CERN İş Birlikçileri Tılsım Kuark İçeren Parçacıklar için Yeni Sonuçlar Sunuyor

Çeviren/Derleyen: Ümit Sözbilir                    Düzenleyen: Çağla Ayaz

Özet: ALICE, CMS ve LHCb iş birlikleri, tılsım kuark içeren parçacıkların hadronların ve kuark-gluon plazmasının “elçileri” olarak nasıl hizmet edebileceğini gösteren ve bu madde türleri hakkında bilgi taşıyan yeni ölçümler sunmaktadır.

Günümüz evrenindeki görünür maddenin çoğunu oluşturan hadronlar[1] ile erken evrende var olduğu düşünülen ve Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) ağır iyon çarpışmalarında yeniden oluşturulabileceği düşünülen kuark-gluon plazması[2]. Tılsım kuarkları inceleyerek fizikçiler, kuark-gluon plazmasının yanı sıra kuarkların gluonlarla bağlı olduğu hadron parçacıkları hakkında, kaldı ki kuarklar ve gluonlar hadronların içinde sınır değildir, daha fazla bilgi edinebilirler.

Araştırmanın ana sonuçları şu şekildedir:

• LHCb ekibi, tılsım kuarkı içeren bir hadron olan χc1(3872)[3] olarak bilinen parçacığın en hassas ölçümlerini elde etti. Bu parçacık 2003 yılında keşfedildi ve iki kuarklı bir hadron veya tetrakuark (dört kuarklı yapı ya da molekül benzeri bir yapıya sahip, zayıf bir şekilde bağlanmış iki kuark içeren çift kuark yapılı parçacık) gibi daha egzotik[4] bir hadron olup olmadığı uzun yıllar bilinemedi. Bu hadronun yapısını tespit etmek, fizikçilerin kuarkların hadronlara nasıl bağlandığını anlamaları yönündeki bilgilerini genişletebilir.

LHCb sözcüsü Giovanni Passaleva, “Sonuçlarımız, χc1(3872)’in iki kuarklı bir çift parçacığının birbirine zayıf bir şekilde bağlanması ile tutarlıdır ancak bu durum tetrakuark hipotezini veya diğer olasılıkları tamamen dışlamaz.” diyor.

• CMS iş birliği ilk kez B⁰_s adı verilen başka bir parçacığın[5] aynı χc1(3872) parçacığına dönüşümünü veya “bozunmasını” gözlemledi. Araştırmacılar bu bozunmayı daha önce gözlemlenen B+ mezonun[6] bozunmasıyla karşılaştırmışlardı, bu da 2003’te χc1(3872)’in ilk kez saptanmasına yol açmıştı. Her iki bozunma türü de bu hadronun davranışını yukarı ve tuhaf kuarklara bağlar.

CMS sözcüsü Roberto Carlin, “Bozunma oranlarındaki ölçülen farklılıklar ilgi çekicidir ve henüz tam olarak yapısı belirlenmemiş χc1(3872) hakkında daha fazla bilgi sağlayabilir.” diyor.

• ALICE iş birliği, ağır iyon çarpışmalarında tılsım kuarkı içeren hadronların eliptik akışını[7] ölçtü. Hadronlar, kuark-gluon plazması da oluşturan çarpışmalar sırasında yaratılır. Tılsım kuarkı gibi ağır kuarklar içeren hadronlar kuark-gluon plazmasının mükemmel ‘elçileri’dir, yani bu konuda önemli bilgiler taşırlar.

ALICE sözcüsü Luciano Musa, “ALICE tarafından gözlemlenen örüntü, ağır tılsım kuarkların kuark-gluon plazmasının genişlemesi tarafından sürüklendiğini gösteriyor.” diyor.

İleriye dönük olarak, LHC iş birlikleri, büyük ölçüde yükseltilmiş deney kurulumlarından yararlanacak olan bir sonraki LHC çalışmasından elde edecekleri verileri kullanarak kuark dünyasının bu habercilerinin daha hassas ölçümlerini yapmayı amaçlamaktadır.

Bu sonuçların kapsamlı bir açıklaması için lütfen okumaya devam edin.

Hadronlarla İlgili Tılsım Kuarkın Sonuçları

LHCb ve CMS iş birlikleri, χc1(3872) olarak bilinen bir hadron üzerindeki çalışmalarından elde edilen sonuçları açıkladı. Parçacık 2003’te Japonya’daki Belle deneyi tarafından keşfedildi ama iki kuarklı bir hadron veya tetrakuark (dört kuarklı yapı ya da molekül benzeri bir yapıya sahip, zayıf bir şekilde bağlanmış iki kuark içeren çift kuark yapılı parçacık) gibi daha egzotik bir hadron olup olmadığı uzun yıllar bilinemedi. Bu hadronun yapısını tespit etmek, fizikçilerin kuarkların hadronlara nasıl bağlandığını anlamaları yönündeki bilgilerini genişletebilir. CMS ve LHCb iş birlikleri tarafından yapılan yeni çalışmalar, bu parçacığın doğasını kısmen aydınlatsa da henüz tam olarak ortaya koymadı.

Karmaşık analiz teknikleri ve iki farklı veri kümesi kullanan LHCb ekibi parçacığın kütlesinin en hassas ölçümlerini elde etti ve kütlesini ilk kez belirlemiş oldu. Ayrıca beş defadan fazla uygulanan standart sapmanın bilgisiyle, parçacığın ömrünün belirleyen bir parametre olan parçacığın “genişliği” ile ilgili bilgi de elde ettiler.

Şimdiye kadar araştırmacılar sadece bu parametrenin izin verilen değerleri üzerinde üst limitler elde edebilmişlerdi. LHCb araştırmacıları, veri kümelerinde χc1(3872) parçacıklarını, pürüzsüz bir arka plan üzerindeki çarpışma olaylarının bir fazlalığını (çıkıntı) aramak için klasik “tepecik” avlama tekniğini kullanarak tespit ettiler. Her veri kümesi, kütle ve genişliğin ölçülmesine yol açtı ve her iki veri kümesinden alınan sonuçlar birbiriyle tutarlıydı.

LHCb sözcüsü Giovanni Passaleva, “Sonuçlarımız henüz en kesin sonuçlar değil, aynı zamanda χc1(3872) kütlesinin D^{0 ([8])} ve D*^{0 ([9])} tılsım mezonlarının kütlelerinin toplamına oldukça yakın olduğunu gösteriyor.” diyor ve ekliyor “Bu durum, χc1(3872)’in iki kuark içeren bir çift parçacığının birbirine zayıf şekilde bağlanması ile tutarlıdır ancak tetrakuark hipotezini veya diğer olasılıkları tamamen dışlamaz.”

Bu arada, CMS iş birliği üç yıl boyunca kaydedilen büyük bir veri kümesini analiz ederek, ilk kez B⁰_s parçacığının χc1(3872) ve ϕ mezonuna[10] dönüştüğünü veya “bozunduğunu” gözlemledi. İki kuarklı parçacık olan B⁰_s, Belle deneyinin ilk keşfettiği χc1(3872) parçacığının bozunmasında ortaya çıkan B+ mezonuyla akrabadır. LHCb ekibi gibi CMS ekibi de tepecik tekniğini kullanarak χc1(3872)’i tespit etti.

“Sonucumuz özellikle ilginç çünkü B⁰_s parçacığının χc1(3872) hadronuna ve ϕ mezonuna bozunum oranının B⁰ parçacığının χc1(3872) ve bir karşı-K^{0 ([11])} mezonuna bozunum oranına benzer olduğunu bulduk, oysa bu daha önce gözlemlenen B⁺ parçacığının χc1(3872) ve K⁺ mezonuna bozunumuna göre iki kat daha düşüktür.” diyor CMS sözcüsü Roberto Carlin ve sözlerine devam ediyor “Bu bozunmalarda alt kuark dışındaki farklı kuarklar rol oynamaktadır. Bozunma oranlarının belirgin bir örüntü izlememesi gerçeği χc1(3872)’in yapısına ışık tutabilir.”

Kuark-Gluon Plazması ile İlgili Tılsım Kuark Sonuçları

Çalışmanın bir diğer ucundaki ALICE iş birliği, yaptığı ağır iyon çarpışmalarında bir hafif kuarka (D mezonu oluşturan) veya bir karşı-tılsım kuarka (bir J/ψ mezonu[12] oluşturan) bağlanan bir tılsım kuark içeren hadronların eliptik akışını ölçtü. Tılsım ya da alt kuarklar gibi ağır kuarkları içeren hadronlar bu çarpışmalarda oluşan kuark-gluon plazmasının mükemmel habercileridir. Bunlar plazmanın ortaya çıkmasından önce, çarpışmaların ilk aşamalarında üretilirler ve böylece, hızlı genişlemesinden soğumasına ve nihayetinde hadronlara dönüşmesine kadar tüm süreçlerde plazma bileşenleri ile etkileşime girer.

Ağır çekirdekler kafa kafaya çarpışmadığında, plazma uzar ve genişlemesi hadronların momentum dağılımının veya akışının baskın bir eliptik kiplenimine (modülasyonuna) yol açar. ALICE ekibi, düşük momentumda, D mezonlarının eliptik akışının, sadece hafif kuarklar içeren pionlarınkinden daha büyük olmadığını, J/ψ mezonların eliptik akışının ise her ikisinden daha düşük olduğunu ancak yine de belirgin bir şekilde gözlemlendiğini buldu.

ALICE sözcüsü Luciano Musa, “Bu desen ağır tılsım kuarklarının kuark-gluon plazmanın genişlemesi ile sürüklendiğini gösteriyor. Ancak hafif kuarklardan daha az bir ölçüde ve düşük momentumdaki hem D hem de J/ψ mezonlarının kısmen akan kuarkların bağlanması veya yeniden birleşimi ile oluşması muhtemeldir.” diyor.

ALICE ekibi tarafından gerçekleştirilen ve bir alt kuark içeren B hadron bozunumlarından kaynaklanan elektron akışının başka bir ölçümü, alt kuarkların aynı zamanda kuark-gluon plazmasının uzatılmış şekline duyarlı olduğunu gösterir. Bir alt kuark ve karşı-alt kuarktan oluşan upsilon parçacıkları[13], J/ψ gibi bir tılsım ve karşı-tılsım içeren parçacıkların aksine, büyük olasılıkla çok daha büyük kütleleri ve yeniden birleşim için mevcut olan az sayıda kuark sebebiyle önemli bir akış göstermez.

[1] Kuarklardan oluşan yapılardır. Kendi içinde “mezonlar” ve “baryonlar” olmak üzere ikiye ayrılır. Mezonlar iki kuarktan (bir kuark bir de karşı-kuark) oluşurken baryonlar üçlü (kuark veya karşı-kuark) yapıdadır

[2] Büyük Patlamanın hemen ardından, yüksek sıcaklık ve basınç ortamında oluşan maddenin bir hali. Günümüzdeki maddenin oluşmasından önce evreni doldurduğu düşünülüyor. Kuark çorbası olarak da bilinir.

[3] Kuantum sayıları nedeniyle kuark modeline uymayan 3871,68 MeV/c² kütleye sahip egzotik bir mezon adayıdır.

[4] Evrenin ilk aşamalarındaki sıra dışı koşullarda oluşmuş olduğu ve normal şartlarda oluşmayacağı düşünülen parçacıklar. CERN deneylerinde bu tarz parçacıklar da aranmaktadır. Bu parçacıkların keşfi hem Büyük Patlama Kuramının destekleyicisi olacak hem de maddenin yapısı hakkındaki bilgimizi genişletecektir.

[5] Bu parçacık b kuarkı ve tuhaf kuarkı içermektedir. İki kuark içerdiğinden mezondur. Bozunumunda müonlar, pionlar ve kaonlar ortaya çıkmaktadır.

[6] Bir yukarı kuark bir de karşı-alt kuarktan oluşan parçacık. İsminde bulunan +, parçacığın yükünü temsil eder.

[7] Göreceli ağır iyon çarpışmaları, her yönde çok sayıda atomaltı parçacık üretir. Bu tür çarpışmalarda akış, bu parçacıkların enerjisinin, momentumunun ve sayısının yöne göre nasıl değiştiğini ifade eder ve eliptik akış, ışın çizgisi boyunca bakıldığında akışın tüm yönlerde nasıl düzgün olmadığının bir ölçüsüdür. Eliptik akış, kuark-gluon plazmasının varlığına ilişkin güçlü bir kanıttır ve Göreceli Ağır İyon Çarpıştırıcısında (RHIC) ölçülen en önemli gözlemlerden biri olarak tanımlanmıştır. (Kaynak: Vikipedi)

[8] D mezonu. Tılsım kuarkı ve karşı-yukarı kuarkından oluşan bir parçacık. Adında bulunan 0 ise yüksüz olduğunu gösterir.

[9] Uyarılmış D mezonu.

[10] Phi (fi diye okunur) mezonu. Bir adet tuhaf bir adet de karşı-tuhaf kuarktan oluşan parçacık.

[11] Karşı kaon mezonu. İçeriğinde karşı-aşağı kuark ve tuhaf kuark bulunur. İsminde bulunan 0 ise yüksüz olduğunu göstermektedir. Normal K mezonu yani karşı-parçacık olmayan halinde bir aşağı kuark ve bir de karşı-tuhaf kuark bulunur. Yani yüksüz parçacıkların da karşı halleri olmaktadır. İçeriğindeki alt parçacıkların (kuarkların) halleri (karşıtlık durumları) yer değiştirmektedir.

[12] J/psi mezonu veya psion. Bir tane tılsım kuark ve bir de karşı-tılsım kuarkından oluşur. Yüksüzdür.

[13] Bir alt kuark ve bir karşı-alt kuarktan oluşan yüksüz mezondur.