Kuar-Gluon Plazmasının Yapısı İncelendi: Evrenin İlk Sıvısı

Yeni yöntem, Einstein’ın bıraktığı yerden devam ederek parçacıkların aşırı koşullar altında sıvı içinde nasıl hareket ettiğini öngörüyor.

Jennifer Chu

|

MIT News

Yayın Tarihi

Basın İlişkileri:

Abby

Abazorius

E-posta:

Telefon:

617-253-2709

MIT News Ofisi

Medya İndirmesi

↓

Açıklama

İki altın iyon demeti, Rölativistik Ağır İyon Çarpışmacısında çarpıştığında kuark-gluon plazmasını oluştururlar. Çarpışmadan kısa bir sonra parçacıklar birkaç dedektöre doğru yayılır. Bu, dört dedektörden biri olan STAR’ın arkadan görünümüdür.

Kaynakça

Kaynakça: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı

Büyük Patlama‘nı izleyen ilk kesirlik saniyelerde madde, ışık hızına yakın hızlarda uçuşan kuark ve gluonlardan oluşan trilyon derecelik bir plazma olarak varlığını sürdürdü. Bu kaynayan çorba, parçacıklar daha kararlı proton ve nötronlarda birleşmeden önce yalnızca birkaç mikrosaniye sürdü.

Bu ilkel sıvıyı çalışmak için bilim insanları, iyonların ışık hızına yakın hızlarda çarpıştırıldığı büyük parçacık çarpışmacılarında kuark-gluon plazmasını yeniden oluştururlar. Bu çarpışmalar, yalnızca on septilyonuncu saniyenin bir kısmı var olan, atom çekirdeği boyutunda yaklaşık plazma damlaları yaratır.

Bilim insanlarının bu plazmayı çalışma yöntemlerinden biri, plazmanın parçası olmayan ancak sıvı içinde hareket eden ağır kuarklar gibi diğer parçacıkları izlemektir. Ağır bir parçacığın sıvı içinde nasıl hareket ettiği, sıvının kendisinin mikroskobik yapısı hakkında bir şeyler söylemelidir. Bu genel ilişki, fizikçi Albert Einstein tarafından 1905’te ünlü biçimde ortaya konuldu.

Ancak böyle aşırı koşullarda, parçacıklar ışık hızına yakın hızlarda hareket ettiğinde, Einstein’ın teorisinin içinde bir şeyler bozulmaya başlar; teorinin tam olarak yakalayamadığı plazma içinde etkileşimler vardır.

Şimdi MIT ve California Santa Barbara Üniversitesi’ndeki (UCSB) fizikçiler, Einstein’ın teorisinin kaldığı yerden devam etti. Işık hızına yakın bir hızla hareket eden rölativistik bir parçacığın, içinden süzülürken bir sıvı tarafından nasıl itilip çekileceğini öngören bir teori geliştirdi.

Araştırmacılar, yeni teorisinin, ağır bir kuarkın kuark-gluon plazması içinde nasıl hareket edeceğini öngörmek için kullanılabileceğini hayal ediyor. Bu öngörüler ardından deneylerle karşılaştırılarak kuark-gluon plazmasının mikroskobik yapısı ve evrenin ilk anlarında var olması gereken sıvının ne tür bir sıvı olduğu karakterize edilebilir.

“Sonucumuz, ağır kuarkların hareketlerindeki nadir ve olağandışı derecede büyük değişimler aracılığıyla taşınan yeni bir bilgi kaynağını ortaya koyuyor,” diyor MIT Teorik Fizik Merkezi – Leinweber Enstitüsü’nden yüksek lisans öğrencisi Jean Du Plessis. “Bu büyük değişimlerin ne sıklıkla meydana geldiği, plazmanın mikroskobik doğasına bağlıdır ve kuark-gluon plazmasının içeride gerçekten nasıl olduğunu öğrenmek için yeni bir yol sağlayabilecekleri olasılığını ortaya koyuyor.”

Du Plessis ve UCSB’deki Kavli Teorik Fizik Enstitüsü’nden Bruno Scheihing-Hitschfeld, bulgularını bugün Physical Review Letters dergisinde yayımladı.

Toz tanesinden bir yol

1905’te Einstein, bir parçacığın sıvı içindeki hareketini ve bu hareketin sıvının mikroskobik yapısını nasıl ortaya koyabileceğini betimleyen bir teori geliştirdi. Teorisi, botanist Robert Brown’dan ilham aldı. 1827’de Brown sürpriz bir olgu gözlemledi: Toz taneleri, görünüşte durgun görünen suyun içinde asılı kaldıklarında rastgele titreyip döner gibi görünüyordu. Sıvı içindeki parçacıkların bu merak uyandıran titremesi daha sonra “Brownian hareketi” olarak adlandırıldı.

Einstein’ın 1905 tarihli kuramı, Brown hareketinin sıvının içindeki görünmez, mikroskobik kuvvetlerin bir ürünü olduğunu göstermişti. Bir parçacığın hareketi, sıvının parçacağa yavaşlatmak için uyguladığı sürüklenme ile parçacağı hareket halinde tutan sıvının içindeki rastgele darbelere arasındaki dengeyle belirlenir. Einstein’a göre bu rastgele darbeler, sıvıyı oluşturan atom ve moleküllerin kendisi tarafından uygulanan, sıvının içindeki mikroskobik kuvvetlerden gelmek zorundadır. Bu mikroskobik parçacıkların enerjisi, büyük parçacıkları vurup itecek kadar birikebilir.

İlk kuramını yayınladığından beri bilim insanları, Einstein’ın Brown hareketine ilişkin açıklamasını, kuark-gluon plazması da dahil olmak üzere bir dizi sıvıyı karakterize etmek için kullandı. Diğer çoğu sıvı gibi, kuark-gluon plazması içinde hareket eden bir parçacığın da su içinde hareket eden bir polen taneciğiyle benzer bir mikroskobik darbe dengesi deneyimlemesi varsayıldı.

Bu denge, çan şeklindeki bir olasılık dağılımıyla temsil edilir; burada bir parçacığın, sıvı içinde hareket edip sonunda oraya yerleşirken, orta düzeyde darbe (çanın en yüksek noktası) yaşama olasılığı en yüksektir ve en uç darbelere (çanın kuyruk uçları) eşit derecede düşük bir olasılıkla rastlanır.

“Einstein, sürüklenme ile rastgele darbelerin, bir parçacığın sonunda çevresiyle aynı sıcaklığa ulaşabilmesi için tam doğru biçimde dengelenmesi gerektiğini gösterdi,” diye açıklayan Du Plessis, “Düşündüğü sıvı türleri için doğruydü. Ancak relativistik hızlarda hareket eden parçacıklar için bu ilişki çöker. Ve 20 yıldır bir şeylerin eksik olduğunu biliyoruz. Bu yüzden Einstein’ın yaptığı çalışmanın ötesine geçmek zorundayız.”

Darbe hızı

Yeni çalışmada Du Plessis ve Scheihing-Hitschfeld, ağır bir kuarkın, ışık hızına yakın relativistik hızlarda bir sıvı içinde uçarken muhtemelen deneyimleyeceği kuvvetleri hesapladı. Bunu, kuarkları ve gluonları bir araya getiren temel kuvvet olan güçlü nükleer kuvvetin hesaplamalarını yaparak gerçekleştirdi.

Takım, zayıf etkileşen kuark ve gluonlardan oluşan bir gaz içinde uçan rölativistik bir ağır kuark senaryısıyla başladı. Zayıf etkileşimler, hesaplamaları için yönetilebilir bir başlangıç noktası sağladı.

Bu başlangıç senaryosu için ağır kuarkın güçlü nükleer kuvveti ve kuarkın, kuark ve gluon gazı içinde ilerlerken momentumunun muhtemelen ne kadar değişeceği hesaplandı. Bu hesaplama, kuarkın momentumundaki değişimlerin olasılık dağılımını temsil eden bir eğri üretti. Aynı eğri, kuarkın çeşitli kuvvetlerle vurulma olasılığını da temsil edebilir; daha güçlü vuruşlar kuarkın momentumunda daha büyük değişimler yaratır.

Takımın hesapladığı eğri, kavisli bir biçime sahipti ve Einstein’ın diğer sıvılar için bulduğu şeyle benziyordu, ancak yalnızca küçük vuruşlar için. Einstein’ın kavisli eğrisinin aksine, takımın bulduğu şey, rölativistik hızla hareket eden ağır kuarklar için bir eğrilik gösteriyordu. Eğrinin her iki ucundaki kuyruklar düzensizdi ve ağır bir kuarkın yaşayacağı vuruş türlerinde şaşırtıcı bir dengesizliğe işaret ediyordu.

“Sıradan Brownian görüşü, büyük vuruşların son derece nadir hale geldiğini varsayar,” diyor Du Plessis. “Ancak ağır kuarklar için bu nadir vuruşlar, kavisli eğrinin öngördüğünden daha yaygındır ve zıt yönlerde eşit olasılığa sahip değildir: Kuarkı sürüklenmeden beklenenden daha fazla yavaşlatan büyük bir vuruş, beklenenden daha hızlı hareket ettiren aynı büyüklükteki bir vuruştan daha olasıdır.”

Takım, aynı hesaplamayı farklı parçacıklardan oluşan plazmalarda gerçekleştirdi. Plazmanın bileşiminden bağımsız olarak aynı eğrik eğrinin geçerli olduğunu buldu. Ayrıca, bu aynı yapının, mikroskobik fizik arasındaki farklara rağmen, güçlü eşleşmeli bir plazmadaki daha eski bir hesaplamada zaten gizli durduğunu buldu.

“Görünüşte evrensel bu yapı ilk kez ortaya çıkarıldı ve gerçekten biçimlendirildi,” diyor Du Plessis. “Bu, ağır kuarkları kullanarak kuark-gluon plazmasını daha iyi anlama konusunda somut bir yol önderiyor.”

Evrenin ilk sıvısı açısından bakıldığında, Du Plessis ilkel kuark-gluon plazmasının muhtemelen “Brownian hareketi biçiminde modellenmesinin öne sürdüğünden daha güçlü etkileşimli olduğu” görüşünde. Gazdan çok sıvıya benziyor.”

Bu araştırma kısmen ABD Enerji Bakanlığı Bilim Dairesi Çekirdek Fiziği Ofisi, ABD Ulusal Bilim Vakfı ve Simons Vakfı tarafından desteklenmiştir.

Bu haber makalesini paylaş:

• X

Makale: “Heavy Quark Transport is Non-Gaussian Beyond Leading Logarithm”

• Araştırma
• Astronomi ve astrofizik
• Sıvı dinamiği
• Fizik
• Uzay
• CTP-LI
• Fen Fakültesi
• Enerji Bakanlığı (DoE)
• Ulusal Bilim Vakfı (NSF)