Kuarkların ortaya atılmasından uzun bir süre boyunca hiç bir parçacık fiziği dedektöründe doğrudan gözlenememiş olmaları, bu teorileri ortaya atanlar tarafından dahil uzun bir süre ciddiye alınmamasına neden olmu; ta ki bahsi geçen kuvvet daha da iyi anlaşılıp kuarkların deneylerde nasıl ortaya çıkacağı ortaya konana kadar. Kuarklar arasındaki güçlü kuvvet, elektromanyetik ve kütleçekim kuvvetinden farklı olarak kuarklar arasındaki uzaklık arttıkça daha da artmakta. Bu durum, bir parçacık hızlandırıcıda çarpışma sırasında örneğin protonların yapısından serbest kalan kuarklar için epey dramatik sonuçlar doğurmakta. Aşığıdaki görselde görüldüğü üzere iki kuark arasındaki mesafe arttıkça artan kuvvet aralarındaki potansiyel enerjinin de gittikçe artmasına neden olmakta ve kuantum mekaniğinin ortaya koyduğu üzere bu enerji yeterli bir seviyeye geldiğinde aralarında kuark/anti-kuark çifti oluşabilmesine izin veriyor. Bu çiftler doğru konfigurasyonda ilk baştaki çiftlerle eşleşip kuark/anti-kuark çiftleri olan ve dedektörlerde gözlenebilen mezon dediğimiz pion, kaon gibi parçacıkları oluşturabiliyorlar.
Üstte: Çarpışam sonucu oluşan iki kuark (sol üstte) aralarındaki mesafenin artmasıyla artan potansiyel enerji ile yeni bir kuark-antikuark çifti oluşturup, sonrasında bu çiftlerin yol boyunca bozunup yeni çiftler oluşturmalarıyla sağda Feynman diyagramı ile ifade edilmiş, birçok yeni parçacıktan oluşan karmaşık yapıla ortaya çıkıyor.
Kısacası kuarklar hiç bir zaman çekirdek dışında yalnız başına duramıyorlar, 'hadronlaşma' (hadronization) dediğimiz süreçle ilerlerken dedektörlerimizde gözleyebildiğimiz onlarca parçacıklara dönüşüyorlar. Bu yapılar ortaya çıkan kuarkın gidiş yönünde dar bir açıda ('collimated'), birçok yüklü/yüksüz parçacıktan oluşan parçacık fıskıyeleri gibi göründüğünden bunlar Jet olarak isimlendiriliyor. Kısacası jetler dedektörde dar bir koni içerisinde aynı yönden gelen, dedektörün iç kısmındaki izleyicide (tacker) izler bırakıp, dış kısımdaki kalorimetrelerde geniş enerji bırakım kümeleri oluşturuyorlar.
Zıt yönden gelen protonların çarpışmalarıyla ortaya çıkan quark ve gluonlar, yalnız hareket edemedikleri için içinde pion ve kaon gibi parçacıkların olduğu jet adını verdiğimiz yapıları oluşturuyorlar. Bu jetler de enerjilerini kalorimetrede geniş bir alana bırakıyorlar ve bu şekilde tespit ediliyorlar. (Kanak: CMS@CERN)
İki pragrafta parçacık fiziğinin en 'kazık' konusu QCD'yi 'açıkladıktan' sonra, yazının asıl konusuna gelmek gerekirse; katıldığım okuldaki derste okuma ödevi olarak verilen tarihsel bir makaleyi kısaca özetlemek amacım. CERN'de LHC'den önceki proton/anti-proton çarpıştırıcısı SppS'in yaptığı deneylerde ilk defa proton çarpışmalarında ortaya çıkan jetler (hadronik jet) gözlenmiş ve böylece protonların yapısının kuark ve gluonlardan oluştuğu deneysel olarak ortaya konmuş. Geçmişte elektron-pozitron çarpışmalarında gözlenen jetlerden farklı olarak bu proton çarpışmalarından geldiği için hadronik jetler olarak adlandırılan bu jetleri oluşturmak ve tespit etmek epey güç. SppS deneyindeki büyük dedektörlerden biri olan UA2 deneyi bunu aşağıda özeti verilen makale ile başardığını 1982'de duyurdu.
UA2 deneyinde, proton-antiproton çarpışmalarında her iki protondan gelen kuakların aralarında gluon değiş tokuşu ile dedektör içinde iki zıt yöne yol alarak, yol boyunca da bahsettiğimiz süreçle birçok hadron oluşmasıyla karakteristik olarak yüksek enerjili iki jet izi araştırılıyor. Bu özelliğe sahip çarpışmalar ('olay' olarak adlandırılan) sonucunda, dedektörün enerji ölçen kısmı kalorimetredeki enerji kalıntıları inceleniyor. Jetlerin tipik özellikleri çok dar bir açıda onlarca parçacıktan oluşmaları nedeniyle, kalorimetre içindeki yan yana dizilmiş hücrelerde geniş bir alanda yüksek enerji bırakmaları. Kuark dışındaki tekil parçacıklar (elektron, foton vb.) örneğin kalorimetrede daha küçük bir alan içerisinde enerjisini bırakıyor. Ayrıca jetlerin yapısındaki birçok yüklü parçacık dedektörün iç kısmındaki izleyici dedektörde de aynı noktadan çıkmış gibi görünen toplu izler bırakıyorlar. Deneyde alınan verilerden en yüksek enerjili iki jet ve dedektördeki izleyici ile kalorimetrede bıraktığı izler aşağıdaki görselde açık bir şekilde gösteriliyor.
Üstte: En yüksek iki kalorimetre hücre grubunun arasındaki açının dağılımına bakarak büyük bir kısmınının zıt yönlerde (aralarındaki açı 180 derece) olacak şekilde ortaya çıktığı görülüyor.
Tüm bu bulgularla QCD'nin temel öngörülerinden olan protonların yapısındaki kuarklar ve bunların dedektörlerde gözleneceği jet yapıları ilk gez ortaya konmuş oldu. 1900'lerin başında Rutherford'un altın folyolara gönderdiği Helyum çekirdekleri ile ortaya koyduğu çekirdeğin yapısı ancak 1980'lerde açıklığa kavuşturulmuş oldu. Tabii bu keşif fizikte her zamanki gibi her şeye çözüm oluşturmaktan öte birçok yeni problem daha yaratmış oldu. Jetler günümüzün LHC gibi devasa hızlardaki hızlandırıcılarda en çok gözlenen yapılardan birini oluşturuyor ve araştırdığımız süreçlerin arkaplanına dair detaylı bilgiler veriyor. Proton-proton çarpışması gibi ortada yüzlerce kuarkın dolaştığı 'kirli' ortamlarda bu jetleri tespit etmek, oluşturmak ve sınıflandırmak parçacık fiziğindeki en güncel problemlerden birini oluşturuyor. Kısacası keşfinin üzerinden kırk yıl geçmiş olsa da jetler hala bizi uğraştırmaya devam ediyor, uzun bir süre de bu devam edecek gibi duruyor.
- Makalenin orjinalini okumak için: Observation of Very Large Transverse Momentum Jets at the CERN anti-p p Collider
- Bu konu ve deneysel parçacık fiziğindeki keşiflerin makalelerinin orjinallerinin genel bir anlatımla verildiği harika bir kitap için Experimental Foundations of Particle Physics'i öneririm.
0 yorum:
Yorum Gönder