Yapılan Devasa Deney Nötronun İç Yapısına İlk Kez Göz Atılmasını Sağladı

ABD Enerji Bakanlığı'nın Thomas Jefferson Ulusal Hızlandırıcı Tesisi'ndeki (TJNAF) Merkezi Nötron Dedektörü'nden elde edilen veriler, nötron motorunun kuantum haritasının tanımlanmasında şimdiden rol oynuyor.

Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi'nde araştırma direktörü olan Silvia Niccolai, “Bu, nükleonların incelenmesi için oldukça önemli bir sonuç” diyor.

Bir atomun çekirdeği olarak gördüğümüz şey, yapışkan bir gluon alışverişine karşı mücadele eden kuark adı verilen daha küçük parçacıklardan oluşan bir arı kovanıdır. 'Yukarı' olarak adlandırılan bir tada sahip iki kuarkın 'aşağı' olarak adlandırılan bir tada bağlandığı her yerde bir proton bulursunuz. İki aşağı kuark ve tek bir yukarı yaparsanız, bir nötron elde edersiniz.

Kuark üçlülerini bu şekilde tanımlamak, onları bir kartondaki yumurtalar gibi düzenli gösterir. Gerçekte, kuantum rekabetinde var olan ve olmayan kaotik bir parçacık ve antiparçacık fırtınası ile varlıkları uygun bir şekilde düzenlenmiş olmaktan başka bir şey değildir.

Gluon zincirleri içindeki kuark sürülerinin dağılımlarını ve hareketlerini kavramak için fizikçiler geleneksel olarak nükleer parçacıkları elektronlarla vurmuş ve minik mermilerin nasıl sektiklerini gözlemlemişlerdir. Bu deneylerin sonuçlarını daha kolay açıklayabilmek için teorisyenler, farklı kuantum çerçeveleri altında çalışan kuark ve gluon birimlerini parton olarak adlandırmaktadır.

Son yıllarda, CEBAF Büyük Kabul Spektrometresi ve TJNAF'taki yükseltmesini kullanan yüksek enerjili parçacık hızlandırıcı deneyleri, protonun parton bulmacasını deşifre ederek, nükleonun kütlesi ve boyutu arasındaki kafa karıştırıcı tutarsızlığı içeren gizemleri çözdü

Nötronlar, elektron şarapnellerini spektrometrenin dedektörünün erişemeyeceği açılarda saçarak kırılması daha zor bir ceviz olmuştur.

Niccolai, “Standart konfigürasyonda, bu açılarda nötronları tespit etmek mümkün değildi” diyor.

2011 yılında CNRS ile işbirliği içinde yeni bir dedektörün inşasına başlandı ve bu dedektör, 2019 ve 2020'deki ilk deneysel çalışmalarda kullanılmadan önce nihayet 2017'de kuruldu.

Deneyin tasarımı sorunsuz olmaktan uzaktı ve ara sıra protonun içeri sızarak sonuçları kirletmesine izin veriyordu. Ancak amaca yönelik olarak tasarlanmış bir makine öğrenimi filtresinin biraz temizlenmesinden sonra sayılar nihayet nötron aktivitesi üzerine teorik modellere uygulanabildi.

Verileri kullanan ilk çalışma, genelleştirilmiş parton dağılımı (GPD) E olarak bilinen nötronlardaki partonların en az anlaşılmış dağılımlarından biri üzerinde çok ihtiyaç duyulan kısıtlamaları ortaya koymuştur.

Deney sonuçlarını protonlarla ilgili önceki verilerle karşılaştıran araştırmacılar, GPD E'nin önemli bir matematiksel özelliğini benzer bir modelden ayırt etmek için kuarklardaki farklılıkları kullandılar.

Niccolai, “GPD E çok önemli çünkü bize nükleonların spin yapısı hakkında bilgi verebilir” diyor.

Kuantum anlamında spin, günlük dünyamızdaki açısal momentuma benzer bir niteliği kapsar. Proton ve nötronları oluşturan kuarkların spinlerine ilişkin daha önce yapılan ölçümler, bu özelliklerin nükleonun toplam spininin yaklaşık yüzde 30'undan fazlasına katkıda bulunmadığını ortaya koymuş ve bu da spin krizi olarak adlandırılan duruma yol açmıştır.

Geri kalan kısmın nereden geldiği, gluonlarla etkileşimlerden mi yoksa daha az anlaşılmış başka bir davranıştan mı kaynaklandığı, gelecekteki deneylerin nihayet çözebileceği bir sorudur.

Atomların kalbinde alev alev yanan ikiz motorları doğru bir şekilde karşılaştıracak bir araca sahip olmanın kuantum mekaniğine dair büyüleyici yeni kavrayışlara yol açacağı neredeyse kesindir.

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.