Bu ay kutlama zamanı. CERN, Cenevre’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) dört yeni parçacığın keşfini duyurdu.
Bu, LHC’nin 2009’da protonlarla (nötronlarla birlikte atom çekirdeğini oluşturan parçacıklar) çarpışmaya başladığından beri Nobel ödüllü Higgs bozonuna ek olarak toplam 59 yeni parçacık bulduğu anlamına geliyor.
Heyecan verici bir şekilde, bu yeni parçacıklardan bazıları yerleşik teorilerimize göre beklenirken, bazıları tamamen daha şaşırtıcıydı.
LHC’nin amacı, maddenin yapısını laboratuvarda şimdiye kadar incelenen en kısa mesafelerde ve en yüksek enerjilerde keşfetmek – mevcut en iyi doğa teorimizi test etmek: Parçacık Fiziğinin Standart Modeli. Ve LHC malları teslim etti – bilim adamlarının modelin son kayıp parçası olan Higgs bozonunu keşfetmelerini sağladı. Bununla birlikte, teori hala tam olarak anlaşılmaktan uzak.
En sıkıntılı özelliklerinden biri, atom çekirdeğini bir arada tutan güçlü kuvveti tanımlamasıdır. Çekirdek, her biri kuark adı verilen üç küçük parçacıktan oluşan proton ve nötronlardan oluşur (altı farklı tür kuark vardır: yukarı, aşağı, tılsım, garip, üst ve alt).
Güçlü kuvveti bir saniyeliğine kapatırsak, tüm madde derhal gevşek kuarklar çorbasına parçalanır – evrenin başlangıcında kısa bir an için var olan bir durum.
Bizi yanlış anlamayın: İddiaya göre “kuantum kromodinamiği” olarak adlandırılan güçlü etkileşim teorisi çok sağlam bir temele dayanıyor. Kuarkların gluon adı verilen parçacıkları değiştirerek güçlü kuvvet aracılığıyla nasıl etkileşime girdiğini açıklar. Gluonları daha tanıdık olan fotonun analogları, ışık parçacığı ve elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı olarak düşünebilirsiniz.
Bununla birlikte, gluonların kuarklarla etkileşim biçimi, güçlü kuvvetin elektromanyetizmadan çok farklı davranmasına neden olur. İki yüklü parçacığı birbirinden ayırdıkça elektromanyetik kuvvet zayıflarken, iki kuarkı ayırdığınızda güçlü kuvvet aslında daha da güçlenir.
Sonuç olarak, kuarklar, proton ve nötronları içeren hadron adı verilen parçacıklar – iki veya daha fazla kuarktan oluşan parçacıklar – içinde sonsuza kadar kilitli kalırlar. Elbette, Cern’de yaptığımız gibi, onları inanılmaz hızlarda parçalamazsanız.
Konuyu daha da karmaşık hale getirmek için, standart modeldeki tüm parçacıklar, kendileriyle neredeyse aynı, ancak zıt yüke (veya başka kuantum özelliğine) sahip antiparçacıklara sahiptir. Bir protondan bir kuarkı çıkarırsanız, kuvvet sonunda bir kuark-antikuark çifti oluşturacak kadar güçlü olacaktır ve yeni oluşturulan kuark protona girecektir.
Sonunda bir proton ve yepyeni bir “mezon”, bir kuark ve bir antikuarktan oluşan bir parçacık elde edersiniz. Bu garip gelebilir, ancak evreni en küçük ölçeklerde yöneten kuantum mekaniğine göre, parçacıklar boş uzaydan fırlayabilir.
Bu, deneylerle defalarca gösterilmiştir – hiç yalnız bir kuark görmedik. Güçlü kuvvet teorisinin hoş olmayan bir özelliği, elektromanyetizmada basit bir sürecin ne olacağına ilişkin hesaplamaların imkansız bir şekilde karmaşık hale gelebilmesidir. Bu nedenle kuarkların kendi başlarına var olamayacaklarını (henüz) teorik olarak kanıtlayamayız.
Daha da kötüsü, hangi kuark kombinasyonlarının doğada yaşayıp hangilerinin yaşayamayacağını hesaplayamıyoruz bile.
Kuarklar ilk keşfedildiğinde, bilim adamları teoride birkaç kombinasyonun mümkün olması gerektiğini fark ettiler. Buna kuark çiftleri ve antikuarklar (mezonlar) dahildir; üç kuark (baryon); üç antikuark (antibaryon); iki kuark ve iki antikuark (tetrakuark); ve dört kuark ve bir antikuark (pentakuark) – her kombinasyondaki kuarklar eksi antikuarkların sayısı üçün katı olduğu sürece.
Uzun süre deneylerde sadece baryonlar ve mezonlar görüldü. Ancak 2003 yılında, Japonya’daki Belle deneyi hiçbir yere uymayan bir parçacık keşfetti. Uzun bir tetrakuark serisinin ilki olduğu ortaya çıktı.
2015 yılında, LHC’deki LHCb deneyi iki pentakuark keşfetti.
Yakın zamanda keşfettiğimiz dört yeni parçacığın tümü, bir çekicilik kuark çiftine sahip tetrakuarklar ve diğer iki kuarktır. Tüm bu nesneler, tıpkı proton ve nötronun parçacık olması gibi parçacıklardır. Ancak bunlar temel parçacıklar değildir: kuarklar ve elektronlar maddenin gerçek yapı taşlarıdır.
Büyüleyici yeni parçacıklar
LHC şimdi 59 yeni hadron keşfetti. Bunlar, en son keşfedilen tetrakuarkları ve aynı zamanda yeni mezonları ve baryonları içerir. Tüm bu yeni parçacıklar “tılsım” ve “alt” gibi ağır kuarklar içerir.
Bu hadronları incelemek ilginç. Bize, çok kısa süreler için bile olsa, doğanın kuarkların bağlı bir kombinasyonu olarak kabul edilebilir olduğunu söylerler.
Ayrıca bize doğanın neyi sevmediğini de söylerler. Örneğin, neden tüm tetra ve pentakuarklar bir tılsım-kuark çifti içerir (sadece bir istisna dışında)? Ve neden garip kuark çiftlerine karşılık gelen parçacıklar yok? Şu anda bir açıklama yok.
Bir başka gizem de, bu parçacıkların güçlü kuvvet tarafından birbirine nasıl bağlandığıdır. Bir kuramcı okulu, onları proton veya nötron gibi kompakt nesneler olarak görüyor.
Diğerleri, iki gevşek bağlı hadronun oluşturduğu “moleküllere” benzer olduklarını iddia ediyorlar. Yeni bulunan her hadron, deneylerin kütlesini ve diğer özelliklerini ölçmesine izin verir, bu da bize güçlü kuvvetin nasıl davrandığı hakkında bir şeyler söyler. Bu, deney ve teori arasındaki boşluğu kapatmaya yardımcı olur. Ne kadar çok hadron bulabilirsek, modelleri deneysel gerçeklere o kadar iyi ayarlayabiliriz.
Bu modeller, LHC’nin nihai hedefine ulaşmak için çok önemlidir: standart modelin ötesinde fizik bulmak. Başarılarına rağmen, standart model kesinlikle parçacıkların anlaşılmasında son söz değildir. Örneğin, evrenin oluşumunu tanımlayan kozmolojik modellerle tutarsızdır.
LHC, bu farklılıkları açıklayabilecek yeni temel parçacıkları arıyor. Bu parçacıklar LHC’de görülebilir, ancak parçacık etkileşimlerinin arka planında gizlenmiş olabilir. Veya bilinen süreçlerde küçük kuantum mekanik etkiler olarak ortaya çıkabilirler.
Her iki durumda da, onları bulmak için güçlü gücün daha iyi anlaşılması gerekir. Her yeni hadronla, doğa kanunları hakkındaki bilgimizi geliştirerek, bizi maddenin en temel özelliklerinin daha iyi bir tanımına götürüyoruz.
Patrick Koppenburg, Parçacık Fiziği Araştırma Görevlisi, Hollanda Ulusal Atomaltı Fizik Enstitüsü ve Harry Cliff, Parçacık fizikçisi, Cambridge Üniversitesi.
Bu makale The Conversation’dan Creative Commons lisansı altında yeniden yayınlanmıştır. Orijinal makaleyi okuyun.
.