CERN'de Bilim İnsanları Yapay Uzay Plazmaları Üretiyor

Plazma "ateş topları" kara delikler ve nötron yıldızlarının etrafındaki derin uzayda yaygın olarak bulunur. Ancak, Dünya'da bu plazmaların yapay versiyonlarını oluşturmak, yüksek enerjiler gerektirdiği için zordur. CERN'deki fizikçiler, nükleer araştırma tesisinin Süper Proton Senkrotron (SPS) hızlandırıcısını kullanarak göreli elektron-pozitron çiftlerinin yoğun ışınlarını oluşturarak laboratuvarda ilk defa bu tür plazmaları üretmeyi başardılar. Bu çalışma, gama ışını patlamaları (GRB'ler) ve aktif galaktik çekirdeklerde (AGN'ler) meydana gelen aşırı astrofiziksel emisyon süreçlerini anlamamıza yardımcı olabilir.

Genel olarak, plazma o kadar sıcak bir gazdır ki, bazı veya tüm atomları elektronlara ve iyonlara ayrışır ve bunlar serbestçe hareket edebilir. Ancak, kara delikler ve nötron yıldızları gibi astrofiziksel cisimlerin çevresindeki aşırı koşullarda, yığılma disklerinden kaynaklanan jetler ve pulsar rüzgarları baskındır. Bu ortamlarda, plazmalar ışık hızına yakın hızlarda hareket eden madde-antimadde çiftlerinden (elektronlar ve pozitronlar) oluşur. Bu göreli elektron-pozitron plazma ışınları, Dünya'ya doğru yönlendirilmiş astrofiziksel jetler üreten aktif galaktik çekirdekler (AGN) olan blazarlarda da gözlemlenir.

İngiltere'deki Oxford Üniversitesi'nde doktora öğrencisi olan ve Nature Communications'da yayımlanan bu çalışmanın baş yazarı Charles Arrowsmith, elektron-pozitron çifti plazmalarının, madde ve antimadde bileşenleri arasındaki simetri nedeniyle geleneksel elektron-iyon plazmalarından farklı davrandığını belirtiyor. Arrowsmith, "Bu uzay plazmalarının, gama ışını patlamalarından (GRB'ler) ve aktif galaktik çekirdeklerin (AGN) jetlerinden gelen emisyonları açıklamada önemli bir rol oynadığı düşünülüyor, ancak şimdiye kadar bu teorilerimizi mikro ölçekte doğrulamanın tek yolu sayısal simülasyonlardı," diyor. "Kontrollü laboratuvar deneyleri yapabilmek, gelecekte heyecan verici bilimsel keşiflerin önünü açacak onlarca yıllık bir arayışı gerçekleştiriyor."

Oxford'daki Gianluca Gregori'nin ekibinde yer alan Arrowsmith, ABD'deki Rochester Üniversitesi'ndeki Lazer Enerjisi Laboratuvarı'ndan Dustin Froula ve Daniel Haberberger ile birlikte, SPS'nin 440 GeV/c hızındaki ışınını kullanarak plazmalar üretmek üzere çalıştı. Deneylerinde, her biri durağan kütlesinin 400 katı kadar kinetik enerjiye sahip 300 milyar proton kullandılar. Arrowsmith, "Bir proton bu kadar yüksek bir momentumla bir atomu parçaladığında, kuarklar ve gluonlar gibi iç bileşenleri serbest bırakacak yeterli enerjiye sahip olur," diyor. "Bu süreç, sonunda elektronlara ve pozitronlara dönüşen bir parçacık (pionlar, kaonlar ve diğer hadronlar) duşu oluşturur."

SPS'de üretilen elektron-pozitron ışınlarının parçacık yoğunluğunun, gerçek astrofizik plazmalar gibi davranmaları için yeterince yüksek olduğunu belirtiyor. Çift ışınların ölçülen boyutunun, kolektif plazma davranışının ortaya çıkması için gerekli olan karakteristik ölçeklerin boyutunu aştığını ifade ediyor. Arrowsmith, böyle bir ışının "GRB'lerin veya blazar jetlerinin mikrofiziğini deneysel olarak incelemeyi mümkün kılarak laboratuvar astrofiziğinde tamamen yeni bir alan açtığını" söylüyor.

Daha önce böyle çalışmaların mümkün olmadığını, çünkü uydu ve yer tabanlı teleskopların GRB'ler veya AGN'ler gibi uzak ortamlardaki en küçük ayrıntıları çözemediklerini ekliyor. "Artık laboratuvar deneylerimiz, bu uzay plazmalarının davranışını ve içlerinde gerçekleşen emisyon süreçlerinin mikrofiziksel modellerini test edebilecek," diyor.

Yazımın sonuna gelirken çalışma hakkında detaylı okuma yapmak isteyenler okurlar çalışmaya buradan ulaşabilir.