Bu ay kutlama zamanı. Cern, Cenevre’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) dört yeni parçacığın keşfini duyurdu. Bu , 2009’da protonlarla – nötronlarla birlikte atom çekirdeğini oluşturan parçacıklar – çarpışmaya başladığından beri, LHC’nin Nobel ödüllü Higgs bozonuna ek olarak toplam 59 yeni parçacık bulduğu anlamına geliyor. Bu yeni parçacıklardan bazıları yerleşik teorilerimize göre bekleniyordu, bazıları ise 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 Fiziği Standart Modeli. Ve bilim adamları modelin son kayıp parçası olan Higgs bozonunu keşfetti. Bununla birlikte, teori hala tam olarak anlaşılmaktan uzaktır.
Evrenin başlangıcı
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. Güçlü çekimi kuvvetini bir saniyeliğine kapatırsak, tüm madde derhal bir kuark çorbasına döner parçalanır; evrenin başlangıcında kısa bir an için var olan bir durum.
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 hemen hemen 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.
Yalnız kuark yok
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).
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.
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.
Nasıl bağlılar?
Bir başka gizem de, bu parçacıkların nasıl birbirine 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. 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.
Kaynak: The Conversation
