Bilim ve bilimkurgu severler öteden beri madde ile antimaddeyi karıştırmanın patlayıcı sonuçlar doğurabileceği konusunda uyarılmışlardır. Şimdi ise fizikçiler son 10 yıldır kafalarını kurcalayan bir bilmeceyi çözmelerini buna borçlu olduklarını açıkladı.

Söz konusu bilmecenin ortaya çıkışı, protonun yapıtaşı olan kuarkların proton içinde nasıl bir düzenlemeleri olduğunu araştıran deneylere dayanıyor. Elde edilmesi gereken bilgi, bilimcilerin "protonun elektriksel form faktörü" dedikleri bir nicelikte saklı. Elektriksel form faktörü, kuarkların proton içindeki uzaysal dağılımlarını, kuarkların yüküne dayanarak tanımlıyor.

Protonun elektriksel form faktörünü ölçmek için nükleer fizikçilerin kullandığı iki farklı yöntem var. Fakat protonun içinde ne kadar derinlere inerlerse, bu iki yöntemin verdiği sonuçlar o kadar uyuşmaz oluyor. En sonunda yöntemlerden birinden çıkan sonuç, diğerininkinin 5 katına ulaşıyor. Bu devasa çelişki, ölçümlerdeki deneysel belirsizlikten çok daha fazla.

"Uyuşmazlık için önerilen çözüm, ölçüm kümelerinden birinin fazla basite indirgemiş olduğu ve eğer iki-foton etkisi dediğimiz bir olguyu da işin içine katarsak, hesapların tutması gerektiği şeklindeydi," diyor Old Dominion Üniversitesi'nden fizik profesörü Larry Weinstein.

Bu etki, nükleer fizikçilerin ölçüm için yaptıkları işlemlerin sonucunda oluşuyor. Proton, enerjik elektron bombardımanına tutuluyor ve parçacıklar arası etkileşim gözlemleniyor. Çoğu zaman etkileşim elektron ile protonun sanal bir foton değiş-tokuş etmesi şeklinde gelişiyor. Ancak bazen elektronun daha farklı davranıp, protona iki sanal foton verdiği oluyor.

"Normalde elektron bir protondan veya çekirdekten saçıldığında, bunu tek bir sanal foton değiş-tokuşu ile yapar. Elektromanyetik etkileşim çok zayıf olduğundan, ikinci bir fotonun sadece zamanın çok küçük bir kesrinde değiş-tokuş edilebilmesini bekliyoruz. Yine de bu çok kısa süreli etkinin, protonun elektriksel form faktörünü hesaplarken karşı karşıya kaldığımız uyuşmazlıkları açıklamaya yetecek denli büyük olabileceğini düşündük," diyor Weinstein.

Dolayısıyla çekirdek fizikçilerinin, bir elektronun ne sıklıkta iki foton üretip bu iki-foton etkisini ortaya çıkardığını çok iyi ölçmeleri gerekiyordu. Bu noktada yine bir sorunla yüz yüze kaldılar: O zamana dek kimse bu etkiyi ölçebilmiş değildi ve protonun karmaşıklığından ötürü herhangi bir doğrulukta hesaplanması da son derece güçtü. İşte bu niceliği ölçebilmek için Weinstein ve çalışma arkadaşları, madde-antimadde karışımı hazırlama kararı aldı.

İki-foton etkisini doğrudan ölçmek çok zor olduğundan, bilimciler bu etki ile ilişkili olan bir başka niceliği ölçmeyi deneyecekti. Elektronun protonla etkileşim sıklığını, pozitronun (anti elektronun) protonla etkileşim sıklığı ile karşılaştırarak, iki-foton etkisi dolaylı yoldan ölçülebilirdi. Elektron ve pozitron etkileşimleri arasındaki fark, iki-foton etkisinin ve form faktörü ölçümlerine etkisinin kalibresini sağlayabilirdi.

DOE Thomas Jefferson Ulusal Hızlandırıcı Tesisi'nde yer alan Sürekli Elektron Işın Hızlandırıcısı'nı (CEBAF) kullanarak, Weinstein ve ekibi 2010 yılı kışında ölçüm yapma hazırlıklarını tamamladı. Bir elektron hüzmesini iki altın folyo ve bir kaç mıknatıstan geçirerek, hem elektron hem pozitron içeren bir hüzme elde eden ekip, bu ışını bir hidrojen hedefindeki protonlara yöneltti. CLAS spektrometresi ile elektron-proton ve pozitron-proton çarpışma verilerini biriktiren fizikçiler, 4 yıl boyunca bunların analizi ile uğraştı ve yakın zamanda ulaştıkları sonucu paylaştı.

"Çok ufak bir yüzde farkı vardı. Pozitron-proton saçılmaları, elektron-proton saçılmalarından biraz daha fazlaydı. Yani ölçümlerimiz hesaplamalara uygun çıktı. Bu hesap da protonun elektriksel form faktörü ölçümlerindeki uyuşmazlığı büyük ölçüde açıklıyor," diyor Weinstein.

Tüm bu araştırmaların sonucunda bilimciler, proton içindeki kuark dağılımına ilişkin bilgi sağlayan elektrik form faktörü ölçümlerindeki farklılıkların nedeninin iki-foton etkisi olduğunun söylenebileceği görüşündeler. Şu anda proton bilmecesi çözülmüş gibi görünse de, çekirdek bilimciler form faktörü üzerinde çalışmaya devam ediyor.

 

---

Kaynak: "Towards a Resolution of the Proton Form Factor Problem: New Electron and Positron Scattering Data" Phys. Rev. Lett. 114, 062003 – Published 10 February 2015. dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.062003

---