• Protonlar kütle olarak evrendeki görünür maddenin yüzde 86’sını oluşturuyor ama bu parçacıklar hakkında çok az şey biliyoruz.

Cambridge Üniversitesinden fizikçi Harry Cliff, New Scientist dergisinin bu hafta yayınlanan sayısı için protonlarla ilgili bir makale kaleme alarak, evrendeki maddenin temel parçacıklarından biri hakkında ne kadar az şey bildiğimizi anlattı.

Bu makaleden ortaya çıkan sonuçları şöyle özetlemek mümkün:

İngiliz fizikçi Ernest Rutherford’un protonların tüm atom çekirdeklerinin temel yapıtaşı olduğunu göstermesinin üzerinden 100 seneden fazla bir süre geçmesine rağmen protonların tam olarak neden oluştuğundan tutalım, büyüklükleri ve yaşam süreleri de dahil olmak üzere birçok temel konuda neredeyse hiçbir şey bilmiyoruz.

Bilim insanları protonların gizeminin çözülmesinin evreni ve onu yöneten temel yasalar hakkımızdaki kavrayışımızı değiştirecek nitelikte ve önemde olduğunu sık sık vurguluyor. Peki ne protonlar hakkında ne biliyoruz ve neleri bilmiyoruz?

1. Protonlar neden oluşuyor?

Protonların kütlesinin genel olarak toplamda üç quark’tan (iki yukarı bir aşağı quark) oluştuğu söylenir. Bu parçacıklar Büyük Nükleer Kuvvet tarafından kenetlenerek protonu meydana getirir.

Ancak fizikçiler protonu çok daha yüksek çözünürlükte incelemeye başladıklarında bu quarkların etrafında parçacıkların varoluşa girip çıktığı çalkantılı bir kuantum mekanik denizi olduğunu keşfettiler.

İsviçre’nin Cenevre şehrindeki Büyük Hidron Çarpıştırıcısında protonlar birbirileriyle çarpıştırıldığında bunlar çoğu zaman quark-quark çarpışmaları değil, Büyük Nükleer Kuvvet’in taşıyıcı parçası olan gluonların çarpışması olur. Deneyler gluonların sürekli olarak quark-antiquark çiftlerine ayrıldığını gösteriyor.

Bilim insanları kısa ömürlü quark-antiquark çiftlerinin dışında protonun merkezinde kalıcı olarak dolaşan bir charm quarkın da olabileceğin düşünüyor. Bu düşünce ilk bakışta biraz tuhaf çünkü bir charm quark’ın “kütlesi” protonun kütlesinin yaklaşık 1,5 katı. Ama deneyler söz konusu ağır quark’ın protonun kütlesinin yarısını teşkil ettiğini hesaplanıyor. Bilim insanları bu gizemi çözmeye çalışıyor.

2. Bir protonun büyüklüğü ne kadardır?

Bilim dünyasında genel kabul bir protonun büyüklüğünün 0,88 femtometre olduğuydu. Bir milimetrenin 0,88 trilyonda birine tekabül eden bu ölçüm 2010 yılında yapılan bir deneyle değişti. Bilim insanları protonun 0,04 femtometre daha küçük olduğunu tespit etti.

2019'da yayınlanan elektron saçılması ve sıradan hidrojen geçişleri kullanılarak yapılan yeni, geliştirilmiş ölçümler, protonun daha önce düşünülenden daha küçük olduğunu doğruladı.

Dünyada şu anda birçok bilim enstitüsünde protonun büyüklüğü konusunda deneyler yapılmaya devam ediliyor. Protonun gerçekten de daha önce düşünülenden biraz daha küçük olduğunu kesin olarak doğrulamak için yeni deneylerin sonuçlarına da ihtiyaç var.

 

 

3. Bir proton ne kadar esnektir?

Bir protonu quarklar, gluonlar ve diğer geçici parçacıklardan oluşan ve sürekli varoluşa girip çıkan dağınık bir torba olarak düşünebiliriz. Bir protonu elektromanyetik bir alana maruz bıraktığınızda, iç parçaları elektrik yüklerine ve manyetizmalarına bağlı olarak bir o tarafa bir bu tarafa çekilir. Bu da protonların elektrik ve manyetik alanlara tepki olarak doğal bir esnekliğe sahip olduğu anlamına geliyor.

Parçacık fiziğinin standart modeli, bir protonu yakınlaştırıp giderek daha küçük parçalar halinde incelediğinizde, giderek daha az esnek görünmesi gerektiğini öngörür. Bu biraz portakalın yumuşak olmasına karşın çekirdeklerinin sert olmasına benziyor. Ancak 2000 yılında Almanya'nın Mainz kentinde bir parçacık hızlandırıcısı kullanılarak yapılan bir deney, bir enerji alanına yakınlaştırdıkça protonun gerçekten de sertleştiğini, ancak belirli bir ölçekte kısa bir süre için tekrar esnediğini, daha sonra yakınlaştırmaya devam ettikçe tekrar sertleştiğini ortaya koydu.

4. Protonlar bir çekirdeğin içinde ne sıklıkla çarpışır?

Büyük nükleer kuvvet atomun çekirdeğindeki protonları ve nötron adı verilen parçacıkları birbirine bağlar. Ancak bu kuvvet her zaman bir çekim kuvveti değildir. İkişer proton ve nötronu olan atomlarda parçalar arasındaki çekici kuvvet güçlenir ve parçacıkları birbirlerine doğru hızlandırır. Parçalar birbirlerinden bir metrenin katrilyonda biri kadar uzaklaştıklarında, aralarındaki kuvvet aniden itici hale gelir ve birbirlerinden sekerek yüksek hızda ayrılmalarına neden olur.

Karbon ve kurşun gibi elementlerin çekirdekleri üzerinde yapılan önceki çalışmalar, bu kafa kafaya çarpışmaların büyük çoğunluğunun bir proton ve bir nötron arasında gerçekleştiğini, sadece yüzde 3'ünün iki proton arasında olduğunu göstermişti. Ancak 2022 yılında bir grup fizikçi Jefferson Laboratuvarı'nda helyum-3 adı verilen iki proton ve bir nötrondan oluşan bir helyum izotopu ve trityum adı verilen bir proton ve iki nötrondan oluşan radyoaktif bir hidrojen formu kullanarak yaptıkları deneyin sonuçlarını açıkladı. Buldukları şey şaşırtıcıydı.

Çalışma, helyum-3 ve trityuma bir elektron demeti ateşlemeyi ve bunların nasıl dağıldığını izlemeyi içeriyordu. Bunu yaparken ekip, elektronun bir proton-proton veya proton-nötron etkileşiminden geri tepen bir nükleondan ne sıklıkla sıçradığını tahmin edebildi. Daha önceki deneylerde ölçülen yüzde 3 yerine, proton-proton etkileşimleri çarpışmaların yüzde 20'sinede görüldü.

5. Protonlar ölümsüz mü?

Protonlar dışındaki tüm bileşik parçacıklar kısa ve belirsiz bir yaşam sürelerine sahiptir. Örneğin tek başına bir nötron, bozunmadan önce ortalama olarak sadece 15 dakika hayatta kalır. Yine de onlarca yıl süren araştırmalara rağmen, hiç kimse bir protonun öldüğünü gözlemleyemedi.

1980'lerde iki fizikçi ekibi protonların bozunup bozunmadığını bir deneyle tespit etmeye çalıştı. Fizikçiler ABD'deki Erie Gölü'nün altına ve Japonya'nın Hida kentindeki bir madene, her biri dedektörlerle çevrili binlerce ton ultra saf suyla dolu devasa yeraltı tankları yerleştirdiler. Karanlık sudan çıkan bir ışık titremesi bir protonun bozunduğunun habercisi olacaktı, ancak yıllar süren izleme ve beklemeden sonra her iki deney de sonuçsuz kaldı.

1996 yılında, Japon deneyinin 10 kat daha büyük ve Süper-Kamiokande olarak adlandırılan güçlendirilmiş bir versiyonu proton bozunumu arayışını sürdürdü, ancak şimdiye kadar eli boş çıktı.

Bu sonuçtan yola çıkan fizikçiler, protonun ortalama ömrünün 10 üzeri 34  yıldan daha uzun olması gerektiği sonucuna vardılar. Bu rakam evrenin yaşından trilyon trilyon kat daha uzun bir süre.

Bu alanda deneylerini sürdüren fizikçiler Hiper-Kamiokande adı verilen daha da büyük bir dedektör planlıyorlar. Bu deneyde kullanılacak olan tank 260.000 ton su içerecek ve 2027 yılında veri almaya başlayacak. Nihayetinde Hyper-K, ortalama ömürleri bunun için mevcut alt sınırdan 10 kat daha uzun olsa bile bozunan protonları tespit edebilecek.

 

*****

CERN'de pentaquark parçacığı keşfedildi

İsviçre’nin Cenevre şehrinde Büyük Hadron Çarpıştırıcısı kullanılarak garip pentaquark adı verilen yeni bir parçacık türü bulundu.

İsviçre'deki CERN parçacık fiziği laboratuvarının Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki (LHC) araştırmacılar, garip pentaquark adı verilen yeni bir parçacık türü keşfetti.

Uzmanlar sözkonusu keşfin, quarklardan oluşan proton ve nötron gibi atom altı parçacıkların nasıl bir arada tutulduğunu anlamamıza yardımcı olabileceğini düşünüyor.

Pentaquarklar, adlarına uygun olarak, dört quark ve bir antiquarktan oluşuyor. Doğada herhangi bir yerde oluşamayan bu parçacılar olağanüstü derecede nadirdir.

Yeni parçacığı bulan ekibin bir parçası olan İtalya'daki Milano Üniversitesi'nden Elisabetta Spadaro Norella, "Genellikle geleneksel hadronlar iki ya da üç quarktan oluşur, dolayısıyla bu egzotik bir durum" dedi.

Araştırmacılar bu parçacığı, iki proton demetini son derece yüksek enerjilerde birbirine çarptırarak ve parçacıkların kendilerini oluşturan parçalara ayrışırken izledikleri yolları takip ederek buldu.

Fizikçiler son yıllarda dört quarktan oluşan birkaç yeni tetraquark da keşfetti. Norella, "Bu parçacıkların rönesansı gibi bir şey çünkü giderek daha fazla veri topluyoruz ve daha karmaşık bozunumları inceleyebiliyoruz" diyor.

 

*****

Büyük nükleer kuvvet nedir?

Büyük nükleer kuvvet, atom çekirdeğinin proton ve nötronlarını oluşturan temel parçacıklar olan quarkları bir arada tutar ve ayrıca atom çekirdeklerini oluşturmak için proton ve nötronları birleştirir. Bu nedenle maddenin temelindeki kararlılıktan sorumludur. Bu devasa gücü güneşteki nükleer füzyon ya da bir nükleer bombanın patlaması sırasında ortaya çıkan enerjiden hissedebiliriz.

Büyük nükleer kuvvet atom altı ölçeklerde, dört kuvvet arasında açık ara en güçlüsüdür; elektromanyetizmadan 137 kat, zayıf etkileşimden ise bir milyon kat daha güçlüdür. Kütleçekimi ya da yerçekimi bu ölçeklerde tamamen önemsiz olacak kadar zayıftır.

Elektromanyetik kuvveti ileten fotonun elektrik yükü yoktur, ancak güçlü kuvveti ileten gluon olarak bilinen parçacıklar eşdeğer güçlü kuvvet "renk yükü" taşırlar. Bu nedenle kendi kuvvetlerine katılırlar ve kendileriyle etkileşime girebilirler.

Sonuç olarak, elektrik yüklü parçacıklar birbirinden uzaklaştıkça elektromanyetizma zayıflarken, quarkları ve onları birbirine bağlayan gluonları birbirinden ayırmaya çalışırsanız, aralarındaki kuvvet güçlenir ve onları tekrar bir araya getirir.

Asimptotik özgürlük olarak bilinen bu olgu, güçlü kuvvet etkilerinin belirli bir uzunluk ölçeğinin üzerinde asla hissedilmediği anlamına gelir. Aynı zamanda ne quarkların ne de gluonların neden tek başlarına var olamadıklarını da açıklar. Bu parçalar sadece proton ve nötron gibi daha büyük bileşik parçacıkların bir bileşeni olarak ortaya çıkar.

 

*****

Göktaşı geldi geçti gözlemevleri yattı

Geçtiğimiz günlerde 20 katlı bir bina büyüklüğünde bir göktaşı Dünya'ya çok yakın uçtu ve bilim insanları göktaşının geçtiğini iki gün sonra fark etti.

NASA'ya göre, 2023 NT1 olarak adlandırılan yaklaşık 60 metre genişliğindeki uzay taşı 13 Temmuz'da gezegenimizin yanından saatte 86 bin kilometre hızla geçti. Ancak kaya Dünya'ya doğru Güneş yönünden uçtuğu için, bilim insanları bunu fark edemedi.

Bilim insanları sözkonusu göktaşının Dünya için çok büyük bir tehlike olmadığını ifade etse de Güneş parıltısının yaklaşan göktaşlarını gizleyebilme kapasitesi endişe kaynağı oldu.