Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndan yeni bulgu: Neon çekirdeği bowling lobutuna benziyor

Atom çekirdekleri çoğunlukla proton ve nötronların sıkı biçimde bir araya geldiği küresel yapılar olarak tasvir ediliyor. Ancak fizikçiler, bütün çekirdeklerin bu basit geometrik modele uymadığını uzun zamandır biliyor. Bazı çekirdekler uzamış, basık veya asimetrik biçimler gösterebiliyor. Radyum-224 çekirdeğinin armudu andıran yapısı, bu sıra dışı geometrilerin bilinen örnekleri arasında bulunuyor. Çekirdeklerin şeklinin belirlenmesi, özellikle çok yüksek enerjili ortamlarda maddenin nasıl davranacağını anlamak açısından önem taşıyor. Buna rağmen söz konusu yapıları doğrudan görüntülemek oldukça zor. Kuantum mekaniği nedeniyle sıfır açısal momentuma sahip küresel olmayan bir çekirdek, laboratuvarda bütün olası yönelimlerinin ortalaması alındığında küreselmiş gibi görünebiliyor. Araştırmacılar bu nedenle çekirdeğin gerçek geometrisini doğrudan görüntülemek yerine çarpışmalar sırasında bıraktığı izleri incelemek zorunda kalıyor.

CMS deneyinde oksijen-16 ve neon-20 karşılaştırıldı

CMS İşbirliği, görünmeyen çekirdek şekillerini araştırmak için oksijen-16 ve neon-20 iyonlarının çarpışmalarını inceledi. Bu iki çekirdeğin kütleleri birbirine yakın olsa da teorik hesaplamalar, iç yapılarının önemli ölçüde farklı olabileceğini öngörüyor. Oksijen-16 çekirdeğinin düzgün dört yüzlü olarak da tanımlanan tetrahedral bir geometriye sahip olması bekleniyor. Neon-20 çekirdeğinin ise daha uzamış ve asimetrik, bowling lobutunu andıran bir yapıda olduğu tahmin ediliyor. Araştırmacılar, çekirdeklerin doğrudan görülemeyen geometrilerinin çarpışma sonrasında ortaya çıkan parçacıkların hareketine yansıyabileceğinden hareket etti. Farklı şekillerdeki cisimlerin bir sıvının akışını farklı biçimde bozmasına benzer şekilde, çekirdek geometrisi de oluşan maddenin akışında ayırt edilebilir izler bırakıyor. Bu nedenle oksijen-oksijen ve neon-neon çarpışmalarından çıkan parçacıkların dağılımları aynı koşullarda karşılaştırıldı.

Eliptik akış neon çekirdeğinin şeklini ele verdi

Araştırmacılar, benzer enerjilerde gerçekleştirilen çarpışmalarda özellikle eliptik akış ve üçgen akış olarak bilinen desenlere odaklandı. Bu akış biçimleri, çarpışmanın ardından dışarı yayılan parçacıkların uzaydaki dağılımını tanımlıyor. Başlangıçtaki çekirdek geometrisi, çarpışma sonucunda oluşan sıcak ve yoğun ortamın genişleme yönlerini etkileyebiliyor. Böylece başlangıçta doğrudan gözlemlenemeyen yapı, son durumda ölçülen parçacıkların hareketinde iz bırakıyor. En şiddetli oksijen-oksijen ve neon-neon çarpışmaları arasında eliptik akışın gücü bakımından belirgin farklılıklar tespit edildi. Ölçülen farklar, neon-20 çekirdeğinin tetrahedral oksijen-16’dan farklı bir iç geometriye sahip olduğunu gösteriyor. Sonuçlar özellikle neon çekirdeğinin bowling lobutuna benzeyen uzamış yapısına ilişkin teorik hesaplamaları destekliyor. Bununla birlikte çalışma, çekirdeğin doğrudan bir görüntüsünü sunmuyor; şekil, çarpışma sonrasındaki kolektif parçacık hareketlerinden çıkarılıyor.

Üçgen akış ölçümleri daha fazla çalışma gerektiriyor

Araştırmacılar, üçgen akışta ölçülen değişimlerin mevcut model tahminleriyle nicel olarak tamamen örtüşmediğini de belirtiyor. Bu uyumsuzluk, deneysel verilerin yorumlanması ve kullanılan teorik modellerin geliştirilmesi için ek çalışmalara ihtiyaç olduğunu gösteriyor. Buna rağmen araştırmanın temel sonucu, hafif iyon çarpışmalarındaki kolektif akışın başlangıçtaki nükleer geometriye son derece duyarlı olduğunu ortaya koyuyor. Ortamın hidrodinamik tepkisi de ölçülen parçacık desenlerinin oluşmasında önemli bir rol oynuyor. Çekirdekleri yüksek enerjilerde çarpıştırıp dışarı çıkan parçacıkların dağılımını okumak, nükleer şekilleri araştırmak için yeni bir yöntem sunuyor. Çalışma aynı zamanda küçük çarpışma sistemlerindeki kolektivite modellerine daha sıkı sınırlamalar getirebilir. Physical Review Letters dergisinde yayımlanan bulguların, hafif atom çekirdeklerinin yapısının anlaşılmasına ve nükleer fizik modellerinin geliştirilmesine katkı sağlaması bekleniyor.