Japonya'daki Riken Enstitüsü araştırmacıları tarafından, normalde kütlesiz olan bir parçacığa kütle kazandıran alışılmadık bir kuantum etkisinin gözlemlenmesini sağlayabilecek bir yöntem öne sürüldü.

Mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda, atomlar Bose-Einstein yoğuşuk maddesi olarak bilinen toplu bir durum oluşturmaya başlayabilir. Bilimciler maddenin bu hâlinin, kuram tarafından öngörülen, fakat yaratmanın ya da doğrudan gözlemlemenin zor olduğu parçacıkları araştırmada kullanılacak bir kuantum simülatörü olarak işe yarayabileceğini anladı.

"Kuantum simülatörleri pek çok işe yarayabilir. Parçacık etkileşimlerinin, parçacık yoğunluklarının ve sıcaklığın ayarlanmasında kullanılabilir," diyor Masahito Ueda. "Bu alandaki en acil konu, böyle atomik gazlarda ilk kez gösterilebilecek çok temel bir şeyin bulunması."

Enerji açığının büyüklüğü ölçülüyor

Matematiksel modelleme yaparak Ueda ve meslektaşları Nguyen Thanh Phuc ile Yuki Kawaguchi bir Bose-Einstein yoğuşuk maddesinin, kuantum kütle kazanımı olarak adlandırılan ve şimdiye dek gözlemlenememiş olan bir olgunun simüle edilmesinde kullanılabileceğini gösterdi. Bu etki normalde kütlesiz bir temel parçacık olan sanki Nambu-Goldstone bozonunun (İng. quasi Nambu-Goldstone boson), minik kuantum çalkalanmaları sonucunda kütle kazanmasını sağlıyor.

Araştırmacılar bu etkinin süper-akışkanlarda, süper-iletkenlerde ve bazı manyetik malzemelerde belirebileceğini düşünüyor. Yine de kuantum kütle kazanımı hiç gözlemlenmedi, çünkü etki diğer ikincil etkilerden ayırt edilemeyecek denli küçük oluyordu. Yani ortaya çıkan enerji açığı çok küçük olduğundan saptanamıyordu. "Aşırı küçük olan bu kuantum görüngüsü, Bose-Einstein yoğuşuk maddesi içinde yükseltilerek makroskopik bir düzeye ulaşıyor ve böylece görünür oluyor," diye açıklıyor Ueda.

Araştırmacıların analizleri, Bose-Einstein yoğuşuk maddesi içindeki "sanki Nambu-Goldstone bozonu"nun ortaya çıkan enerji açığının, sistemin sıfır noktası enerjisinden iki mertebe daha büyük olduğunu gösteriyor. Bu alışılmadık ölçüde büyük olan enerji açığı, durumun tahmin edilenden de sağlam olduğu anlamına geliyor ve kuantum kütle kazanımının deneysel olarak gözlemlenmesi umudunu arttırıyor.

Atom spini önemli

Gaz için kullanılacak atomun seçimi, kuantum kütle kazanımının gözlemlenmesinde büyük önem taşıyor. Bose-Einstein yoğuşuk maddesi çoğunlukla helyum atomları ve spin-kutuplanmalı alkali atomlar kullanılarak yapılıyor ve bunlar spinsiz oluyor. Ueda'nın ekibi, kuantum kütle kazanımının gözlenebilmesi için spin serbestlik dereceleri olan atomlar gerektiğini gösterdi. Böyle bir spinor Bose-Einstein yoğuşuk maddesini oluşturmak için rubidyum atomları kullanılabilir.

"Çalışmamız, sadece parçacık hızlandırıcılar kullanılarak sınanabileceği düşünülen bazı temel fiziksel görüngülerin, bir masanın üstünde de gerçekleştirilebileceğini gösteriyor," diyen Ueda şöyle devam ediyor: "Şimdi başka hangi temel görüngüleri atomik Bose-Einstein yoğuşuk maddesi içinde açığa çıkarabileceğimizi araştırıyoruz."

---

Kaynak: Phuc, N. T., Kawaguchi, Y. & Ueda, M. "Quantum mass acquisition in spinor Bose-Einstein condensates." Physical Review Letters 113, 230401 (2014). DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.230401

---