Evrenin ilk anlarında neler yaşandığını anlamak, modern fiziğin en büyük hedeflerinden biri. CERN’de çalışan uluslararası bir araştırma ekibi ise bu soruya yanıt bulmak için şaşırtıcı bir başarıya imza attı: Bilim insanları, şimdiye kadar oluşturulan en küçük ölçekli “Büyük Patlama benzeri” koşulları laboratuvar ortamında yeniden üretmeyi başardı.

Evrenin İlk Anlarına Yolculuk

Bugün etrafımızda gördüğümüz yıldızlar, gezegenler ve hatta kendi bedenimiz; atomlardan, atomlar da proton ve nötronlardan oluşuyor. Ancak Büyük Patlama’nın hemen ardından evren bugünkü halinden çok farklıydı.

Yaklaşık bir milyonuncu saniye kadar kısa bir süre boyunca evren, son derece sıcak ve yoğun bir “kuark-gluon plazması” ile doluydu. Bu dönemde protonlar ve nötronlar henüz oluşmamıştı. Onların yapı taşları olan kuarklar ve gluonlar serbest halde hareket ediyor, adeta kaynar bir parçacık çorbası meydana getiriyordu.

Evren genişleyip soğudukça kuarklar birleşmeye başladı ve bugün bildiğimiz madde ortaya çıktı. Bilim insanları yıllardır parçacık hızlandırıcılarında bu ilk evren koşullarını yeniden oluşturmaya çalışıyordu.

Bugüne Kadarki En Küçük Deney

Daha önce kuark-gluon plazması oluşturabilmek için kurşun gibi çok ağır atom çekirdeklerinin çarpıştırılması gerektiği düşünülüyordu. Ancak yeni çalışmada araştırmacılar, çok daha hafif olan oksijen-16 ve neon-20 çekirdeklerini neredeyse ışık hızında çarpıştırarak aynı madde durumunu elde etmeyi başardı.

Bu sonuç, plazmanın oluşabilmesi için gereken minimum sistem büyüklüğüne ilişkin mevcut varsayımları değiştirebilir. Araştırmanın liderlerinden You Zhou, bu başarıyı “küçük bir Büyük Patlama” olarak tanımlıyor ve bunun maddenin bu aşırı koşullara hangi sınırlar içinde geçiş yapabildiğini anlamamıza yardımcı olduğunu belirtiyor.

Deney sırasında oluşan kuark-gluon plazması yalnızca çok kısa bir süre varlığını sürdürüyor. Araştırmacılar bu plazmayı doğrudan gözlemleyemese de, çarpışma sonrası ortaya çıkan parçacıkların hareketlerini inceleyerek önemli bilgiler elde ediyor.

En dikkat çekici bulgulardan biri, neon çekirdeklerinin çarpışmalarında ortaya çıkan parçacık dağılımlarının, çekirdeğin gerçek geometrik yapısını yansıtması oldu. Araştırmacılar, adeta bir bowling pimine benzeyen bu dağılım sayesinde normal şartlarda doğrudan gözlemlenemeyen atom çekirdeği şekilleri hakkında yeni bilgiler elde etti. Aslında burada anlatılan şey oldukça ilginç. Fizikçiler doğrudan atom çekirdeğinin şeklini “fotoğraf çeker gibi” göremiyorlar. Bunun yerine, çarpışma sonrasında ortaya çıkan parçacıkların nasıl dağıldığına bakarak çekirdeğin yapısını dolaylı olarak anlamaya çalışıyorlar.

Bilardo Topu Benzetmesi

İki tane tamamen yuvarlak bilardo topunu çarpıştırdığını düşün. Çarpışma sonrası etrafa saçılan parçalar genellikle simetrik bir desen oluşturur. Ama eğer çarpıştırdığın cisimlerden biri rugby topu veya bowling pimi gibi asimetrik bir şekle sahipse, saçılan parçalar da buna bağlı olarak farklı yönlerde yoğunlaşır. Bilim insanları CERN’de neon-20 çekirdeklerini çarpıştırdığında ortaya çıkan parçacıkların dağılımında belirgin bir asimetri gördüler. Bu dağılım, teorik modellerin neon çekirdeği için öngördüğü şekille uyuşuyordu.

Peki “Bowling Pimi” Ne Demek?

Burada kimse gerçekten dev bir bowling pimi görmedi.

Kastedilen şey şu:

  • Neon çekirdeğinin içindeki proton ve nötronların uzaydaki dizilimi tam küresel değil.
  • Çarpışma sonrası oluşan kuark-gluon plazmasından çıkan parçacıklar belirli yönlerde daha yoğun gözlendi.
  • Bu yoğunluk haritası analiz edildiğinde şeklin “bowling pin” (loblu, bir tarafı daha şişkin) benzeri bir geometriye işaret ettiği görüldü.

Yani araştırmacılar aslında şunu söylüyor:

“Çarpışmadan çıkan parçacıkların desenine bakınca, çarpışan çekirdeğin şekli hakkında bilgi elde edebiliyoruz.”

Neden Bu Kadar Önemli?

Bu deneyin asıl sürprizi kuark-gluon plazması üretmeleri kadar şu: Eskiden parçacık çarpıştırıcıları daha çok “maddeyi parçalamak” için kullanılıyordu. Şimdi aynı deneyler sayesinde atom çekirdeklerinin geometrisini de incelemek mümkün oluyor.

Bir nevi:

  • CT (tomografi) cihazının insan vücudunun içini göstermesi gibi,
  • CERN’deki çarpışmalar da atom çekirdeğinin iç yapısını göstermeye başlıyor.

Bu çalışma yalnızca evrenin ilk saniyelerini anlamak açısından önemli değil. Aynı zamanda atom çekirdeklerinin yapısı ve güçlü nükleer kuvvet gibi temel fizik konularına da ışık tutuyor. Çarpışmalar sonrasında parçacıkların nasıl hareket ettiğini inceleyen bilim insanları, çekirdek fiziğinde uzun süredir cevap bekleyen bazı sorulara da yaklaşmayı umuyor.

Araştırmacılar, bu “mikro Büyük Patlamalar” sayesinde evrenin doğumundan hemen sonra meydana gelen süreçleri daha iyi anlayabileceklerini ve maddenin bugün bildiğimiz karmaşık yapılara nasıl dönüştüğünü açıklayabileceklerini söylüyor.

CERN’de gerçekleştirilen bu deney, evrenin kökenini araştıran fizikçiler için önemli bir dönüm noktası olabilir. Çok daha küçük atom çekirdekleriyle kuark-gluon plazması oluşturulabilmesi, hem erken evren modellerini geliştirecek hem de maddenin en temel yapı taşlarına ilişkin bilgimizi derinleştirecek. Kısacası bilim insanları, laboratuvarda yarattıkları “en küçük Büyük Patlama” sayesinde evrenin en büyük sırlarından bazılarına bir adım daha yaklaşmış durumda.

 

Kaynak: wired, koowipublishing.com, news.ku.dk