Evren, akışkan bir yapıya sahip ve bu durum yalnızca spiritüel bir benzetme değil. Parçacıklar ve sistemler, enerjilerini düşürmek için sürekli bir eğilim gösterir. Ağır parçacıkların daha hafif olanlara bozunması da buna bir örnektir.
Protonlar, bu enerji dağılımında en alt seviyede yer alır. En hafif baryon (kuarklardan oluşan temel bir alt atomik parçacık) olmaları nedeniyle şimdiye kadar herhangi bir proton bozunumu gözlemlenmemiştir.
Ancak şimdi araştırmacılar, protonların belirleyici özelliklerinden birinin varsaydığımızdan farklı çalışabileceğine dair güçlü kanıtlar buldu. Bu bulgu, evrendeki maddenin bir arada nasıl tutunduğuna dair uzun süredir devam eden bir gizemi aydınlatmaya yardımcı olabilir.
Protonların bu görünürdeki kararlılığı, maddeyi antimaddedan ayıran baryon sayısı korunumu ile yakından ilişkilidir.
Geleneksel olarak, baryon sayısının protonlar ve nötronlar gibi baryonları oluşturan üç valans kuark tarafından taşındığı varsayılmaktadır.
Ancak şimdi, yıllarca süren belirsizliğin ardından, yüksek enerjili parçacık çarpışmalarını kullanan çığır açıcı yeni bir çalışma, bu basit valans kuark modeline karşı en güçlü deneysel kanıtları sundu.
Science dergisinde yayınlanan çalışma, baryon sayısının aslında parçacığın Y şeklindeki "baryon kavşağı" tarafından taşındığı fikrini destekliyor. Bu kavşak, baryonları bir arada tutan yapıştırıcı görevi gören kütlesiz gluonlar tarafından oluşturulur.
Bu fikir 1970'lerde ortaya atılmış olsa da, fizikçiler bu iki rakip teoriyi şimdiye kadar tam olarak test edememişlerdi. Bu durum, temel bir muammanın aydınlatılmasına olanak sağladı:
Araştırmacılar, "Baryon kavşağının üç ucu valans kuarklarına bağlıdır ve bu durum, kavşağın mı yoksa valans kuarklarının mı baryon sayısını taşıdığı konusunda çoğu fiziksel süreç için ayırt edilemez hale getirir," diye yazıyorlar.
"Bu nedenle, her iki senaryo da deneysel olarak kesin olarak doğrulanmamıştır."
Parçacık fiziğindeki bu tür gizemleri çözmenin en iyi yolu, parçacıkları ışık hızına yakın hızlarda birbirine çarpmaktır.
Bu amaçla, STAR İşbirliği adı verilen büyük bir araştırma ekibi, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda (New York) bulunan ve artık emekliye ayrılmış olan Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı'nda (RHIC) üretilen farklı türdeki çarpışmaların sonuçlarını analiz etti.
Ekip, foton nükleer çarpışmaları ve izobar nükleer çarpışmalarının sonuçlarını inceleyerek, bunları yüksek enerjili parçacık çarpışmalarını simüle eden çeşitli hesaplama modelleriyle karşılaştırdı.
İzobar nükleer çarpışmaları, aynı kütle numarasına sahip iki çekirdeğin çarpışmasını içerir. Bu çarpışmalarda, farklı çekirdek türleri (bu durumda rutenyum ve zirkonyum atom çekirdekleri) arasındaki net elektrik yüküne göre taşınan net baryon sayısı ölçülür.
Bu çarpışma türü, valans kuarklarının elektrik yükü taşıdığı, ancak kavşağın sıfır elektrik yükü taşıdığı bilindiği için belirli bir imza oluşturmalıdır.
Araştırmacılar, baryonların, yüklü valans kuarklarından daha az yavaşlayan kavşak tarafından taşındığını, dolayısıyla çarpışma bölgesinin yoğun ve enerjik ortamından daha uzağa gittiğini buldular.
Diğer yandan, foton nükleer çarpışmaları, fotonların (ışık parçacıkları) ve atom çekirdeklerinin altın atomları gibi yüksek hızlarda birbirlerine yaklaşırken etkileşimlerini inceler.
Bu inanılmaz hızlarda, pozitif yüklü altın çekirdekleri bir elektromanyetik alan oluşturur, yani temel olarak sanal, "yarı-gerçek" bir foton oluşturur.
Kent State Üniversitesi'nde fizikçi ve STAR İşbirliği üyesi Zhangbu Xu, daha önceki bir makalesinde, "İyonlar ışık hızına yakın hareket ettiğinde, altın çekirdeği etrafında bir foton bulutu oluşur ve bu fotonlar çekirdekle birlikte hareket eder," diye açıklıyor.
Bu geçici fotonlar daha sonra altın çekirdekleriyle çarpışarak, baryon sayısı taşınımına dair "temiz" bir görünüm sunar. Sonuçta ortaya çıkan "kalıntılardaki" tüm baryonlar altın çekirdekleriyle ilişkilendirilmelidir.
Başka bir deyişle, gelen foton sıfır baryon sayısı taşıdığı için, etkileşimden sonra ölçülen herhangi bir net baryon sayısı nihayetinde altın çekirdeğinden gelmelidir.
İzobar deneylerinde olduğu gibi, bu sonuçlar Regge teorisinin tahminleriyle uyumlu görünüyor. Regge teorisi, valans kuark tabanlı simülasyonlardan daha iyi bir şekilde baryon kavşağını içerir.
Araştırmacılar, "Bu sonuçlar, STAR'ın çeşitli ışın enerjilerinde Au+Au çarpışmalarından daha önce rapor ettiği verilerle destekleniyor ve valans kuark resmini zayıflatıyor," diye yazıyor.
Eşlik eden bir Science Perspektifi'nde Mississippi Eyalet Üniversitesi'nden fizikçi Wenliang Li, yeni ölçümlerin gluonların baryon sayısı taşınımına katkıda bulunabileceğini gösterse de, altta yatan mekanizmanın doğrudan, sıkı kontrollü bir ölçümünü sağlamadığını vurguluyor.
Daha fazla araştırma ile, bu durum nihayetinde evrenin gördüğümüz şekliyle var olmasını sağlayan madde ve antimadde dengesizliğini, en büyük kozmik gizemlerden birini anlamamıza yardımcı olabilir.
Li, "Kuarkların mı yoksa gluon alanının mı baryon sayısını taşıdığını belirlemek, atom altı parçacıklar arasındaki güçlü etkileşimin kararlı maddeyi nasıl düzenlediğini ve evrendeki madde ile antimadde arasındaki dengesizliğe neyin neden olduğunu anlamaya katkıda bulunabilir," diye yazıyor.
Gelecekte, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nın yeni ve güçlü Elektron-İyon Çarpıştırıcısı gibi cihazlarla daha fazla atom çarpışması gerçekleştirilecek.
Araştırmacılar, "Mevcut ve alternatif teorilere ilişkin daha fazla inceleme gereklidir; bu tür teorilerin geçerli olabilmesi için, gözlemlenen tüm olguları aynı anda açıklayabilmeleri gerekir," sonucuna varıyorlar.
"Ve bugüne kadar, yalnızca baryon kavşağı çerçevesi niteliksel olarak tutarlı kalmaktadır."
Bu araştırma Science dergisinde yayınlanmıştır.
