Atomların içerisinde bulunan ve pozitif yüklü ufak parçacıklar olan protonlar, yeni bir araştırmaya göre; metrenin birkaç katrilyonda biri kadar daha ufaklar. Protonların çapı, geçtiğimiz on yılda fizik alanındaki bazı kesimleri çileden çıkarmıştı. Araştırmacılar, buldukları yeni yöntem ile birlikte protonun çapını belirlediklerini düşünüyor.
Protonun, bir uçtan diğerine 0.831 femtometre olduğu keşfedilmiş. Bu miktar, hızlandırıcılardaki elektronların kullanılmasıyla gerçekleştirilen önceki hesaplamaya göre yaklaşık yüzde 4 daha küçük. Bir femtometer, bir metrenin milyarda birinin milyonda biri kadar (0.000000000000001 metre). Yeni çap ise bu rakamın yalnızca yüzde 80’i.
Fakat bu durum, fizikçiler için büyük (ve aynı zamanda çok küçük) bir olay. Duke Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Haiyan Gao’ya göre; protonun boyutuna yönelik yapılan bu ölçüm, bir atomdaki enerji seviyelerinin hesaplanışını etkileyecek.
Aslında fizikçiler burada, protonun yük dağılımının çapını ölçmüş. Fakat Gao’nun açıkladığına göre bu dağılım, pürüzsüz ve küre şeklinde değil. Proton, kuark adı verilen ve kendi yükleri bulunan (bunlar da eşit şekilde dağılmamış olan), daha ufak boyutlu parçacıklardan oluşuyor. Ayrıca hiçbir şey sabit durmuyor. Bu yüzden proton, bir nevi hareketli hedef gibi.
Protonun yük çapını ölçmenin yollarından biri, bir hidrojen atomunun çekirdeğinden elektron ışını yaymak. Hidrojen atomu, sadece bir proton ve bir elektrondan oluşuyor. Fakat bu elektronun, protonu çok hafif şekilde dürtmesi gerekiyor. Araştırmacılar bu sayede, söz konusu etkileşime yol açan yükün boyutunu anlayabiliyorlar. Bir diğer yaklaşımda ise, iki hidrojen atomunun enerji seviyesi arasındaki farklılıklar ölçülüyor. Geçmişte bu iki yöntemle elde edilen sonuçlar, genel olarak kabul görmüştü.
Fakat 2010 yılında Paul Scherrer Enstitüsü’nde yapılan bir deneyde, hidrojen atomunda bulunan bir elektron ile müon yer değiştirilmişti. Elektron parçacık ailesinin bir üyesi olan müon, çok daha ağır ve daha kısa ömürlü bir madde. Yine de müon, elektron gibi negatif yüke sahip; ancak yaklaşık 200 kat daha ağır. Bu yüzden, protona çok daha yakın bir yörüngede durabiliyor.
Müonik hidrojenin enerji seviyeleri arasındaki farklılığı ölçen bu bilim insanları, protonda çok hassas bir yük çapı elde etmişler fakat bundan önce kabul edilen değere göre çok ufak çıkmış. Ayrıca bu durum, “proton yük çapı bulmacası” adını verdikleri bu tartışmanın da fitilini ateşlemiş.
Gao ve çalışmaya katkıda bulunan araştırmacılar, bu bulmacayı çözmek amacıyla; bir dizi yenilikle birlikte tamamen yeni bir elektron saçılım deneyine girişmişler. Elektron dağılımına; hidrojen atomunun hem protonundan, hem de elektronundan aynı anda bakmışlar. Ayrıca, sıfıra yakın derecelerde dağılan elektronların ışınlarını elde etmenin de yolunu bulmuşlar (yani bu elektronlar, neredeyse doğrudan geliyormuş) ve bu sayede protonun yük tepkisi, elektron ışınında daha yüksek bir hassasiyetle ‘hissedilmiş’.
Ardından, protonun yüzde 4 daha ufak olduğu keşfedilmiş. “Fakat gerçekten, bu çok daha karmaşık bir şey” diyor Gao.
Çalışma, ABD Enerji Bakanlığı’nın Virginia eyaletinde yer alan Newport News şehrindeki Thomas Jefferson Ulusal Hızlandırma Tesisi’nde yürütülmüş. ABD Ulusal Bilim Vakfı ve ABD Enerji Bakanlığı’nın sağladığı yeni donanımlar ile bu deney için özel olarak yapılmış bazı parçalar kullanılmış. “Bu tartışmayı çözmek için yeni bir yaklaşıma ihtiyacımız vardı” diyor Gao.
Gao, bu konuya yaklaşık 20 yıldır ilgi duyduğunu söylüyor; protonun yük çapında, her ikisi de elektron saçılım deneylerinden gelen iki farklı değer olduğunu öğrendiğinden beri… “Her biri, yaklaşık yüzde 1’lik belirsizlik olduğunu iddia ediyordu fakat yüzde birkaç oranında uyumsuzluk gösteriyorlardı” diyor.
Ayrıca, çağdaş fizikte her zaman olduğu gibi; cevap çok temiz çıkmasaydı, parçacık fiziği bakımından Standart Model’in bazı kısımları şüpheli duruma gelebilirdi. Fakat tüh, bu sefer öyle olmamış.
“Bu durum, bazı sebepler dolayısıyla özellikle önem taşıyor” diyor Gao. Proton, görünür maddenin temel bir yapı taşı. Hidrojenin enerji seviyesi ise, bütün fizikçilerin bel bağladığı temel bir ölçüm birimi.
Gao’nun söylediğine göre bu yeni ölçüm, kuarklar ve gluonlardaki etkileşim kuramı olan kuantum kromodinamiğine (QCD) yönelik yeni fikirlerin gelişmesine de yardımcı olabilir. “QCD’nin nasıl işlediğini cidden anlamıyoruz” diyor Gao.
“Bu çok ama çok büyük bir olay. Bilim sahası, bu konuda çok heyecanlı.”
ABD Ulusal Bilim Vakfı ve ABD Enerji Bakanlığı’nın maddi destek sağladığı araştırma, Nature bülteninde yayınlandı.
Yazar: Karl Bates/Futurity. Çeviri: Ozan Zaloğlu.
