Güçlü Kuvvetin Gücü – Evrendeki Sıradan Kütlenin %99’unu Oluşturur

Fizik Parçacık Çarpıştırıcısı Kavramı

Yeni deneyler, evrendeki sıradan kütlenin yüzde 99’unu oluşturan teorileri destekleyen bir nicelik olan, daha önce hiç ölçülmemiş bir güçlü kuvvet eşleşmesi bölgesi üzerinde odaklanıyor.

Thomas Jefferson Ulusal Laboratuvarı deneyleri, evrendeki sıradan kütlenin %99’unu oluşturan teorileri destekleyen bir nicelik olan, daha önce hiç ölçülmemiş bir güçlü kuvvet eşleşmesi bölgesi üzerinde odaklanıyor.

hakkında çok tantana yapıldı. Higgs bozonu Bu anlaşılması zor parçacık 2012’de keşfedildiğinde. Sıradan madde kütlesi verdiği lanse edilse de, Higgs alanı ile etkileşimler sıradan kütlenin sadece %1’ini oluşturur. Diğer %99 ise, kuark adı verilen daha küçük parçacıkları sıradan maddenin atomlarının çekirdeğini oluşturan proton ve nötron adı verilen daha büyük parçacıklara bağlayan temel kuvvet olan güçlü nükleer kuvvetle ilişkili fenomenlerden gelir.

Güçlü Nükleer Kuvvet (genellikle güçlü kuvvet olarak adlandırılır) doğadaki dört temel kuvvetten biridir. Diğerleri yerçekimi, elektromanyetik kuvvet ve zayıf nükleer kuvvettir. Adından da anlaşılacağı gibi, dördün en güçlüsüdür. Bununla birlikte, aynı zamanda en kısa menzile sahiptir, bu da etkileri hissedilmeden önce parçacıkların çok yakın olması gerektiği anlamına gelir.

Şimdi, bilim adamları, evrendeki kütlenin veya sıradan maddenin çoğunun nasıl oluştuğunu açıklayan teorileri sıkıca destekleyen bir miktar olan güçlü kuvvetin gücünü deneysel olarak çıkardılar. Araştırma, ABD Enerji Bakanlığı’nın Thomas Jefferson Ulusal Hızlandırıcı Tesisinde (Jefferson Lab) gerçekleştirildi.

Güçlü kuvvetin birleşmesi olarak bilinen bu miktar, iki cismin bu kuvvet altında ne kadar güçlü bir şekilde etkileşime girdiğini veya “çiftleştiğini” tanımlar. Güçlü kuvvet eşleşmesi, kuvvetten etkilenen parçacıklar arasındaki mesafeye göre değişir. Bu araştırmadan önce, teoriler, kuvvet eşleşmesinin uzak mesafelerde ne kadar güçlü davrandığı konusunda anlaşamadılar: bazıları mesafe ile büyüyeceğini, bazıları azalacağını ve bazıları sabit kalacağını öngördü.

Jefferson Lab verileriyle fizikçiler, şimdiye kadarki en büyük mesafelerde güçlü kuvvet eşleşmesini belirleyebildiler. Teorik tahminler için deneysel destek sağlayan sonuçları yakın zamanda derginin kapağında yer aldı. parçacıklar.

Jefferson Lab kıdemli bilim insanı ve makalenin ortak yazarı Jian-Ping Chen, “Çabalarımızın takdir edildiğini görmekten mutlu ve heyecanlıyız” dedi.

Bu makale, yılların veri toplama ve analizinin doruk noktası olmasına rağmen, başlangıçta tamamen kasıtlı değildi.

Bir spin deneyinin yan ürünü

Kuarklar arasındaki daha küçük mesafelerde, güçlü kuvvet eşleşmesi küçüktür ve fizikçiler bunu standart bir yinelemeli yöntemle çözebilirler. Bununla birlikte, daha büyük mesafelerde, güçlü kuvvet kuplajı o kadar büyük olur ki, yinelemeli yöntem artık çalışmaz.

Jefferson Lab’de görevli bilim insanı ve makalenin ortak yazarı Alexandre Deur, “Bu hem bir lanet hem de bir nimet” dedi. “Bu miktarı hesaplamak için daha karmaşık teknikler kullanmak zorunda olsak da, saf değeri bir dizi çok önemli ortaya çıkan fenomeni serbest bırakıyor.”

Bu, evrendeki sıradan kütlenin yüzde 99’unu oluşturan bir mekanizmayı içerir. (Ama buna birazdan geleceğiz.)

Yinelemeli yöntemi kullanamamanın zorluğuna rağmen, Deur, Chen ve ortak yazarları, etkilenen cisimler arasında şimdiye kadarki en büyük mesafelerde güçlü kuvvet eşleşmesini çıkardılar.

Bu değeri, aslında tamamen farklı bir şeyi incelemek için tasarlanmış bir avuç Jefferson Lab deneyinden çıkardılar: proton ve nötron dönüşü.

Bu deneyler, laboratuvarın bir DOE kullanıcı tesisi olan Sürekli Elektron Işını Hızlandırıcı Tesisinde gerçekleştirildi. CEBAF, deney salonlarında polarize protonlar ve nötronlar içeren özel hedeflere yönlendirilebilen polarize elektron ışınları sağlayabilir. Bir elektron ışını polarize olduğunda, bu, elektronların çoğunun aynı yönde döndüğü anlamına gelir.

Bu deneyler Jefferson Lab’ın polarize elektron ışınını polarize proton veya nötron hedeflerinde vurdu. Daha sonraki birkaç yıllık veri analizi sırasında, araştırmacılar, daha büyük mesafelerde güçlü kuvvet eşleşmesini elde etmek için proton ve nötron hakkında toplanan bilgileri birleştirebileceklerini fark ettiler.

Chen, “Yalnızca Jefferson Lab’ın yüksek performanslı polarize elektron ışını, polarize hedefler ve algılama sistemlerindeki gelişmelerle birlikte bu tür verileri almamıza izin verdi” dedi.

Etkilenen cisimler arasındaki mesafe arttıkça, güçlü kuvvet eşleşmesinin düzleşmeden ve sabitleşmeden önce hızla büyüdüğünü buldular.

Chen, “Bunun böyle olması gerektiğini öngören bazı teoriler var, ancak bunu deneysel olarak ilk kez gerçekten gördük” dedi. “Bu bize protonları ve nötronları oluşturan kuarkların ölçeğinde güçlü kuvvetin gerçekte nasıl çalıştığına dair ayrıntılı bilgi veriyor.”

Tesviye, büyük teorileri destekler

Bu deneyler, yaklaşık 10 yıl önce, Jefferson Lab’ın elektron ışını enerjide sadece 6 GeV’ye kadar elektron sağlayabildiğinde yapıldı. Artık 12 GeV’a kadar kapasiteye sahiptir. Bu daha büyük mesafelerde güçlü kuvveti incelemek için daha düşük enerjili elektron ışını gerekliydi: daha düşük enerjili bir sonda, daha uzun zaman ölçeklerine ve dolayısıyla etkilenen parçacıklar arasında daha büyük mesafelere erişim sağlar.

Benzer şekilde, daha kısa zaman ölçeklerinin ve parçacıklar arasındaki daha küçük mesafelerin görüntülerini yakalamak için yakınlaştırma yapmak için daha yüksek enerjili bir sonda gereklidir. Daha yüksek enerjili ışınlara sahip laboratuvarlar, örneğin CERN, Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarıve SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarıbu değer nispeten küçük olduğunda, bu daha küçük uzay-zaman ölçeklerinde güçlü kuvvet eşleşmesini zaten inceledik.

Daha yüksek enerjili kirişler tarafından sunulan yakınlaştırılmış görünüm, bir kuarkın kütlesinin küçük olduğunu, sadece birkaç MeV olduğunu göstermiştir. En azından, bu onların ders kitabı kütlesi. Ancak kuarklar daha düşük enerjiyle araştırıldığında, kütleleri etkili bir şekilde 300 MeV’ye çıkar.

Bunun nedeni, kuarkların daha büyük mesafeler boyunca hareket ederken güçlü kuvveti taşıyan parçacık olan bir gluon bulutu toplamasıdır. Bu bulutun kütle oluşturucu etkisi, evrendeki kütlenin çoğunu oluşturur – bu ek kütle olmadan, ders kitaplarındaki kuarkların kütlesi, proton ve nötron kütlesinin yalnızca yaklaşık %1’ini oluşturabilir. Diğer %99 ise bu kazanılmış kütleden gelir.

Benzer şekilde, bir teori, gluonların kısa mesafelerde kütlesiz olduğunu, ancak daha fazla hareket ettikçe etkili bir şekilde kütle kazandıklarını öne sürer. Büyük mesafelerde güçlü kuvvet kuplajının seviyelendirilmesi bu teoriyi desteklemektedir.

Deur, “Gluonlar uzun mesafede kütlesiz kalırsa, güçlü kuvvet eşleşmesi kontrolsüz bir şekilde büyümeye devam ederdi” dedi. “Ölçümlerimiz, incelenen mesafe büyüdükçe güçlü kuvvet eşleşmesinin sabit hale geldiğini gösteriyor; bu, gluonların kütlenin %99’unu proton ve nötrona veren aynı mekanizma yoluyla kütle kazandığının bir işaretidir.”

Bu, bu kütle üretim mekanizmasını anlamak için büyük mesafelerde güçlü kuvvet kuplajının önemli olduğu anlamına gelir. Bu sonuçlar ayrıca, güçlü kuvveti tanımlayan kabul edilen teori olan kuantum renk dinamiği (QCD) için denklemleri çözmenin yeni yollarını doğrulamaya yardımcı olur.

Örneğin, güçlü kuvvet eşleşmesinin büyük mesafelerde düzleşmesi, fizikçilerin Anti-de Sitter/Konformal Alan Teorisi (AdS/CFT) ikiliği adı verilen yeni, son teknoloji bir tekniği uygulayabileceklerine dair kanıt sağlar. AdS/CFT tekniği, fizikçilerin denklemleri yinelemeli olmayan bir şekilde çözmesine olanak tanır; bu, yinelemeli yöntemlerin başarısız olduğu büyük mesafelerde güçlü kuvvet hesaplamalarına yardımcı olabilir.

“Konformal Alan Teorisi”ndeki konformal, tekniğin tüm uzay-zaman ölçeklerinde aynı şekilde davranan bir teoriye dayandığı anlamına gelir. Güçlü kuvvet eşleşmesi daha büyük mesafelerde azaldığından, artık uzay-zaman ölçeğine bağlı değildir, yani güçlü kuvvet uyumlu ve AdS/CFT uygulanabilir. Teorisyenler zaten AdS/CFT’yi QCD’ye uygularken, bu veriler tekniğin kullanımını desteklemektedir.

Deur, “AdS/CFT, şimdiye kadar zorlu olan veya çok kabaca ele alınan QCD veya kuantum yerçekimi sorunlarını çok titiz olmayan modeller kullanarak çözmemize izin verdi” dedi. “Bu, temel fiziğe birçok heyecan verici içgörü kazandırdı.”

Dolayısıyla, bu sonuçlar deneyciler tarafından üretilirken, en çok teorisyenleri etkiler.

SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nda fahri profesör ve bir QCD teorisyeni olan Stanley Brodsky, “Bu sonuçların kuantum renk dinamiği ve hadron fiziğinin ilerlemesi için gerçek bir atılım olduğuna inanıyorum” dedi. “Fizikteki bu büyük ilerleme için Jefferson Lab fizik topluluğunu, özellikle Dr. Alexandre Deur’u tebrik ediyorum.”

Bu sonuçları tesadüfen veren deneylerin üzerinden yıllar geçti. Tamamen yeni bir deney grubu, nükleer fiziği keşfetmek için Jefferson Lab’ın daha yüksek enerjili 12 GeV ışınını kullanıyor.

Chen, “Bütün bu eski deneylerden çok memnun olduğum bir şey, birçok genç öğrenciyi eğitmiş olmamız ve onların şimdi gelecekteki deneylerin liderleri haline gelmeleri” dedi.

Bu yeni deneylerin hangi teorileri desteklediğini sadece zaman gösterecek.

Referans: “QCD Etkin Ücretinin Deneysel Olarak Belirlenmesi αg1(Q)” yazan Alexandre Deur, Volker Burkert, Jian-Ping Chen ve Wolfgang Korsch, 31 Mayıs 2022, parçacıklar.
DOI: 10.3390/parçacıklar5020015

Leave a Reply

Your email address will not be published.