Protonun şekli nedir ?

Kafanızda bir proton canlandırın.

Muhtemelen atomaltı bir bilye gibi küçük ve yuvarlak bir şey düşünüyorsunuz. Kötü bir başlangıç değil ve çoğu fizik ve kimya dersleri için kesinlikle yeterince iyi. Belki protonun içindeki kuarkların da neye benzediğini hayal ediyorsunuz ve sonra üç küçük kürenin nasıl daha büyük bir küreyi oluşturduğu konusunda kafa yoruyor olabilirsiniz? Sahiden orada ne oluyor? Bunun nedenini kuantum tuhaflığına bağlayıp, gidip bir süre için başka şeyler düşünüyor olmanız mümkün.

Bu sorular parçacık fizikçilerinin de başını ağrıtıyor. Konu protona geldiğinde, “Ne kadar büyük? , Şekli nasıl?” gibi çok basit soruların bile karmaşık cevaplarının olmasıyla sonuçlanıyor. Temel öğeleri on yıllardır bilirken, detaylar çok daha anlaşılmaz. Mesela boyutunu ele alalım, protonun boyutunu ölçmek gerçek, ufacık bir cetvel çıkartmak kadar kolay değil. Herhangi bir ölçme aleti diğer parçacıklardan yapılıdır ve bu parçacıklar bizim ölçmeye çalıştığımız proton ile etkileşirler. Çözüm şudur : “Biz Ernest Rutherford’un çok küçük ve artı yüklü çekirdeği olan atomu keşfettiği yolu kullanıyoruz” diyor Virginia’daki Jefferson Laboratuvarında ve Hampton Üniversitesinde bir fizikçi olan Alberto Accardi. Ki bu yol hedef parçacığı diğer parçacıklar ile ateşlemek ve onların nasıl saçıldıklarını ölçmektir. Aynı şekilde, fizikçiler protonun boyutunu ölçmek için genellikle onu elektron ve elektrona göre daha büyük kütleli olan müon ile bombardıman ediyorlar. Parçacıkların saçıldıktan sonraki dağılımı boyutları ve şekilleri hakkında bilgi veriyor, bir binanın yüksekliğini tahmin etmek için gölgesinin boyuna bakabileceğiniz gibi. Fizikçiler yüzyıl öncesinde bu saçılma deneylerini gerçekleştirdiler ve protonun yarıçapını yaklaşık olarak 0.88 femtometre yani 0.88x10-15 metre olarak belirlediler.

Fakat elektron bombardımanın doğruluğunun doğal sınırları vardır bu yüzden araştırmacılar protonun boyutunu müonik hidrojeni (hidrojenin bir proton ve elektrondan ziyade bir proton ve müondan oluşan formunu) kullanarak iki kez kontrol ettiler. Müonlar elektrondan 207 kez daha ağır olduğu için, müonik hidrojen düzenli formuna göre çok daha küçük yani protonun boyutu ölçülebilir bir etkiye sahip. (Büyük kütleli müon kütle merkezini kaydırarak atomu küçültür, aynı hafif bir nesneden ziyade ağır olanı vücudunuza yakın tutmanız gibi.) Bu yöntemi kullanarak araştırmacılar protonun yarıçapını 0.84 femtometre buldular, bu küçük fakat önemli bir fark! Bunun temel kuvvetlerin doğası hakkındaki bazı uç tahminlere nasıl sebebiyet verdiği fizikçileri afallatmaktadır.

Protonun şeklini ölçmek de bazı ilginç sonuçlara sebep oldu. Nükleer fizikteki teorik hesaplamalara ve protonun boyutunu ölçmek için kullanılan saçılma deneylerine dayanarak protonun aslında küresel olduğunu biliyoruz. Ya da daha ziyade ‘küreselimsi’ : şekil küresel ortalamanın etrafında dalgalanıyor ve küresel olmayan titreşimler protonun içindeki kuarklardan ve diğer parçalardan kaynaklanıyor. Gerald Miller’ın deyişiyle dalgalanmalar birçok formu alabilirken, baskın olanlar ya yer fıstığı ya da simit şeklinde.

Bu tuhaf şekillerin kaynağını anlayabilmek için, fizikçiler protonun içine bakmak zorundalar. Bunu görmek için araştırmacılar yüksek enerjili elektronları ve müonları protona ateşliyorlar. Bu parçacıklar çok fazla enerji taşıyorlar ve artık daha fazla sadece protondan sekmek yerine protonu ayırıyor ve araştırmacılara protonu oluşturan parçacıklara erişim sağlıyorlar.

Genellikle protonlar iki “up (yukarı)” ve bir “down (aşağı)” olmak üzere üç tane kuarktan oluşuyor diyebiliriz. (“Up” ve “down” yönlerden ziyade sadece isimleridir fakat en azından bu şekilde hatırlaması kolay. ) Fakat Accardi ve diğerleri bunun tam olarak doğru olmadığını buldu. Accardi’nin dediğine göre proton üç tane değer kuark ve bir grup kuark-antikuark çiftinin yanı sıra bütün bunları bir arada tutan gluonlardan oluşuyor. Nasıl değer elektronları atoma ana kimyasal yapısını veriyorsa, değer kuarklar da protona çok fazla farkedilir özelliğini sağlıyor.

Proton bilye değil de bir tür “türlü” gibi gözüküyor. Up ve down değer kuarkları büyük parçalar gibi, diğer malzemelerse bir araya gelerek totalde lezzeti veriyor. Bu malzemelerin içinde kuark-antikuark çiftleriyle beraber gluonlar da var ki bunlar et suyunu bir arada tutan parçacıklar gibidir. Antikuarklar kuarkların karşı madde partnerleridir yani antikuarklar madde karşıtlarıyla sabit bir biçimde çift oluşturmazlar. Yine de protonun içindeki yüksek enerji ortamında, sürekli üretiliyorlar ve bu partnerleriyle sönümleniyorlar. Ve bu süreç protonun totaldeki davranışına katkıda bulunuyor.

Tüm bu bileşenler partonlar olarak biliniyor ve partonların özellikleri ve etkileşimlerinin birleşimi protonu “proton” yapıyor. Örneğin; iki artı yüklü “up” kuark ve bir eksi yüklü “down” kuark mevcut ise protonun iç yapısı hem artı hem eksi yüklü elektrik yüklerini barındırıyor ve sonuçta pozitif net yüke sahip demektir. Benzer olarak kuarkların tüm spinleri hizalanmış değildir, proton spinini oluşturmak için başka karmaşık bir biçimde toplanmışlardır. Şaşırtıcı fıstık şekli spini proton spinine paralel olan kuarklardan, simit şeklindeki proton ise proton spinine karşıt spini olan kuarklardan kaynaklanmaktadır.

Anlaşılmaz bir şekilde, kuarklar ve gluonlar protonun toplam spinini izah etmek için yeterli olmadığı halde; bu bir kase türlü için gerekli malzemeleri koyup çömleği yemekle dolu geri almak gibi bir şey. “Spin, protonun çok temel bir özelliği ve eğer proton yapısının altında yatan teoriyi anladığımızı iddia ediyorsak, bizim onu mikroskobik bir bakış açısıyla anlamamız gerekir” diyor Accardi. Bu gizemin ve proton yarıçapı bilmecesinin çözümü Accardi’nin finanse edileceğini umduğu Birleşik Devletler’in muhtemel gelecek parçacık fiziği deneyi olan Elektron İyon Çarpıştırıcısı (Electron Ion Collider) tarafından sağlanabilir. Elektron İyon Çarpıştırıcısı elektronları ve protonları ya da atom çekirdeklerini bir tünelin içinden zıt yönlerde ışık hızına yakın bir hızda gönderecek. Çarpışmalar sırasında, elektronlar kendilerine zarar vermeden protonları ya da çekirdekleri zorla ayırmaya çalışacak. Sonuç gerçek parton şekillerini gösterebilir ve gluon ve kuarkların nasıl toplam proton davranışını oluşturduğu problemini çözebilir.

Bilim insanları gizemi seviyor: onlar, elimizde keşfetmek için daha çok şeyin oluğunun ve bizim hala bunları ilgi çekici bulmamızın işaretleridir. Protonun içine dikkatli bakarak, maddenin yeni durumlarını ya da umulmadık parçacıkları bile bulabiliriz. Bu gibi şeyler protonun her şeyden çok heyecan verici olması gibi tanıdık durumlardan ortaya çıkabilir.

Kaynak :

http://www.pbs.org/wgbh/nova/blogs/physics/2014/11/what-is-the-shape-of-a-proton/