Proton ve foton arasındaki tepkimeyi haritalandıran yeni bir çalışma, parçacık fiziğinden tıbbi proton terapisine kadar birçok alanda yeni ufuklar açabilir.
Adelaide Üniversitesi’nden fizikçiler, proton içinde etkili olan kuvvetleri haritalandırarak, kuarkların yüksek enerjili fotonlarla çarpıştığında nasıl tepki verdiğini eşi benzeri görülmemiş bir ayrıntıyla ortaya koydu. Çalışmanın sonuçları 19 Şubat 2025’te Physical Review Letters’da yayınlandı. Araştırma, doğanın en temel yapı taşlarından biri olan protonun iç yapısını anlamaya yönelik önemli bir adım olarak görülüyor.
Proton, atom çekirdeğini oluşturan temel parçacıklardan biri olarak tanımlanıyor. Pozitif yüklü bu parçacıklar, atomun kimyasal özelliklerini belirleyen elektronlarla birlikte maddenin temel yapı taşlarını oluşturuyor. Evrendeki bilinen tüm maddeler proton, nötron ve elektronlardan meydana geliyor. Atom çekirdeğinde bulunan protonlar, kuark adı verilen daha küçük parçacıklardan oluşur ve bu kuarklar, “güçlü nükleer kuvvet” adı verilen temel bir kuvvetle birbirine bağlanıyor. Bu kuvvet evrendeki 4 temel kuvvetten birisi.
Protonların nasıl davrandığını anlamak, hem fizik kuramlarının test edilmesi hem de modern teknolojilerde (örneğin nükleer enerji ve tıbbi görüntüleme) daha iyi uygulamalar geliştirilmesi açısından büyük önem taşıyor.
Foton ve protonun etkileşimi
Foton, elektromanyetik kuvveti taşıyan temel bir parçacık ve ışığın da temel bileşeni olarak biliniyor. Yüksek enerjili fotonlar, parçacık fiziği deneylerinde maddenin iç yapısını incelemek için kullanılıyor. Bir foton, protona çarptığında, proton içindeki kuarklar bu çarpışmaya farklı şekillerde tepki veriyor.
Bilim insanları, fotonların protonla çarpışmasını inceleyerek, protonun içindeki kuvvet dağılımını haritalandırmayı amaçlıyordu. Bu süreç, özellikle yüksek enerjili çarpışmaların gerçekleştiği Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) gibi tesislerde yapılan deneylerde büyük önem taşıyor. Çünkü bu çarpışmalar, evrenin en temel yapı taşlarını anlamak için kullanılan temel araçlardan biri.
Adelaide Üniversitesi’nden bilim insanları ve uluslararası araştırma ekibi, lattice kuantum renk dinamiği adı verilen güçlü bir hesaplama yöntemiyle proton içindeki kuvvetleri haritalandırdı. Bu yöntem, uzayı ve zamanı küçük bir ızgaraya bölerek, proton içindeki güçlü nükleer kuvvetin dağılımını simüle etmeyi mümkün kılıyor.
Araştırma ekibi, proton içinde etki eden kuvvetlerin büyüklüğünün 500 bin Newton’a kadar ulaşabildiğini ortaya koydu. Bu, yaklaşık on filin ağırlığına eşdeğer bir kuvvetin, bir atom çekirdeğinden bile daha küçük bir alana sıkıştırılması anlamına geliyor. Bu kuvvet haritaları, protonun iç dinamiklerini anlamak ve yüksek enerjili çarpışmalarda nasıl davrandığını keşfetmek için yeni bir bakış açısı sunuyor.
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ve proton deneyleri
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC), dünyanın en büyük ve en yüksek enerjili parçacık hızlandırıcısı olarak tanımlanıyor. Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN) tarafından geliştirilen bu sistem, protonları ışık hızına yakın bir hızda çarpıştırarak temel fizik yasalarını test etmek için kullanılıyor.
Bu tür deneyler, kuarkların ve protonun iç yapısının daha iyi anlaşılmasını sağlıyor. Özellikle Sivers asimetrisi olarak adlandırılan fenomenin araştırılması, proton içindeki kuvvetlerin dağılımı hakkında daha fazla bilgi edinmemize yardımcı olabilir. Sivers asimetrisi, proton içindeki kuarkların, protonun dönüş yönüne (spinine) bağlı olarak nasıl dağıldığını açıklıyor. Bu çalışma, protonun içindeki kuvvetlerin, onun dönüşüne bağlı olarak nasıl değiştiğini gösteren en detaylı haritalardan birini sunuyor.
Protonun iç yapısına dair elde edilen yeni bilgiler, tıpta ve teknolojide önemli uygulamalar geliştirilmesine yardımcı olabilir. Örneğin, kanser tedavisinde kullanılan proton terapisi, yüksek enerjili protonların hassas bir şekilde yönlendirilerek tümörleri hedef almasını ve sağlıklı dokuların zarar görmesini en aza indirmeyi amaçlıyor. Bu tedavi yöntemi, atom tedavisi ismiyle de biliniyor.
Araştırma ekibinden Doç. Dr. Ross Young Adelaide Üniversitesi bültenine verdiği demeçte, yapılan araştırmaların doğanın temel yapı taşlarını anlamada büyük bir adım olduğunu belirterek, “Edison, daha parlak mumlar üretmeye çalışarak ampulü icat etmedi. Işığın maddeyle nasıl etkileşime girdiğini araştıran bilim insanlarının çalışmalarını temel aldı” sözlerini kaydetti.
Proton içindeki kuvvetlerin anlaşılması, gelecekte nükleer enerji, tıbbi görüntüleme, kuantum hesaplama ve parçacık fiziği gibi alanlarda önemli gelişmelere yol açabilir. Araştırmacılar, proton içindeki görünmez kuvvetleri açığa çıkarmanın, bilimin geleceğini şekillendirebileceğini düşünüyor.
Bu çalışma, teori ile deney arasındaki bağı güçlendirerek, evrenin en temel parçacıklarından biri olan protonun davranışlarını anlamaya yönelik önemli bir adım olarak görülüyor. Bilim insanları, bu tür araştırmaların ilerleyen yıllarda daha büyük keşiflere zemin hazırlayacağını ve temel fizik yasalarını daha iyi kavramamıza yardımcı olacağını vurguluyor.
Kaynak: University of Adelaide
