Fizik tarihinde bir ilk: Atom çekirdeğinin resmi

Nükleer fizik deneylerinde şimdiye kadar gözlemlenen atom çekirdeği özelliklerini kuarklar ve gluonların yapısını kullanarak gözler önüne sermenin mümkün olduğuna inanan fizikçiler, nihayet başarıya ulaştıklarını söylüyor. 

Polonya Bilim Akademisi, Nükleer Fizik Enstitüsü’nden (IFJ PAN) bir araya gelen bilim insanları 15 Ekim 2024’te Physical Review Letters’ta yayınladıkları makalede, atom çekirdeğinin ‘tutarlı’ bir resmini oluşturduklarını duyurdu. 

Fizikte, atom altı parçacıklardan biri olan kuarklar kendi aralarında etkileşime girerek, nötron ve protonları oluşturuyor. Gluon ise, kuarklar arasında etkileşimi sağlayarak bir nevi tutkal (glue) görevi görüyor. Varlığı ilk olarak 1960’larda öne sürülen kuarklar ve gluonlar arasındaki bu ilişki, atom çekirdeğinde yalnızca protonlar ve nötronların görülebildiği nükleer deneylerin sonuçlarını, kuark-gluon modeliyle yeniden ortaya koyabilmek açısından büyük önem taşıyor. 

IFJ PAN’da yürütülen çalışmanın teorisyenlerinden Aleksander Kusina’ya göre ‘atom altı’ tabiri, gözlemlenemeyecek kadar küçük nesneleri ifade etse de, nükleer fizikte atom çekirdeklerinin gözlemlenmesi, insanın çevresindeki nesneleri gözlemlemesine oldukça benziyor. 

İnsan, çevresindeki nesneleri oluşturan atomlar ve moleküllerle ‘etkileşime’ girmiş fotonları algılayabilen dedektörlerini, yani gözlerini kullanıyor. Fizikçiler ise atom çekirdeklerini gözlemleyebilmek için onları daha küçük parçacıklarla çarpıştırarak, bu ‘etkileşimin’ sonuçlarını analiz ederek bilgi ediniyor. 

Fotonların elektriksel yükü nötr olduğu için atom çekirdeğini gözlemlemek için gerekli olan çarpışmada kullanılması deneyleri zorlaştırıyor. Bu nedenle çarpışmayı sağlamak için elektriksel yük taşıyan parçacıklar, yani elektronlar kullanılıyor. 

Tutarlılık nasıl sağlandı?

Elektronlar atom çekirdekleriyle çarpıştırıldığında, nispeten düşük enerjilere sahipse atom çekirdeklerindeki proton ve nötronlarla; yüksek enerjilere sahipse de kuarklar ve gluonlarla etkileşime giriyor. Bu gerçek uzun zamandır bilinse de, bu iki farklı etkileşimin şimdiye dek ‘tutarlı’ bir şekilde birleştirilemediği belirtiliyor. 

Düşük enerjili elektronlar atom çekirdeğinin kuark ve gluon seviyesine kadar inemiyor. Bunun yerinde çekirdekteki proton ve nötronlarla etkileşime giriyorlar. Bu etkileşimler kuantum elektromanyetiği (QED) teorisi çerçevesinde incelenebiliyor.

Yüksek enerjili elektronlar ise atom çekirdeğinin kuark ve gluon seviyesine inerek etkileşime girebiliyor. Bu seviyedeki etkileşimler çok daha karmaşık ve parçacıkların temel yapılarına dair süreçleri içerdiğinden, kuantum renk dinamiği (QCD) teorisi çerçevesinde incelenebiliyor.

Düşük ve yüksek enerjili elektronların atom çekirdekleriyle girdikleri etkileşimler farklı fiziksel süreçlere ve teorik çerçevelere dayandığından aynı anda gözlemlenmesi mümün olmuyor. Etkileşimlerden elde edilen veriler farklılık gösteriyor.

Ortaya çıkan bu farklar ‘tutarsızlık’ olarak görülüyordu. Elektronların enerji seviyesine bağlı olarak proton-nötron veya kuark-gluonlar ile girdiği etkileşimlerin sonuçları birleştirilebilirse, ortaya çıkacak sonucun ‘tutarlı’ bir atom çekirdeği tasviri olacağı düşünülüyordu.

Polonya Bilim Akademisi Nükleer Fizik Enstitüsü’nden bilim insanları, atom çekirdeğinin yüksek ve düşün enerjili elektronlarla çarpıştığında girdiği etkileşimin sonuçlarını birleştirebilmek için, CERN laboratuvarındaki LHC hızlandırıcısını (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) kullandılar. 

Proton ve nötron dağılım fonksiyonlarını (PDF) inceleyen fizikçiler geliştirdikleri matematiksel yöntemlerle elde ettikleri PDF verilerinin QCD karşılıklarını formüle etti. Böylece yüksek ve düşük enerjili elektronların atom çekirdeğiyle girdiği etkileşimler aynı teorik çerçevede ifade edilebildi.

IFJ PAN’dan bir araya gelen fizikçiler bu yöntemle atom çekirdeğinin ilk ‘tutarlı’ resmini oluşturuyor, ve fizik tarihinde bir ilke imza atıyor. 

Kaynak: IFJ PAN