Kuvvetli nükleer etkileşimin sırrı çözülüyor

• Evrenin işleyişini belirleyen dört temel kuvvet arasında en gizemlisi kuvvetli nükleer etkileşimdir. Son yapılan araştırmalar bu gizemin çözülmesi konusunda büyük ilerlemeleri işaret ediyor. 

DOĞAN BARIŞ ABBASOĞLU

Uzun yıllar boyunca, maddenin bir arada durmasını sağlayan kuvvetli nükleer etkileşim bilim insanları tarafından Terra Damnata" (lanetli topraklar) olarak nitelendiriliyordu. Bunun nedeni yapılan deneylerde bir noktadan sonra tüm hesapların çökmesiydi. Yapılan son araştırmalarda artık bu “lanetli topraklar” tam anlamıyla haritalandırıldı. Artık kuvvetli nükleer etkileşimi açıklamaya daha yakınız. 

Dört temel kuvvet

Evrenin işleyişini anlamaya çalışırken karşımıza çıkan en temel gerçeklerden biri, doğadaki tüm fiziksel olayların yalnızca dört temel kuvvet aracılığıyla gerçekleştiğidir. İster yıldızların doğuşunu, ister atom altı parçacıkların etkileşimini inceleyelim, her şey bu dört kuvvetin gözetimi altında gerçekleşir: kütleçekim, elektromanyetik kuvvet, kuvvetli nükleer etkileşim ve zayıf nükleer etkileşim. Bu kuvvetler, evrenin iskeletini oluşturan görünmez bağlardır.

Kütleçekim kuvveti

İlk olarak, hepimizin günlük hayatta farkında olduğu kütleçekim kuvveti, büyük kütleli cisimlerin birbirini çekmesini sağlar. Elma yere düşerken, Ay Dünya etrafında dönerken ya da galaksiler birbirine yaklaşırken hep bu kuvvet devrededir. Kütleçekim, dört kuvvetin en zayıfı olmasına rağmen, menzili sonsuzdur ve evrenin büyük ölçekli yapısını belirleyen ana etkendir. Henüz taşıyıcı parçacığı gözlemlenememiştir; ancak fizikçiler bu kuvvetin, henüz keşfedilmemiş bir parçacık olan graviton aracılığıyla taşındığını varsayarlar.

Elektromanyetik kuvvet

İkinci olarak, elektromanyetik kuvvet, elektrik yüklü parçacıklar arasındaki etkileşimi düzenler. Bu kuvvet sayesinde elektrik, manyetizma ve ışık ortaya çıkar. Atomlar arasındaki kimyasal bağlar da bu kuvvet sayesinde kurulur. Günlük yaşantımızda, elektrikli cihazlardan güneş ışığına kadar pek çok olgu bu kuvvetin eseridir. Elektromanyetik kuvvet, fotonlar aracılığıyla taşınır ve sonsuz menzile sahiptir.

Kuvvetli nükleer etkileşim

Üçüncü kuvvet olan kuvvetli nükleer etkileşim, doğadaki en güçlü kuvvettir. Bu kuvvet, atom çekirdeğinin içinde kuarkları bir arada tutarak protonları ve nötronları oluşturur. Ardından bu parçacıklar, yine kuvvetli etkileşim sayesinde bir arada durur ve çekirdek oluşur. Ancak bu muazzam gücün etkisi sadece çok kısa mesafelerde, yani atom çekirdeği ölçeğinde geçerlidir. Kuvvetli etkileşimin taşıyıcı parçacıkları ise gluonlardır. Bu kuvvet sayesinde madde, bildiğimiz biçimiyle var olabilir; aksi takdirde atomlar birbirinden ayrılıp dağılırdı.

Zayıf nükleer etkileşim

Son olarak, doğanın en az bilinen ama hayati rollerinden birini üstlenen zayıf nükleer etkileşim vardır. Bu kuvvet, bazı atom çekirdeklerinin zamanla parçalanmasına neden olan radyoaktif bozunmalardan sorumludur. Güneş’in enerjisini sağlayan nükleer füzyon süreçleri de bu kuvvetin bir sonucudur. Zayıf etkileşimin taşıyıcıları W+, W− ve Z bozonlarıdır. Etki alanı çok kısadır ama evrendeki enerji dönüşümlerinde temel rol oynar.

Bu dört kuvvet, birlikte çalışarak evrenin oluşumunu, yapısını ve dinamiklerini belirler. Modern fizik, özellikle bu kuvvetleri tek bir teoride birleştirmeye çalışarak “her şeyin teorisi”ni bulmayı amaçlamaktadır. Elektromanyetik kuvvet ile zayıf kuvvetin daha önce “elektrozayıf kuvvet” altında birleştirilmesi bu çabaların ilk adımlarındandı. Şimdi hedef, kütleçekimi de kapsayan kapsamlı bir birleşik teoriye ulaşmaktır.

Evrendeki her şey –bir yıldızın parlaması, bir yaprağın yere düşmesi, bir atomun parçalanması– bu dört kuvvetin etkisiyle gerçekleşir. Doğayı anlamak, bu kuvvetleri anlamaktan geçer. 

Kuvvetli nükleer etkileşimin gizemi

Bu kuvvetlerden en gizemlisi kuvvetli nükleer etkileşimdir. Atomların iç yapısından nötron yıldızlarına, evrendeki bilinen maddenin yüzde 99’una kadar her şey bu etkileşimle açıklanıyor. Basitçe ifade etmek gerekirse eğer 70 kiloluk bir insansanız, bunun 69 kilosu vücudunuzdaki atomları oluşturan parçaların içindeki gluonların şiddetli dansından kaynaklanıyor. 

Kuvvetli nükleer etkileşim atom altı parçacıkları olan kuarkları bir arada tutarak proton ve nötronları oluşturur, daha sonra da bu tanecikleri atom çekirdeğine dönüştürür. Ancak bu kuvvet, yalnızca son derece kısa mesafelerde çalıştığı için doğrudan gözlemlememiz mümkün değildir.

İlginç bir şekilde, bu kuvvet kütle çekim kuvvetinden 10^38 kat daha güçlü olmasına rağmen, bilim insanları bu kuvvetin gerçekte ne kadar güçlü olduğunu hala tam olarak bilmiyorlardı. Bunun sebebi, kuvvetin teorik modeli olan Kuantum Renk Dinamiği (QCD) teorisinin aşırı karmaşık yapısından kaynaklanmaktadır.

Kuvvetli etkileşimin şiddeti: αs sabiti ve belirsizlik

Kuvvetli kuvvetin gücünü tanımlayan sabit, αs (alfa-s) ile ifade edilir. Elektromanyetik kuvvetin çok hassas ölçümlerine karşılık, αs sabiti hakkında sahip olduğumuz bilgiler milyonda bir hassasiyet bile taşımamaktadır. Bu durum, çok temel bir fiziksel kuvvetin şaşırtıcı derecede gizemli kalması anlamına gelir.

Üstelik bu belirsizlik, yalnızca yüksek enerjili olaylar için geçerlidir. Günlük yaşamda var olan düşük enerji düzeninde, kuvvetli etkileşim çok daha yoğun hale gelirken, αs de kontrol edilemez bir biçimde artar. Bu durum fizikçiler için "Terra Damnata" (lanetli topraklar) olarak adlandırılan bir bölgeyi işaret eder, yani klasik hesaplama tekniklerinin çöktüğü, sonsuzlukların ortaya çıktığı bölge.

Gluonlar, Kuantum halkalar ve değişen kuvvet

Kuvvetli etkileşimin karmaşıklığının kaynağı, gluonların yani bu kuvvetin taşıyıcılarının kendi kendileriyle etkileşime girmesidir. Bu, elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı olan fotondan temel farkıdır. Gluonlar renk yükü taşıdığı için, çok sayıda içsel etkileşime girerek hesaplamaların karmaşıklaşmasına neden olur.

Kuantum halkaları sayesinde αs sabiti, mesafeye bağlı olarak değişir. Mesafe arttıkça elektromanyetik kuvvetin etkisi azalırken, kuvvetli etkileşimin etkisi artar. Bu nedenle kuarkları birbirinden ayırmak neredeyse imkansızdır. Bu duruma konfinman (hapislik) denir.

Deneysel kırılma: çökme beklenen noktada durgunluk

1990'larda Jefferson Lab'da çalışan Alexandre Deur, kuark spinlerini ölçtüğü bir deney sırasında, αs'in uzak mesafelerde sabitlendiğini fark etti. Bu, fizik kuramlarına büyük bir meydan okumaydı. Teorik olarak sonsuzluğa gitmesi gereken bir sabit, sabitleniyordu. Bu sabitleşme, daha sonra Brodsky ve Roberts'in geliştirdiği holografik bir deneyde de görüldü.

Holografik Yöntem, beş boyutlu kurgusal bir uzayda hesaplanan küçük çapta etkileşimleri alır ve dört boyutlu gerçek dünyaya uygular. Bu teknikle elde edilen αs eğrisi, Deur'un deneysel verileriyle neredeyse birebir örtüştü.

Fizikçiler, hem yukarıdan-aşağı (gluon davranışlarına dayalı) hem de aşağıdan-yukarıya (deneysel veriye dayalı) yaklaşımlarla αs'in uzun mesafelerde nasıl davrandığını yeniden hesapladı. Ortaya çıkan birleşik QCD eğrisi, Deur'un ölçümleri ve Brodsky'nin holografik hesaplamaları ile birebir uyumluydu.

Artık elimizde bir harita var

Bu gelişme, ilk kez kuvvetli kuvvetin her enerji düzeyinde ve her mesafe aralığında tanımlanmasını sağladı. "Lanetli Topraklar" artık bilimsel olarak adım atılabilir bir alan.

Sonsuzluk üreten kuantum elektromanyetik teorisinin tersine, kuvvetli etkileşimi kendi çözümlerini kendi yaratabiliyor. Belki de bu teori, gelecekte sicim teorilerinden ya da 10 boyutlu uzaylardan çok daha sade ve güvenilir bir yol haritası sunacak.

Evrenin derinliklerine giden yolda, artık elimizde bir harita var. Yakın bir gelecekte maddenin oluşumu, evrenin varlık temelleri konusunda çok daha kesin bilgilere ulaşmamız artık çok daha olası.