bir termal patlamayla değil, sistem soğudukça meydana gelen bir dizi bozunma ve birleşme yoluyla oluştuğunu gösteriyor.

ALICE işbirliği, LHC'nin ikinci çalışma döneminde kaydedilen yüksek enerjili proton çarpışmalarından üretilen döteronları analiz ederek bu sonuçlara ulaştı. Araştırmacılar, kuark-antikuark çiftinden oluşan başka bir parçacık türü olan döteronların ve piyonların momentumlarını ölçtüler. Piyon ve döteron momentumları arasında bir korelasyon buldular; bu da piyonun ve döteronun protonunun veya nötronunun aslında kısa ömürlü bir parçacığın bozunmasından kaynaklandığını gösteriyor.

Delta rezonansı olarak bilinen bu kısa ömürlü parçacık, yaklaşık bir saniyenin trilyonda birinin trilyonda biri kadar kısa bir sürede bir piyon ve bir nükleona, yani bir proton veya bir nötrona bozunur. Nükleon daha sonra yakındaki diğer nükleonlarla birleşerek döteron gibi hafif çekirdekler üretebilir. Bu nükleer füzyon, ana çarpışma noktasından küçük bir mesafede, daha soğuk bir ortamda gerçekleşir; bu da yeni oluşan çekirdeklerin hayatta kalma şansını önemli ölçüde artırır. Bu sonuçlar hem parçacıklar hem de karşı parçacıklar için gözlemlenmiş olup, döteron ve antidöteron oluşumunu aynı mekanizmanın yönettiğini ortaya koymaktadır.

ALICE fizik koordinatörü Alexander Philipp Kalweit, "Bu keşif, ALICE deneyinin aşırı koşullar altında güçlü nükleer kuvveti inceleme konusundaki eşsiz yeteneklerini göstermektedir" dedi.

CERN Hakkında

CERN, Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü, dünyanın önde gelen parçacık fiziği laboratuvarlarından biridir. Örgüt, Fransa-İsviçre sınırında yer almakta olup genel merkezi Cenevre'dedir. Üye Devletleri şunlardır: Avusturya, Belçika, Bulgaristan, Çek Cumhuriyeti, Danimarka, Estonya, Finlandiya, Fransa, Almanya, Yunanistan, Macaristan, İsrail, İtalya, Hollanda, Norveç, Polonya, Portekiz, Romanya, Sırbistan, Slovakya, Slovenya, İspanya, İsveç, İsviçre ve Birleşik Krallık. Kıbrıs, üyelik öncesi aşamada olan bir Ortak Üye Devlettir. Brezilya, Hırvatistan, Hindistan, İrlanda, Letonya, Litvanya, Pakistan, Türkiye ve Ukrayna Ortak Üye Devletlerdir. Japonya ve Amerika Birleşik Devletleri, Avrupa Birliği ve UNESCO gibi şu anda Gözlemci statüsüne sahiptir. JINR'nin Gözlemci statüsü, 25 Mart 2022 tarihli CERN Konseyi Kararı uyarınca askıya alınmıştır. 

Görsel:CERN, LHC'de yüksek enerjili bir çarpışmadan döteronların nasıl üretilebileceğinin gösterimi. Çarpışmadan çıkan bir delta parçacığı bir proton ve bir piyon'a bozunur. Proton, bir nötronla nükleer füzyona uğrayarak döteron oluşturur.