Dört temel doğa kuvvetinden biri olan güçlü etkileşmenin kuramı Kuantum Renk Dinamiği’ne göre, kritik bir sıcaklığın ve baryon yoğunluğunun üstünde madde, kuark ve gluonlara ayrışarak maddenin yeni hali olarak kabul edilen kuark-gluon plazmayı oluşturur.

Kuarklar, proton ve nötron gibi çekirdek parçacıklarını, taşıdıkları “renk yükü” sayesinde çeşitli bileşimlerle oluşturan en temel madde parçacıkları. Gluonlar ise, kuarkları birbirine bağlayan kuvvet taşıyıcı parçacıklar. Bilim adamlarına göre, büyük patlamadan birkaç mikrosaniye sonra evren kuark-gluon plazması durumun-daydı. Yeryüzünde kuark-gluon plazmasını inceleyebilmemizin tek yolu, yüksek enerjilerde ağır iyonları çarpıştırmak. Ancak bu çarpışmalar sonu-cunda detaylı bilgi edinmek o kadar da kolay değil. Tüm deneylerde gözlenen tek şey hızlandırıcı tünellerde parçacıkların yüksek enerjilerde çarpıştırılmasıyla oluşan parçacıklar sağanağı. Fizikçiler atomların çekirdeğini oluşturan proton ve nötron gibi parçacıklar olan her nükleon başına 200 GeV (milyar elektronvolt) enerjili ağır iyonlari çarpıştırıp, oluşan ateş topundan çıkan parçacıkları inceleyerek, kuark-gluon plazmasını gözlemlemeye çalışıyorlar. Kuark-gluon plazma sinyallerini belirleyebilmek için çok sayıda uluslararası işbirliğiyle çalışmalar yapılmakta.

İsviçre’deki Avrupa Parçacık Fiziği Laboratuvarı (CERN) ve Amerika’daki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda yapılan deneylerde kuark-gluon plazmasının varlığına işaret eden güçlü kanıtlar elde edilmiş bulunuyor.

Neden Renkli Kuarklara İhtiyacımız Var?

Kuarkların üç tür renk yüküne sahip olduğunun ilk işareti, üç u (yukarı) kuarkın temel durumu olan delta A^ (uuu) ve üç s (garip) kuarkın temel durumu olan omega Q”(sss) baryonlarının varlığı. Bu baryonlar içindeki u ve s kuarklar Pauli Dışarlama İlkesine göre farklı kuantum sayılarına sahip olmalıdır. Fakat A^ ve Q” baryonlarındaki kuarklar temel durumda bulunduğundan aynı kuantum sayılarına sa-hipmiş gibi görülürler. Bu sorunu ortadan kaldırmak için 1969′da Nambu ve Gell-Mann birbirlerinden bağımsız olarak her bir kuarkın üç ayrı renkli kopyası olması gerektiğini iddia ettiler. Diğer deyişle her bir kuark kırmızı, mavi ve yeşil diye adlandırılan üç farklı durumda bulunabilir. Ancak bu renklerin bildiğimiz renklerle hiçbir ilgisi yoktur. Gözlenen hadronlar, üç rengin tümünü ya da bir renk ve bir antirenk içerdiğinden renksizdir. Böylece A++ ve Q” baryonlarındaki üç ku­ark farklı renklere sahiptir ve artık Pa­uli Dışarlama İlkesi ihlal edilmemektedir. Ayrıca, antikuarklar da antirenk yüküne sahip bulunuyorlar.

Üç rengin varlığını gösteren bir diğer önemli kanıt, elektron-pozitron çarpışma (e-+e+) deneylerinde elde edilen sonuçlardır. e-+e+ çarpışmasında, yüklü parçacık çiftleri elektromanyetik etkileşmeyle oluşuyorlar. Bu olay-da sanal foton oluşmakta ve oluşan foton ise e-+e+, µ-+µ+, ?-+?+ şeklinde leptonlara ya da farklı hadronlara dönüşmekte. Mezon ve baryonların oluşumu e-+e+>q+q^—> hadronlar kanalıyla gerçekleşir. Kuarklara üç farklı renk yüküne sahip noktasal fermiyonlar gibi bakıldığında e- + e+ çarpışmasında hadron oluşumu olasılığının µ-+µ+ oluşumu olasılığına oranı, kaç çeşit renk yükü olduğuna ve kuark çeşni sayısına bağlıdır. Bu oran için elde edilen deneysel sonuçlar kuark modelinin öngörüsüyle uyum sağlamakta olup, kuarkların üç farklı renk yüküne sahip olması gerektiğini kanıtla-maktadır. Buna göre örneğin bir u ku­ark kırmızı renk yükü, mavi renk yükü ve yeşil renk yükü diye adlandırılan yüklerden herhangi birine sahiptir. Böylece birbirinden renk yükleriyle ayırt edilen üç çeşit u kuark mevcuttur.

Sonuçta renk yükü nedeniyle kuarkların sayısı üç kat artarken, çeşni uzayından bağımsız yeni bir renk uzayı da keşfedilmiş oluyordu. Bu gelişmelerin sonucunda kuarkların etkileşmelerini tanımlayan Kuantum Renk Dinamiği (QCD) kuramı ortaya çıktı. Elektromanyetik etkileşmede, parçacıkların elektrik yükü nedeniyle etkileşmesi gibi, güçlü etkileşmede de kuarklar renk yükleri nedeniyle etkileşirler. Elektrik yüklü parçacıklar birbirlerini foton değiş-tokuşu yaparak, iter ya da çekerler. Kuarklarsa birbirleriyle fotona benzeyen renk yüklü gluonlar aracılığıyla etkileşirler.

Küçük mesafelerde kuarklararası etkileşme zayıflar. Mesafe arttığındaysa, kuarklar arasındaki etkileşme kuvveti büyümekte.

Güçlü etkileşmenin böyle farklı özelliklere sahip olmasının nedeni, gluonların renk yükü taşıması. Bilindiği gibi elektro­manyetik etkileşmeyi ileten fotonlar elektrik yüküne sahip olmadığından birbirleriyle doğrudan etkileşmeye girmezler. Fotonlardan farklı olarak gluonlar, bir diğer gluonu yakalayıp, soğurabilir ve bu olayda renk yükleri değişir. Kuarklararası etkileşme yalnız kuarkların renk yüküne bağlı olmayıp, bu kuarkları çevreleyen gluon bulutunun renk yüküne de bağlıdır. Kuarklararası mesafe büyüdükçe, gluon bulutlarının katkısından dolayı etkileşme kuvveti büyür. Sonuç olarak, kuarkların efektif renk yükleri (kuarkla çevresindeki gluon ve kuark-antikuark bulutlarının toplamını ifade eden renk yükü), kuarklararası mesafenin artmasıyla büyür. Bu özellik kuark ve gluonların sürekli hapsine (confinement) sebep olur. QCD’ ye göre, yalnız renksiz parçacıklar gözlenebilir. Renksiz bir hadronu bileşenlerine ayırmaya çalışırsak, hadronu oluşturan kuarklararası etkileşme alanındaki enerji bir kuark-antikuark çifti oluşturmak için yeterli olduğunda (E=mc2) , bu enerji yeni kuark-antikuark çiftlerinin oluşumuna sebep olur. Ortaya çıkan kuark ve antikuarklarla birleşerek yeni parçacıklar oluşturur. Sonuç olarak, hadronları bileşenleri ayırmak için verdiğimiz enerji, yeni parçacıkların oluşumuna harcanır. Be nedenle kuarkları serbest halde gözlemlememiz yani tuzaklamamız mümkün olmaz.

Kuark-Gluon Plazma

Yüksek enerji fiziğindeki son gelişmeler çok sayıda kuarklar ve gluonlardan oluşmuş sistemlerin incelenmesini gerektirir. Kuark ve gluonlardan oluşmuş sistemin termodinamik özelliklerini inceleyen teoriye Termal Kuantum Renk Dinamiği (Termal QCD) denir. Hadronik maddenin sıcaklığı, dolayısıyla enerji yoğunluğu gittikçe arttırıldığında, kuark ve gluonlar ser­best hale geçerek, maddenin yeni hali olarak kabul edilen kuark-gluon plazmayı (KGP) oluştururlar. KGP fazında kuarklar ve gluonlar herhangi bir hadrona ait olmayıp KGP’ nin tüm hacmi boyunca serbestçe hareket etme olanağı bulurlar. Elektrik yüklü parçacıklardan oluşan plazmanın toplam elektrik yükü sıfır olduğu gibi, renk yüklü kuark ve gluonlardan oluşan plazmanın da toplam renk yükü sıfır olur. Termal QCD’ ye göre, KGP’ de protonlar ve nötronlar kimliklerini kaybeder ve hadron maddesi, normal nükleer maddeden farklı olarak kuark ve gluonların etkileşmede bulunduğu bir karışıma dönüşür. Bu kritik sıcaklığın 150 MeV (1,8 trilyon K) civarında olduğu tahmin ediliyor.

İncelemeler KGP’de kuarklararası etkileşmenin, uzun menzilli Coulomb etkileşmesi yapısında olduğunu gösterir ve KGP pekçok açıdan elektrik yüklü parçacıklardan oluşmuş plazmaya benzer. En önemli fark, kuark ve gluonların elektrik yükü değil, renk yükü taşımalarıdır. Bu yeni fazda, güçlü etkileşme zayıflar ve ideal renk iletken bir KGP plazma oluşur. KGP’de uzun menzilli renk kuvveti, elektron-iyon plazmasında olduğu gibi kolektif etkiler yüzünden perdelenir. Bilim adamları güçlü etkileşmenin özelliklerini KGP’yi inceleyerek daha iyi anlayabileceklerini düşünüyorlar.

KGP doğa’da bulunur mu? Termal QCD’ye göre evrendeki madde, büyük patlamadan yaklaşık 10-6 (saniyenin milyarda biri) saniye sonra sıcaklık birkaç trilyon derecenin altına düşene kadar kuark-gluon plazması halindeydi. Ayrıca nötron yıldızı gibi doğal ortamlarda da KGP bulunabilir. Nötron yıldızlarının merkezindeki maddenin, KGP oluşturabilecek kadar yüksek enerjiye (normal nükleer madde enerji yoğunluğunun 10 katı) sahip olduğu düşünülüyor. Ayrıca, laboratuar ortamında nükleon başına birkaç yüz GeV’lik ağır iyon çarpışmalarında KGP oluşabilir. Bu nedenle, fizikçiler son yıllarda evrenin başlangıcındaki koşulları yaratmak amacıyla yüksek enerjilerde (nükleon başına 100 GeV) ağır iyonları çarpıştırarak, KGP’yi oluşturmaya çalışıyorlar. Bu çarpışmalarda ortaya çıkan sıcaklık 2 trilyon °C olup, Güneşin merkezindeki sıcaklığın 100.000 katıdır. Büyük patlama esnasındaysa sıcaklığın 1029 (100 trilyon kere trilyon) °C olduğu düşünülmektedir.

Prof. Dr. E.V Veliev