Güçlü nükleer kuvvetin bir arada tuttuğu proton ve nötron atom altı parçacıkları bir atomun çekirdeğini oluştururlar. İki yukarı ve bir aşağı kuarktan meydana gelen protonun içindeki basınç dağılımı fizikçiler tarafından elektron hızlandırıcısı kullanılarak belirlendi. Şimdiye kadar ilk kez yapılan bu deney ABD’deki Jefferson Laboratuvarı’nda gerçekleştirildi ve bu deneyin sonucunda protonun merkezindeki kuarkların üzerinde hissettikleri aşırı itici basıncın kenarlardaki güçlü çekici kuvvetler tarafından dengelendiği gösterildi. Böylelikle bu araştırma modern parçacık fiziğinin en önemli gizemlerinden biri olan proton ve hadronlar içinde kuarkların nasıl hapsolduğu sorusu üzerine daha fazla ışık tutmaktadır.
Bir kuarkın bir protondan çıkarılıp koparılması imkansızdır. Bunun en büyük sebebi güçlü nükleer kuvvettir. Öte yandan, protonun içinde gluon adı verilen atom altı parçacıklar da vardır ve bunlar kuarkları bir arada tutan kuvvet taşıyıcılarıdır. Protonun kuarklar ve gluonlarla bezeli böyle bir iç yapıya sahip olması protonu evrenin en kararlı yapı taşlarından biri yapmaktadır.
Ancak, bilim insanları bu en kararlı parçacıklardan biri olan protonu daha detaylı inceleyebilmek için bir kapı aralamıştır. Bu kapının daha önce derin sanal Compton saçılması adı verilen bir yöntemle aralanabileceği öne sürülmüştü ve böylece protonun iç kuark yapısını ortaya çıkarmak mümkündü. 1996 yılında Maryland Üniversitesi’nden Xiangdong Ji tarafından önerilen bu yöntem bir protondan kuarkı çıkarmak yerine yüksek enerjili elektronlar ile kuarkları vurmayı (adeta dövmeyi) ön plana çıkarmıştı. Çünkü elektronlarla proton içindeki kuarkların saçılması sonrası yüksek enerjili fotonlar bir kuark-antikuark çiftinin oluşması ile yayılabilir. Eğer saçılan elektron ve proton ile bu yayılan fotonlar tümüyle algılanabilirse, bu protonun içindeki basıncı ortaya çıkarabilirdi. Jefferson Laboratuvarı’nda yapılan tam olarak da bu oldu, bununla ilgili deneyi gerçekleştiren fizikçilerden Volker Burkert’in açıklaması şöyle,
“Biz bir protondan bir protona olan geçişi incelemek istiyoruz. Böylece protonun kendisinde ne olduğunu görebiliriz.”
Bugünki deneye kadar Jefferson Laboratuvarı’nda ve Almanya’daki bazı fizikçiler bağımsız olarak bu deneyleri gerçekleştirmişti. Elde edilen bulguların ışığında, Burkert ve çalışma arkadaşları tarafından gerçekleştirilen bu yeni araştırmada ilk defa bir protonun iç basıncı haritalanmış oldu. Araştırmacılar protonun iç yapısını incelemek için bir kriyojenik sıvı hidrojen ve 6 GeV enerjiye sahip spin-polarize elektron demeti arasındaki derin sanal Compton saçılmasını ölçtüler. Buna göre, bir protonun merkezindeki itici basıncı yaklaşık 1035 Pa civarında olduğu bulundu ve bu ise bir nötron yıldızının merkezindeki basınçtan neredeyse 10 kat daha fazla. Görünüşe göre, protonun merkezinden 0,6 femtometre uzaklıkta kuvvetler giderek güçlü çekici olurken bu 0.8 femtometrede yani protonun yarıçapında bir pike ulaşıyor. Araştırmacılar bunun proton içindeki basınç anlayışımız üzerine önemli bir ilerleme sağlamıştır. Araştırmacılar ayrıca laboratuvarlarındaki hızlandırıcının 6 GeV’tan 12 GeV’a kadar yükseltildiğinde hata paylarının da azalmasının mümkün olacağını tahmin ediyorlar. Çünkü bu yüksek enerji protondaki kuark hapsolmasının sırlarını açığa çıkarmaya yeterli.
Görünen o ki araştırmacılar derin sanal Compton saçılımını nötronlarda da incelemeyi amaçlıyorlar.
Bu araştırma Nature dergisinde yayınlandı.
Dr. Gökhan Atmaca
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
Instagram: instagram.com/anadoluca
Kuark Bilim Topluluğu Bilim Sitesi Kuark.Org’u Facebook’ta Takip Edebilirsiniz.
Referanslar:
Tim Wogan, Internal pressure of proton is measured for the first time, Physics World
Mike Mcrae, Protons Contain 10 Times More Pressure Than a Neutron Star, According to First-Ever Measurement, ScienceAlert
Görsel: Jefferson Lab
