Oksijen çekirdekleri çarpıştı: Erken evrenin plazması küçük sistemde de oluşuyor

ABD'deki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda bulunan Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı (RHIC) ile çalışan STAR deneyi, iki oksijen çekirdeğinin neredeyse ışık hızında çarpıştırıldığı olaylarda kuark-gluon plazması oluştuğuna dair güçlü bir kanıt sundu. Physical Review Letters'ta 20 Ekim'de yayımlanan çalışmaya göre, çarpışmalardan fırlayan yüksek enerjili parçacık demetleri, içinden geçtikleri ortamda enerjilerinin bir bölümünü yitiriyor. Fizikçilerin "jet söndürme" adını verdiği bu etki, plazmanın en belirgin işaretlerinden biri sayılıyor.

Kuark-gluon plazması, protonları ve nötronları oluşturan kuarkların ve onları bir arada tutan gluonların serbestçe dolaştığı, son derece sıcak ve yoğun bir madde hâli. Bugünkü kuramlara göre evren, Büyük Patlama'dan sonraki ilk mikrosaniyelerde, kuarklar henüz proton ve nötronlara bağlanmadan önce bu hâldeydi. Analizi yöneten Shandong Üniversitesi'nden fizik profesörü Li Yi, Brookhaven'ın açıklamasında plazmanın özelliklerini anlamanın, evrenin ilk mikrosaniyelerdeki evrimini çözmek için temel olduğunu söylüyor.

Laboratuvarda bir "ilkel evren damlası"

RHIC baştan bu madde hâlini üretmek ve incelemek için kuruldu. Çarpıştırıcıda çoğunlukla altın çekirdekleri kullanıldı: Her biri 79 proton ve 118 nötron taşıyan iki altın çekirdeği yeterli enerjiyle çarpıştığında, protonlarla nötronların sınırları çözülüyor, içlerindeki kuarklar ve gluonlar serbest kalıyor; çarpışmanın enerjisi de E=mc² uyarınca binlerce yeni kuark ve gluona dönüşüyor. Ortaya çıkan damla bir atom çekirdeğinden küçük ve saniyenin milyarda birinin milyarda birinden daha kısa sürede yeniden sıradan parçacıklara dönüşüyor.

Bu kadar kısa ömürlü bir maddeyi doğrudan gözlemek mümkün olmadığından, araştırmacılar dedektöre ulaşan parçacıklardan geriye doğru çıkarım yapıyor. Yıllar içinde iki temel işaret öne çıktı. Birincisi jet söndürme: Çarpışmada sırt sırta iki parçacık demeti (jet) oluştuğunda, plazmanın içinde daha uzun yol alan jet daha fazla enerji kaybediyor. İkincisi kolektif akış: Altın çarpışmalarından çıkan görece düşük enerjili parçacıkların uyumlu bir düzenle hareket etmesi, plazmanın neredeyse hiç iç sürtünmesi olmayan, kusursuza yakın bir sıvı gibi aktığını gösterdi.

Küçük çarpışmalar tartışması

Asıl soru, akış benzeri izlerin çok daha küçük sistemlerde de görülmesiyle doğdu. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) ve RHIC'te protonların, döteronların ve helyum-3 çekirdeklerinin altın ya da kurşun çekirdeklerine çarptırıldığı deneylerde, hatta LHC'de tek tek protonların çarpışmalarında da benzer desenler kaydedildi. Bu kadar küçük çarpışmaların da plazma üretip üretmediği, yoksa aynı deseni başka bir mekanizmanın mı yarattığı tartışma konusu oldu. Brookhaven'dan STAR fizikçisi Rongrong Ma'ya göre küçük sistemlerde bugüne dek tartışmasız bir jet söndürme sinyali görülmemişti; ekip, bu sinyalin hâlâ açıkça seçilebildiği en küçük sistemi arıyordu.

Oksijen bu iş için elverişli bir aday. Çekirdeğinde yalnızca 8 proton ve 8 nötron var ve görece simetrik, küresel bir biçime sahip; bu da çarpışma geometrisini çözümlemeyi kolaylaştırıyor. Araştırmacılar, en çok parçacık üreten ve plazma oluşturma olasılığı en yüksek olan kafa kafaya çarpışmaları, çekirdeklerin birbirini ancak sıyırdığı ve plazma beklenmeyen çarpışmalarla karşılaştırdı.

Yüzde 20'lik bastırma

Analizde STAR'ın 2021'de, çekirdek çifti başına 200 milyar elektronvolt (GeV) enerjide topladığı oksijen-oksijen verileri kullanıldı. Ekip, yüksek enerjili bir tetikleyici parçacığın karşı yönünde çıkan parçacıkları ve jetleri saydı. Makaleye göre yüksek etkinlikli, yani kafa kafaya çarpışmalarda bu parçacıkların ve jetlerin sayısı, düşük etkinlikli çarpışmalara kıyasla yaklaşık yüzde 20 daha az; hiç bastırma olmadığı olasılığı yüksek istatistiksel anlamlılıkla dışlanıyor. Bastırma, geniş jetler için yaklaşık 0,7 GeV/c'lik bir momentum kaymasına karşılık geliyor.

Bu oran altın çarpışmalarında ölçülenden düşük. Ancak araştırmacılar bunun, çok daha küçük bir sistemden zaten beklenen bir sonuç olduğunu ve etkinin plazma oluştuğunu göstermeye yettiğini belirtiyor.

LHC ile birebir karşılaştırma imkânı

Oksijen, protonlar dışında hem RHIC'te hem LHC'de çarpıştırılmış tek çekirdek türü. CERN'deki LHC ilk oksijen çarpışmalarını 2025'te yaptı ve CERN'in açıkladığı sonuçlar orada da hem akış hem jet söndürme görüldüğüne işaret etti. Fakat LHC'deki çarpışma enerjisi 5.000 GeV'nin üzerindeydi; RHIC'teki ölçüm bunun yirmi beşte birinden de düşük bir enerjide yapıldı. Li Yi, enerji arttıkça daha sıcak ve yoğun bir plazma beklendiğini, bu yüzden sinyalin LHC'de daha güçlü olması gerektiğini vurguluyor. Düşük enerjide de sinyalin görülmesi, bu küçük sistemde plazma oluşumu için bilinen alt sınırı aşağı çekiyor.

Ma da ekibin hem çekirdek boyutunu hem de çarpışma enerjisini küçülterek plazma için gereken en alt koşulları zorladığını ve bu koşullarda bile kritik işaretin görüldüğünü söylüyor.

Sırada ne var

Çalışmanın sınırı da belli: Sonuç tek bir enerji düzeyine ve tek bir çarpışma sistemine dayanıyor; plazmanın tam olarak hangi noktada oluşmayı bıraktığı henüz bilinmiyor. 2000'den beri çalışan RHIC, faaliyetlerini 2026'da tamamladı; son çalışma dönemi 6 Şubat 2026'da STAR ve en yeni dedektör sPHENIX'te kaydedilen oksijen-oksijen çarpışmalarıyla sona erdi. Bu son veri setlerinin, plazmanın ne kadar küçük ve ne kadar düşük enerjili bir çarpışmada artık oluşmadığını daha net ortaya koyması bekleniyor. O sınırı bilmek, evrenin ilk mikrosaniyelerinde maddenin nasıl davrandığını anlamanın önemli bir parçası olacak.