Relyativistik Ağır İon Toqquşdurucusundakı (RHIC) STAR detektorunun yeni tapıntıları protonlara müəyyən kvant xüsusiyyətlərindən birini verən şeyin tanış mənzərəsini şübhə altına alır. Nəticələr göstərir ki, kvarkları bir-birinə yapışdıran hissəciklər olan qlüonlar barion sayının daşınmasında və qorunmasında əsas rol oynaya bilər.

Dəlillər, ABŞ Energetika Nazirliyinin (DOE) Elm Ofisinin nüvə fizikası tədqiqatları üçün istifadəçi müəssisəsi olan və 2000-ci ildən 2026-cı ilin əvvəlinə qədər DOE-nin Brookhaven Milli Laboratoriyasında fəaliyyət göstərən RHIC-də yüksək enerjili hissəciklərin toqquşmalarından irəli gəlir. Science jurnalında dərc olunan yeni tədqiqata görə , barion ədədi protonun üç əsas kvarkını birləşdirən Y formalı qlüonların “qovşağı” ilə əlaqələndirilə bilər. Təsdiqlənərsə, bu, barion ədədinin yalnız həmin kvarklara aid olduğu uzun müddətdir davam edən fərziyyəni şübhə altına alacaq.

“Ənənəvi olaraq, alimlər proton və ya neytronun içərisindəki üç əsas “valentlik” kvarkının hər birinin barion ədədinin üçdə birini daşıdığını fərz ediblər”, – deyə Kent Dövlət Universitetinin professoru və Brookhaven Laboratoriyasında birgə çalışan Zhangbu Xu bildirib.

Qlüonlar haqqında onilliklər boyu mövcud olan bir fikir

Fiziklər ilk dəfə 1970-ci illərdə qlüonların protonun içərisindəki valent kvarkları necə birləşdirdiyini təsvir etmək üçün barion qovşağını, həmçinin qlüon qovşağını təklif etmişdilər. 1996-cı ildə, RHIC fəaliyyətə başlamazdan dörd il əvvəl, Stony Brook Universiteti və Brookhaven Laboratoriyasının nəzəri fiziklərindən biri olan Dmitri Kharzeev bu qovşağın daha fundamental bir şey edə biləcəyini irəli sürdü. Barion ədədi daşıyan valent kvarklarından daha çox, qovşağın özü buna səbəb ola bilər.

STAR əməkdaşlığı artıq RHIC-də istehsal edilən bir neçə növ toqquşmadan istifadə edərək bu ehtimalı sınaqdan keçirmək üçün bir yol hazırlayıb.

Xu əlavə edib ki, “RHIC-də müxtəlif növ hissəcik toqquşmalarından toplanan məlumatlardan istifadə edərək, nəticələrimiz barion sayının sadəcə fərdi kvarklar tərəfindən daşınmadığını göstərir. Nəticələrimiz, bu xüsusi konfiqurasiyada yerləşdirildikdə, kvarkları bir yerdə saxlayan hissəciklər olan qlüonlar tərəfindən barion sayının daha əlverişli daşınması və daşınması fikrini qəti şəkildə dəstəkləyir.”

Baryon sayı niyə vacibdir

Barion ədədinin əslində nəyin daşıdığını müəyyən etmək protonun daxili quruluşundan daha çox şeyə aiddir. RHIC toqquşmalarında barion ədədinin qorunması o deməkdir ki, barionların ümumi sayı, proton və neytron kimi üç kvark hissəciklərinin, toqquşmadan əvvəl və sonra dəyişməz qalmalıdır. Eyni qorunma prinsipi kainatın miqyasında da tətbiq olunur.

“Böyük Partlayışdan bəri proton və neytronların sayı zamanın funksiyası kimi heç vaxt dəyişmir”, – deyə 2020-ci ildə Brookhaven Laboratoriyasında postdoktorantura təhsili almış Rays Universitetinin STAR fizikası Nikol Lüis bildirib. “Bu qorunmanın səbəbləri yaxşı başa düşülmür. Bu, kainatın sirlərindən biridir və niyə antimaddədən daha çox maddəyə sahib olduğumuzla bağlıdır”, – deyə o bildirib.

Barion ədədinin qorunmasının daha çox nəzərə çarpan bir nəticəsi var. Bu, atom nüvələrinin mərkəzi hissəsini təşkil edən və adi şəraitdə parçalanmayan protonların fövqəladə sabitliyini izah etməyə kömək edir.

Lüis dedi: “Bir protonun ömrünün kainatın ömründən daha uzun olduğuna inanılır. Bu, atom nüvələrinin əmələ gəlməsinə və sabit qalmasına imkan verir – bu da o deməkdir ki, kainatda onunla qarşılıqlı təsir göstərdiyimiz zaman maddə mövcud ola bilər.”

Daha Mürəkkəb Proton

Qlüonların barion ədədini daşıması ehtimalı bir çox dərslikdə tapılan standart sadələşdirilmiş təsviri alt-üst edərdi. Həmin şəkildə protonun barion ədədi üstəgəl birə bərabərdir və üç əsas valent kvarkı arasında bərabər bölünür. Buna görə də hər kvark, protonun elektrik yükünün üç valent kvarkı arasında paylandığı kimi, barion ədədinin üstəgəl üçdə birini daşıyır.

Lakin əsl protonlar sadələşdirilmiş modelin təklif etdiyindən daha mürəkkəbdir.

“Sadəlövh kvark modelində bir protonun içərisində üç kvark var, amma başqa heç nə yoxdur”, – deyə Kent Dövlət Universitetində əvvəllər postdoktorluq etmiş, hazırda isə DOE-nin Argonne Milli Laboratoriyasında çalışan Tommi Tsanq bildirib. “Amma içəridəki detallara baxsaq, yalnız üç kvark deyil, həm də bu kvarklar arasında qarşılıqlı əlaqədə olan çoxlu qlüonlar var və vakuumdan çıxan kvarklar və antikvarklar da var, buna görə də bu, əslində çox mürəkkəb bir obyektdir.”

Bu qarşılıqlı təsirləri təsvir etmək üçün istifadə edilən kvant xromodinamikası (KXD) nəzəriyyəsi kvarklar və qlüonlar arasında təsir göstərən güclü qüvvəni izah etməkdə çox uğurlu olmuşdur. Buna baxmayaraq, KXD-dən ilhamlanan modellər, RHIC nüvələri təxminən işıq sürəti ilə bir-birinə vurduqda müşahidə edilən bəzi hissəcik nümunələrini təkrarlamaq üçün tez-tez əlavə fərziyyələrə ehtiyac duyurlar.

Gözlənilməz Barion Həddindən Artıqlığı

Xüsusilə bir müşahidə STAR komandasının diqqətini çəkdi. Detektor, toqquşmalardan yanlara, gələn şüaların istiqamətinə perpendikulyar olaraq çıxan antibarionlardan daha çox barionu dəfələrlə qeydə alır.

Tsang deyib: “STAR detektorunda, toqquşmalardan toqquşma şüalarının istiqamətinə perpendikulyar olaraq çıxan barionların sayını daim görürük. Toqquşmalarımız maddədən başladığı üçün antibarionlardan daha çox barion və ya antimaddədən daha çox maddə ilə nəticələnməyimiz təəccüblü deyil”.

Bu son dərəcə enerjili toqquşmalar çox böyük miqdarda enerjini minlərlə yeni yaradılmış hissəciyə çevirir. Tədqiqatçıları çaşdıran şey sadəcə antibarionlardan daha çox barionların əmələ gəlməsi deyildi. Artıq barionların da burada əmələ gəlməsi idi.

Əgər təkcə valent kvarkları barion ədədini daşıyırsa, şüa xəttindən uzaqlaşmanı izah etmək üçün bir toqquşma protonundan gələn hər üç valent kvarkının detektorun mərkəzinə yaxın dayanması lazım gələcək. Daha sonra onlar maddədən enerjiyə və yenidən maddəyə çevrilməli və şüaya perpendikulyar olaraq xaricə hərəkət edən yeni barionlar əmələ gətirməli olacaqlar.

STAR tədqiqatçıları bunun başqa bir izahının ola biləcəyindən şübhələnirdilər.

Elektrik Şarjı Test Təmin Edir

Komanda, valent kvarklarının başqa bir xüsusiyyətindən – elektrik yükündən istifadə edərək sirri araşdırmağın bir yolunu tapdı. Alimlər müxtəlif RHIC nüvə toqquşmalarında ölçülən xalis barion sayını eyni hadisələrdə elektrik yükünün yenidən paylanması ilə müqayisə etdilər.

“Toqquşmaya perpendikulyar olaraq çıxan elektrik yükünün ölçülməsi, neçə kvarkın dayandırıldığını və yeni hissəciklərə çevrildiyini ölçməyin qəti bir yolunu verir”, məlumat təhlili və model simulyasiyaları aparan bir qrup tələbəyə rəhbərlik edən Çin Elm və Texnologiya Universitetinin professoru Zebo Tanq dedi.

Müqayisə təəccüblü bir uyğunsuzluq aşkar etdi. Tədqiqatçılar dayanmış kvarklarla əlaqəli elektrik yükünə əsasən istehsal edilməli olduğundan təxminən iki dəfə çox barion müşahidə etdilər.

QCD-yə əsaslanan modellərə görə, bu o deməkdir ki, detektorda görünən bütün barionları izah etmək üçün çox az kvark dayandırılıb.

Bu, vacib bir sual yaratdı: Əlavə barion ədədini daşıyan nə idi?

STAR fizikləri, qlüonların, xüsusən də protonun valent kvarklarını birləşdirən üç uclu qlüon qovşağının mümkün bir cavab olduğunu iddia edirlər.

Qlüon qovşağının barion ədədini necə daşıya biləcəyi

Təklif olunan mexanizm, toqquşan nüvələrin içərisindəki protonların nəhəng enerjilərə çatdıqda nə baş verməsindən asılıdır. STAR komandasına görə, kvarkları birləşdirən “qlüon qovşağı” və ya “barion qovşağı”nın toqquşmada dayandırılması üç kvarkın özündən daha asan ola bilər.

Əgər qovşaq dayandırılarsa, onun enerjisi şüalara perpendikulyar istiqamətlərdə xaricə hərəkət edən yeni əmələ gələn barionlara çevrilə bilər. Bu vaxt, əvvəllər qovşaqla birləşdirilmiş valent kvarkları şüa borusu boyunca irəliləməyə davam edə bilər.

Bunun səbəbini anlamaq üçün protonun enerjisi artdıqca dəyişən daxili quruluşuna baxmaq lazımdır.

Brookhaven Laboratoriyasının STAR fizikası üzrə mütəxəssisi Prithwish Tribedy, “Protonlar getdikcə daha yüksək enerjiyə doğru sürətləndirildikdə belə, barion qovşağı həmişə mövcuddur. Lakin yüksək enerjidə protonun içindəki qlüonlar bölünür və çoxalır.”

Qlüonların sayı artdıqca, protonun impulsu daha çoxu arasında yayılır. Buna görə də, qovşağı təşkil edənlər də daxil olmaqla, hər bir fərdi qlüon protonun ümumi impulsunun daha kiçik bir hissəsini daşıyır. Lakin valent kvarkları protonun irəli hərəkətinin çox hissəsini daşımağa davam edir.

Nəticədə, toqquşma baş verdikdə, nisbətən daha yavaş üç tərəfli qlüon qovşağının dayandırılması və sürətlə hərəkət edən kvarklara nisbətən yeni hissəciklərə çevrilməsi daha asan olmalıdır.

Tribedy-yə görə, bir bağlı strukturu dayandırmaq üç ayrı kvarkı dayandırmaqdan daha asandır və bu da belə bir qarşılıqlı təsirin ehtimalını artırır.

“Toqquşmada barion qovşağı geridə qalır və kvarklar davam edir”, – deyə o qeyd edib.

Toqquşmadan Sonra Yeni Hissəciklərin Qurulması

Kvarklar və qlüonlar təcrid olunmuş vəziyyətdə qala bilməzlər, buna görə də toqquşmadan sonra onlar tez bir zamanda digər hissəciklərlə birləşirlər.

Sadələşdirilmiş bir nümunədə, şüa borusundan aşağıya doğru davam edən kvark antikvarkla birləşərək mezon adlanan iki kvarklı hissəcik əmələ gətirə bilər. Eyni zamanda, üç uclu qlüon qovşağı Y formalı maqnit kimi davranaraq, vakuumdan yeni yaradılmış üç kvarkı çəkərək yeni bir barion yarada bilər.

Əsl RHIC toqquşmaları daha şiddətli və mürəkkəbdir.

Brookhaven Laboratoriyasının fiziki Rongrong Ma bildirib ki, “Təxminən 100 proton və 100 neytron ehtiva edən nüvələrdən başlasaq da, bu toqquşmalar minlərlə yeni hissəcik yaradır; enerjinin 99%-i yeni hissəciklərə çevrilir”.

STAR komandası, daha çox sayda hissəcik yaradan toqquşmaların, kvarkların təkcə barion sayını daşıdığı sadə mənzərəyə əsaslanan proqnozlarla müqayisədə “orta sürətlilik” barionlarının daha çox olduğunu da aşkar etdi.

Tədqiqatçılara görə, bu barionların çoxunun şüa xəttinə perpendikulyar şəkildə çıxması, barion qovşağının mövcud olduğuna və barion sayının daşınmasında mühüm rol oynadığına dair güclü dəlil təqdim edir.

Maddənin Əsas Xüsusiyyətini Yenidən Düşünmək

Nəticələr göstərir ki, protonun müəyyənedici kvant xüsusiyyətlərindən biri yalnız onun üç valent kvarkında olmaya bilər. Bunun əvəzinə, bu kvarkları birləşdirən qlüon quruluşu barion ədədinin enerjili toqquşmalar zamanı necə ötürülməsi üçün əsas ola bilər.

Ma bildirib ki, “Tədqiqatımız barion ədədinin sadəcə üç kvark arasında bölündüyü və daşıdığı barədə uzun müddətdir mövcud olan fikri şübhə altına alır. Bu yeni anlayış maddənin quruluşu haqqında düşüncələrimizi yenidən formalaşdırır və kainatın hazırkı formasından məsul olan ən fundamental element haqqında biliklərimizi dərinləşdirir.”

Tədqiqat Energetika Nazirliyinin Elm Ofisi, ABŞ Milli Elm Fondu (NSF) və elmi məqalədə sadalanan çoxsaylı beynəlxalq agentliklər və təşkilatlar tərəfindən dəstəklənib. Tədqiqatçılar həmçinin NSF tərəfindən birbaşa dəstəklənən Açıq Elm Şəbəkəsindən, Brookhaven Laboratoriyasının Elmi Məlumatlar və Hesablama Qurğularındakı hesablama resurslarından və Energetika Nazirliyinin Lorens Berkli Milli Laboratoriyasında yerləşən Energetika Nazirliyinin Elm Ofisinin digər istifadəçi qurğusu olan Milli Enerji Tədqiqatları Elmi Hesablama Mərkəzindən (NERSC) istifadə ediblər.