Yeni Dolanıklık Türü Bilim İnsanlarının Atom Çekirdeklerinin İçini Görmesini Sağlıyor
Nükleer fizikçiler, ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki bir parçacık çarpıştırıcısı olan Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı’nı (RHIC) atom çekirdeklerinin şeklini ve içindeki ayrıntıları görmek için kullanmanın yeni bir yolunu buldular. Yöntem, altın iyonları çarpıştırıcı etrafında hızlanırken onları çevreleyen ışık parçacıklarına ve daha önce hiç görülmemiş yeni bir kuantum dolanıklık türüne dayanıyor.
Bir dizi kuantum dalgalanması sayesinde ışık parçacıkları (diğer adıyla fotonlar), çekirdeklerin proton ve nötronlarında kuarkları bir arada tutan gluon benzeri parçacıklarla etkileşime giriyor. Bu etkileşimler, hızla iki farklı yüklü “pion “a (π) bozunan bir ara parçacık üretir. Bilim insanları, bu π+ ve π- parçacıklarının RHIC’in STAR dedektörüne çarptığı hız ve açıları ölçerek, foton hakkında önemli bilgiler elde etmek için geriye doğru iz sürebiliyor ve bunu çekirdek içindeki gluonların düzenini daha önce hiç olmadığı kadar yüksek bir hassasiyetle haritalamak için kullanabiliyor.
Ocak 2023’te Ohio Eyalet Üniversitesi’ne yardımcı doçent olarak katılan STAR işbirliğinin bir üyesi olan eski Brookhaven Laboratuvarı fizikçisi James Daniel Brandenburg, “Bu teknik, doktorların beynin ve diğer vücut bölümlerinin içinde neler olduğunu görmek için pozitron emisyon tomografisi (PET taramaları) kullanmasına benziyor” dedi. “Ancak bu durumda, tek bir protonun boyutu olan femtometreler-bir metrenin katrilyonda biri- ölçeğindeki özelliklerin haritalanmasından bahsediyoruz.”
STAR fizikçileri daha da şaşırtıcı olanın, ölçümlerini mümkün kılan tamamen yeni bir tür kuantum girişiminin gözlemlenmesi olduğunu söylüyor.
Brookhaven fizikçisi ve STAR işbirlikçisi Zhangbu Xu, “Giden iki parçacığı ölçüyoruz ve yüklerinin farklı olduğu açık – bunlar farklı parçacıklar – ancak bu parçacıkların ayırt edilebilir parçacıklar olmalarına rağmen dolaşık veya birbirleriyle senkronize olduklarını gösteren girişim desenleri görüyoruz” dedi.
Bu keşif, maddenin yapı taşlarının haritasını çıkarma gibi yüce bir hedefin çok ötesinde uygulamalara sahip olabilir.
Örneğin, 2022 Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülenler de dahil olmak üzere birçok bilim insanı, fiziksel olarak ayrılmış parçacıkların bir tür “farkındalığı” ve etkileşimi olan dolaşıklıktan yararlanmaya çalışıyor. Amaçlardan biri, bugün var olandan çok daha güçlü iletişim araçları ve bilgisayarlar yaratmak. Ancak, yakın zamanda farklı dalga boylarına sahip lazerlerin girişiminin gösterilmesi de dahil olmak üzere, bugüne kadarki diğer dolanıklık gözlemlerinin çoğu fotonlar veya özdeş elektronlar arasındaydı.
Brandenburg, “Bu, birbirine benzemeyen parçacıklar arasındaki dolanıklığın ilk deneysel gözlemidir” dedi.
Çalışma Science Advances dergisinde yeni yayımlanan bir makalede anlatılıyor.
Gluonlara ışık tutmak
RHIC, fizikçilerin nükleer maddenin en içteki yapı taşları olan proton ve nötronları oluşturan kuark ve gluonları inceleyebildikleri bir DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olarak faaliyet göstermektedir. Bunu, ışık hızına yakın bir hızla çarpıştırıcının etrafında zıt yönlerde hareket eden altın gibi ağır atomların çekirdeklerini bir araya getirerek yaparlar. Çekirdekler (iyonlar olarak da adlandırılır) arasındaki bu çarpışmaların yoğunluğu, tek tek protonlar ve nötronlar arasındaki sınırları “eritebilir”, böylece bilim insanları kuarkları ve gluonları evrenin çok erken dönemlerinde -protonlar ve nötronlar oluşmadan önce- var oldukları halleriyle inceleyebilirler.
Ancak nükleer fizikçiler aynı zamanda kuarkların ve gluonların bugün var oldukları halleriyle atom çekirdekleri içinde nasıl davrandıklarını da bilmek istiyorlar – bu yapı taşlarını bir arada tutan kuvveti daha iyi anlamak için.
RHIC’in hızlanan iyonlarını çevreleyen foton “bulutlarını” kullanan yeni bir keşif, çekirdeklerin içine bir göz atmak için bu ışık parçacıklarını kullanmanın bir yolunu öneriyor. Eğer iki altın iyonu çarpışmadan birbirinin çok yakınından geçerse, bir iyonu çevreleyen fotonlar diğerinin iç yapısını inceleyebilir.
“Daha önceki çalışmalarımızda, bu fotonların polarize olduğunu ve elektrik alanlarının iyonun merkezinden dışarıya doğru yayıldığını göstermiştik. Ve şimdi bu aracı, yani polarize ışığı, çekirdekleri yüksek enerjide etkili bir şekilde görüntülemek için kullanıyoruz” dedi.
Yeni analiz edilen verilerde π+ ve π- arasında gözlemlenen kuantum girişimi, fotonların polarizasyon yönünü çok hassas bir şekilde ölçmeyi mümkün kılıyor. Bu da fizikçilerin hem fotonun hareket yönü boyunca hem de ona dik olarak gluon dağılımına bakmalarını sağlıyor.
Bu iki boyutlu görüntülemenin çok önemli olduğu ortaya çıktı.
Brandenburg, “Polarizasyon yönünü bilmediğimiz tüm geçmiş ölçümler, gluon yoğunluğunu ortalama olarak ölçüyordu – çekirdeğin merkezinden uzaklığın bir fonksiyonu olarak” dedi. “Bu tek boyutlu bir görüntü.”
Bu ölçümlerin hepsi, teorik modeller ve çekirdekteki yük dağılımının ölçümleri tarafından tahmin edilenle karşılaştırıldığında çekirdeği çok büyük gösteriyordu.
Brandenburg, “Bu 2D görüntüleme tekniğiyle, bunun neden olduğuna dair 20 yıllık gizemi çözmeyi başardık” dedi.
Yeni ölçümler fotonların momentum ve enerjilerinin gluonlarınkiyle karıştığını gösteriyor. Sadece fotonun yönü boyunca ölçüm yapmak (ya da bu yönün ne olduğunu bilmemek), bu foton etkileri tarafından bozulmuş bir resimle sonuçlanır. Ancak enine yönde ölçüm yapmak foton bulanıklığını önler.
Brandenburg, “Artık belirli bir açı ve yarıçapta gluonların yoğunluğunu gerçekten ayırt edebileceğimiz bir resim çekebiliyoruz” dedi. “Görüntüler o kadar hassas ki, protonların nerede olduğu ve nötronların bu büyük çekirdeklerin içine nerede yerleştirildiği arasındaki farkı bile görmeye başlayabiliyoruz.”
Bilim insanları, yeni görüntülerin gluon dağılımını kullanan teorik tahminlerin yanı sıra çekirdeklerdeki elektrik yükü dağılımı ölçümleriyle de niteliksel olarak örtüştüğünü söylüyor.
Ölçümlerin ayrıntıları
Fizikçilerin bu 2 boyutlu ölçümleri nasıl yaptıklarını anlamak için foton-gluon etkileşimiyle ortaya çıkan parçacığa geri dönelim. Buna rho denir ve çok hızlı bir şekilde saniyenin dört septilyonda birinden daha kısa bir sürede- π+ ve π-‘ye bozunur. Bu iki pionun momentumlarının toplamı fizikçilere ana rho parçacığının momentumunu ve gluon dağılımı ile foton bulanıklaştırma etkisini içeren bilgileri verir.
Sadece gluon dağılımını çıkarmak için bilim insanları π+ ya da π- yolu ile rho’nun yörüngesi arasındaki açıyı ölçüyor. Bu açı 90 dereceye ne kadar yakınsa, foton probundan o kadar az bulanıklık elde edersiniz. Bilim insanları, bir dizi açı ve enerjide hareket eden rho parçacıklarından gelen pionları izleyerek, tüm çekirdek boyunca gluon dağılımını haritalayabilirler.
Şimdi ölçümleri mümkün kılan kuantum tuhaflığına gelelim: STAR dedektörüne çarpan π+ ve π- parçacıklarının, bu iki farklı zıt yüklü parçacığın dolaşıklığı tarafından üretilen girişim desenlerinden kaynaklandığına dair kanıt.
Bahsettiğimiz tüm parçacıkların sadece fiziksel nesneler olarak değil, aynı zamanda dalgalar olarak da var olduğunu unutmayın. Bir göletin yüzeyindeki dalgaların bir kayaya çarptıklarında dışarıya doğru yayılması gibi, parçacık dalgalarının tepe ve çukurlarını tanımlayan matematiksel “dalga fonksiyonları” da birbirlerini güçlendirmek ya da iptal etmek için girişimde bulunabilirler.
Neredeyse ıskalayan iki iyonu çevreleyen fotonlar çekirdeklerin içindeki gluonlarla etkileşime girdiğinde, sanki bu etkileşimler aslında her çekirdekte bir tane olmak üzere iki rho parçacığı üretir. Her bir rho bir π+ ve π-‘ye bozunurken, bir rho bozunumundan gelen negatif pionun dalga fonksiyonu, diğerinden gelen negatif pionun dalga fonksiyonuyla etkileşime girer. Güçlendirilmiş dalga fonksiyonu STAR dedektörüne çarptığında, dedektör bir π- görür. Aynı şey iki pozitif yüklü pionun dalga fonksiyonlarında da olur ve dedektör bir π+ görür.
Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nde STAR işbirlikçisi ve bu açıklamanın orijinal savunucularından biri olan Wangmei Zha, “Girişim, özdeş parçacıkların iki dalga fonksiyonu arasındadır, ancak iki farklı parçacık (π+ ve π) arasındaki dolanıklık olmasaydı bu girişim gerçekleşmezdi” dedi. “Bu kuantum mekaniğinin tuhaflığı!”
Rholar basitçe dolaşık olabilir mi? Bilim insanları hayır diyor. Rho parçacıklarının dalga fonksiyonları, kısa ömürleri içinde kat edebilecekleri mesafenin 20 katı kadar bir mesafeden kaynaklanıyor, dolayısıyla π+ ve π-‘ye bozunmadan önce birbirleriyle etkileşime giremezler. Ancak her rho bozunumundan gelen π+ ve π- dalga fonksiyonları, ana parçacıklarının kuantum bilgisini korur; dedektöre metrelerce arayla çarpmalarına rağmen tepe ve çukurları fazdadır, “birbirlerinin farkındadır”.
“π+ ve π- dolaşık olmasaydı, iki π+ (veya π-) dalga fonksiyonu, tespit edilebilir herhangi bir girişim etkisi olmaksızın rastgele bir faza sahip olurdu,” diyor Çin’deki Shandong Üniversitesi’nden STAR işbirlikçisi ve bu sonucun analizine de yardımcı olan Chi Yang. “Foton polarizasyonuyla ilgili herhangi bir yönelim göremezdik ya da bu hassas ölçümleri yapamazdık.”
RHIC’de daha ağır parçacıklar ve farklı yaşam süreleriyle ve Brookhaven’da inşa edilmekte olan Elektron-İyon Çarpıştırıcısı’nda (EIC) gelecekte yapılacak ölçümler, çekirdeklerin içindeki gluonların daha ayrıntılı dağılımlarını araştıracak ve diğer olası kuantum girişim senaryolarını test edecektir.
Kaynak: https://phys.org/news/2023-01-entanglement-scientists-nuclei.html
Bu yazı Astrafizik.com tarafından Türkçeye aktarılmış olup yazının aslı phys.org sitesine aittir, orijinaline mümkün olduğunca sadık kalmak koşuluyla dilimize çevirilmis olsa da editoryal tarafından katkılarda bulunulmuştur. Bu sebeple Astrafizik.com içerik izinlerine tabidir. Astrafizik.com referans gösterilmek koşuluyla 3. tarafların kullanımına izin verilmiştir.
