Evrenin Görünür Maddesini Bir Arada Tutan “Tutkal”ı Keşfetmek İçin Yeni Araştırma İşbirliği

Simons Vakfı, evrenin görünür maddesini bir arada tutan “tutkal”ı keşfetmek için yeni bir araştırma işbirliğini duyurdu. Princeton Üniversitesi’nden Igor Klebanov tarafından yönetilen bu on üç ana araştırmacıdan oluşan ekip, görünür maddenin en temel yapı taşları arasındaki etkileşimleri tanımlayan teori olan kuantum renk dinamiğinin (QCD) ayrıntılarını araştıracak.

“İşbirliği, QCD’ye deneysel veri, hesaplama ve analitik yaklaşımların incelenmesinde uzmanlaşmış üç teorisyen topluluğunu bir araya getirecek.” ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda kıdemli fizikçi ve baş araştırmacılardan biri olan Stony Brook Üniversitesi’nde yardımcı profesör olan Raju Venugopalan dedi. “En büyük motivasyon, bu toplulukları tüm meselelerin merkezinde yer alan bir sorunu çözmek için bir araya getirmektir”-yani, güçlü nükleer kuvvetin, kuark ve gluon adı verilen temel parçacıkları atom çekirdeğini oluşturan protonlar ve nötronlar içinde nasıl hapsettiği.

“Kapalılığı anlayarak, hadronların, protonların, nötronların ve kuarklardan ve gluonlardan oluşan diğer bileşik parçacıkların nasıl bir araya getirildiğini temel olarak öğrenebiliriz.” dedi Venugopalan.

Deneylerden Yararlanma

Teorisyenler, Brookhaven Laboratuarı’nda nükleer fizik araştırmaları için bir DOE Office of Science kullanıcı tesisi olan Göreceli Ağır İyon Çarpıştırıcısı (RHIC) tarafından oluşturulan araştırmacılara yakın mesafeden yararlanacaklar. RHIC’deki araştırmalar tamamen kuarklar ve gluonlarla ilgilidir.

RHIC’deki deneyler, neredeyse ışık hızında hareket eden iyonları (atomların çekirdeğini) birbirine çarpar. RHIC’nin yüksek enerjili ağır iyon çarpışmaları, erken evrende en son görülen koşulları yeniden yaratır, esasen bireysel protonların ve nötronların sınırlarını çözerek kuarklar ve gluonlar artık bu bireysel nükleer yapı taşları içinde sınırlı kalmaz. RHIC dedektörleri, bu çarpışmalarda oluşturulan “kuark-gluon plazmasından” (QGP) çıkan parçacıkların çeşitliliğini izleyerek, kuarkların ve gluonların nasıl davrandığına dair veri toplar.

Venugopalan gibi nükleer teorisyenler, Avrupa’nın Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) yüksek enerjili ağır iyon çarpışmalarında oluşturulan QGP’yi de inceliyorlar. RHIC ve LHC deneylerinin neyi ortaya çıkarabileceğini hem tahmin etmek hem de yorumlamak için QCD denklemlerini kullanırlar. Deneysel fenomenleri incelemeleri nedeniyle “fenomenologlar” olarak bilinenler, yeni işbirliğinin bir kolunu oluşturuyorlar.

Önümüzdeki on yılda, RHIC’in omurgası üzerine inşa edilecek bir tesis olan Elektron-İyon Çarpıştırıcısından (EIC) gelen verileri de kullanacaklar. EIC, esas olarak protonların, nötronların ve çekirdeklerin içini “görmek” için elektron ışınlarını kullanarak elektronları iyonlarla çarpıştıracaktır.

Elektron-İyon Çarpıştırıcısı, maddenin yapısını aydınlatan en parlak, en yüksek yoğunluklu ‘femtoskop’ olacak.” Venugopalan, bir nesneden çok daha küçük ölçeklerde ayrıntıları yakalama yeteneğine atıfta bulundu. femtometre-;bu bir milyonuncu metrenin milyarda biri kadar! Geleceğin EIC’sini kullanan bilim adamları, kuarkların ve gluonların “anlık görüntülerini” alacak ve bugün dünyamızı oluşturan madde içindeki etkileşimlerini inceleyecekler.

Kafes Hesaplama

Bu deneylerin ortaya koyduğu (ve göstereceği) kadarıyla, kuarkların ve gluonların etkileşimlerini anlamak ve tahmin etmek karmaşıktır.

QCD denklemlerini çözmek son derece zordur“dedi Venugopalan.”Genelde kağıt kalemle çözemezsiniz.”

Süper bilgisayarlar yardımcı olabilir, ancak fizikçiler QCD’yi tanımlayan denklemleri nasıl girdiklerine ve çalıştırdıklarına karşı dikkatli olmalıdırlar.

“Teoriyi bir bilgisayara safça yerleştirirseniz, birçok ayrıntıyı kaçırırsınız,dedi Venugopalan.

Kuantum dünyasında, kuarklar ve gluonlar, uzayda ve zamanda iki nokta arasındaki sonsuz sayıda yolu keşfedebilir; her birinin farklı olasılıklara sahip olduğunu açıkladı. Bu, QCD denklemlerini simüle etmeyi zorlaştırır.

Bu zorluğun üstesinden gelmek için fizikçiler kafes QCD adlı bir yöntem icat ettiler. Adından da anlaşılacağı gibi, yöntem her kuarkı dört boyutlu bir “uzay-zaman” kafesi üzerindeki bir noktaya yerleştirir ve gluonlar bu noktalar arasındaki bağlantılarda bulunur. Daha sonra bir bilgisayar, QCD tarafından tanımlanan denklemleri kullanarak kuarkların ve gluonların etkileşime girerken alabileceği tüm olası yolları modeller.

Bu hesaplamalar dünyanın en güçlü süper bilgisayarlarını gerektirir. Noktalar arasında daha küçük ve daha küçük boşluklarla giderek daha büyük kafesler kullanan simülasyonlar, giderek daha ince ayrıntıları yakalayabilir.

Kafes QCD simülasyonları artık temel kuarkların ve gluonların protonların, nötronların ve güçlü kuvvet tarafından yönetilen atom altı parçacıkların kütlelerini ve diğer temel özelliklerini oluşturduğunu yüksek hassasiyetle gösterebiliyor.” dedi Venugopalan.

Kafes QCD’yi geliştirmeye ve kullanmaya devam eden hesaplama teorisyenleri, QCD-sınırlama işbirliğinin önemli üyeleridir. yapacaklar “kapalılığı keşfetmeye odaklanan akıllı hesaplama deneyleri tasarlayın,Venugopalan açıkladı. Örneğin, farklı türde parçacıklar, farklı sayıda uzay-zaman boyutları veya aşırı sıcaklıklarda QCD benzeri teorileri simüle edecekler. Bu tür araçlar, fizikçilere QCD ilkelerini gerçekliğin ötesine genişletme yeteneği verecek. kuark-gluon etkileşimleri konusundaki anlayışlarını ilerletmek.

“Bir bakıma teorisyenler oyun oynuyorlar -; neredeyse video oyunları gibi – çünkü bu tür simülasyonlar gerçek dünya değil,” dedi Venugopalan. “Ancak bu tür oyunlar, bize hapsinin gerçekte nasıl çalıştığına dair daha derin bir fikir verebilir.”

Dizeleri Geri Getirmek

Bilim adamları, özünde, hapsetmenin güçlü nükleer kuvvetin bir sonucu olduğunu biliyorlar. Adından da anlaşılacağı gibi, kuarkların ve gluonların etkileşimi ile oluşan güçlü kuvvet, doğanın dört temel kuvvetinin (diğer üçü elektromanyetizma, zayıf kuvvet ve yerçekimi) en güçlüsüdür. Ve benzersiz bir özelliği var: Diğer üçünün aksine, güçlü kuvvet mesafe arttıkça zayıflamaz!

Kuarkların ve gluonların bir tür tüple bağlı olduğunu düşünüyoruz.“dedi Venugopalan. Onlara kromoelektrik akı tüpleri diyor. Bunlar, gluonların kuarklar arasında ileri geri hareket ettikleri ve “renk” yükünü ilettikleri yollar. kromo kuantum kromodinamik) güçlü kuvveti oluşturur.

Renk yüklü kuarklar arasındaki bu renk yüklü gluon değişimi, parçacıkları bileşik “renksiz” atom altı parçacıklar içinde tutan şeydir.

“Kuarkları birbirinden ayırmaya çalıştıkça, aralarındaki gerilim bir lastik bandı germek gibi büyür.,” dedi Venugopalan. Tüpler yeterince gerilirse -tek bir protonun uzunluğunun ötesinde- kırılırlar. Ancak salınan enerji hemen ayrılan kuarkla eşleşen yeni bir parçacığa dönüşür.

Bu yüzden kuarklar ve gluonlar asla özgür olamazlar.,” dedi Venugopalan.Bu ‘kromoelektrik’ akı tüplerinin veya QCD dizilerinin nasıl çalıştığını anlamak istiyoruz. Bu, hapsetme mekanizmasını anlamanın sırrı olacaktır.

Venugopalan’a göre, güçlü kuvvet (ve hapsetme) başlangıçta sicim teorisi kullanılarak tanımlandı; temel parçacıklar ve onların kuvvetlerinin titreşen sicimler aracılığıyla etkileşime girdiği fikri. Bununla birlikte, sicim teorisi o zamandan beri hapsi tanımlamaktan uzaklaştı, bunun yerine yerçekiminin kuantum doğasını ve doğanın diğer güçleriyle birleşimini anlamaya çalıştı.

Buna rağmen Venugopalan ekliyor, “sicim teorisi topluluğunun köklerine dönmesi için güçlü bir motivasyon var.

Geçtiğimiz yıllarda sicim teorisindeki gelişmeler “QCD’ye benzer belirli dört boyutlu ayar teorilerini tanımlayabildiği bulunan on uzay-zaman boyutunda formülasyonuna yol açtı.” Simons Confinement Collaboration direktörü Igor Klebanov dedi. “AdS/CFT yazışması olarak bilinen bu dikkate değer ilişki, hapsetme sergileyen teorileri ölçmek için genişletilebilir.”

Bu bulgu, fizik camiasındaki pek çok kişinin merakını artırdı ve kuark-gluon etkileşimlerini daha fazla araştırmak için sicim teorisini kullanmaya olan ilgiyi artırdı. Bu nedenle, üçüncü bir grup teorisyen, sınırlamayı anlamak için yeni analitik yaklaşımlar geliştirmek için sicim teorisinin ilkelerini ve QCD ile olası ilişkisini bir araya getirecektir.

Bu işbirliğiyle, sicim teorisi ve ayar teorisi arasındaki bu ilişkiyi, hadronik fiziğin gerçek dünyasına mümkün olduğunca yaklaştırmayı umuyoruz.” Klebanov ekledi.

Nereye Gidecek

Kapatma, Clay Mathematics Institute (Yang-Mills teorisi üzerine olan) tarafından listelenen ve dünya çapında bilim adamlarını motive eden teorik fizik ve matematikteki en zorlayıcı yedi problemden birinin merkezinde yer almaktadır.

“Fizikçiler son on yılların bilimsel ilerlemelerini bir araya getirebilir ve bu sorunu çözmede ilerleme kaydedebilirse, maddenin nasıl bir araya getirildiğini temel olarak öğreneceğiz.” dedi Venugopalan.

Etkiler geniş kapsamlı olabilir.

Venugopalan, kuark-gluon etkileşimlerini ve hapsedilmeyi yönlendiren temel süreçleri keşfetme fikrini, sonunda tıpta bir devrimi ateşleyen biyolojinin yol gösterici ilkelerini deşifre etmeye benzetti:

“1953’te DNA çift sarmalını keşfeden bilim adamları, gelecekte belirli bir virüsü hedef alacak aşılar yapmayı düşündüler mi? O zaman onlara bunu sorsaydınız, deli olduğunuzu düşünürlerdi!” dedi.

Aynı şey nükleer fizik için de geçerlidir. “RHIC ve LHC’deki deneylerde, QCD’nin açıklaması gerektiğini düşündüğümüz ancak teorinin katıksız karmaşıklığı nedeniyle açıklayamadığı örüntüler görüyoruz. Bu kalıpları farklı bir şekilde anlamak için daha temel bir hapsetme anlayışına ulaşmamız gerekiyor. yol.”

Venugopalan, bilim adamlarının nihayetinde nükleer fiziğin temel ilkelerini, biyologların DNA, RNA ve proteinler hakkındaki anlayışlarını -örneğin, tasarımcı çekirdeklerini inşa etmek için- uyguladıkları şekilde uygulayıp uygulayamayacaklarının tamamen fütüristik bir spekülasyon olduğunu belirtti.

Ancak yol boyunca, içimizdeki ve etrafımızdaki meseleyi neyin oluşturduğuna dair kendi merakımızı gidereceğiz ve bu tür derin soruları keşfetmek için geliştirdiğimiz teknolojilerden ve bilimsel yaklaşımlardan potansiyel olarak öngörülemeyen şekillerde faydalanacağız.

Simons Collaboration on Confinement and QCD Strings, Simons Foundation tarafından desteklenecek. Vakıf, baş araştırmacıların ev sahibi kurumlarında doktora sonrası araştırmacıları ve öğrencileri destekleyecek ve ilgili konularda bilimsel toplantıları ve uzmanlaşmış okulları kolaylaştıracaktır.

Kaynak: https://www.energy.gov/science/office-science

Leave a Reply

Your email address will not be published.