Yüksek rölativistik hızlarda ağır iyon çarpışmaları sonucu müon çifti üretimi

Parçacık fiziği en temel düzeyde maddenin neden yapıldığını incelemektedir. Atomaltı ölçekte madde çok küçük kitleler ile bu küçük kitleler arasındaki geniş boşlukların birleşiminden oluşur. Temel parçacıkların kütle,spin,elektrik yükü gibi özelliklerine bağlı olarak pek çok çeşitleri bulunmaktadır.Parçacık fiziğinin yanıtlamaya çalıştığı diğer önemli soru ise bu temel parçacıkların birbirleri ile nasıl etkileştiğidir. Bilim insanları bu farklı özelliklerdeki temel parçacıkları ve aralarındaki etkileşimleri inceleyebilmek amacıyla dünyanın pek çok yerinde hızlandırıcılar kurmuşlardır. Günümüzde bu hızlandırıcılardan en çok yararlanılanlarından biri Brookhaven National Laboratory'de bulunan Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), diğeri ise İsviçre'de bulunan Large Hadron Collider (LHC) hızlandırıcılarıdır. Hızlandırıcılarda ivme kazanan temel parçacıklar rölativistik hızlara ulaşmaktadır. RHIC'te tamamen iyonize edilmiş ağır iyonlar kütle merkezi referans çerçevesinde 100 GeV enerji ile LHC'de ise iyonize edilmiş iyonlar kütle merkezi referans çerçevesinde nükleon başına 3400 GeV enerji ile çarpıştırılmaktadır. Bu yeni kuşak hızlandırıcılarda nükleer maddeyi yüksek sıcaklık ve yüksek yoğunluklarda incelemek mümkün olmuştur. Bu çalışmadaki amaç, ultra rölativistik ağır iyonların çevresel (peripheral) çarpışmaları sonucu oluşan ağır lepton çiftlerinden müon - antimüonun tesir kesidini hesaplanmak ve diğer lepton çiftleri olan elektron-pozitron ve tau-antitau ile farklarını incelemektir. Ağır iyonlar ultra rölativistik hızlarda çevresel (peripheral) çarpışmalar yaptıklarında Lorentz boyca kısalmasına uğrarlar ve uçlarında çok şiddetli elektromanyetik alanlar oluşur. Bu alanlardan çok sayıda lepton çiftinin elektromanyetik olarak üretimi gerçekleşir. Bu olaylar bütünü Kuantum Elektrodinamiği (QED) kapsamında ele alınmaktadır. Daha önce yapılan çalışmalarda, serbest ve bağlı elektron-pozitron çiftlerinin tesir kesitleri düşük mertebe kuantum elektrodinamik yani ikinci derece Feynman diyagramları kullanılarak hesaplanmıştır. Oluşan elektron-pozitron çiftlerinin Compton dalgaboyu çekirdek boyutlarından çok büyük olduğu için "çekirdek form faktör" etkisi ihmal edilebilmiştir. Ancak bu çalışmada, ağır leptonların Compton dalga boyları, çekirdeğin boyutundan küçük olduğu için "çekirdek form faktörleri" hesaplamalara dahil edilmiştir. Bir elektronun Compton dalga boyu yaklaşık = 386 fm mertebesindedir. Fakat müonun dalgaboyu 1.86 fm ve taunun dalgaboyu 0.11fm civarındadır. Ağır iyonların çaplarının yaklaşık 15 fm civarında olduğu göz önüne alınırsa, oluşan ağır leptonların iyon çekirdeği ile etkileşeceği ve çekirdeğin içinde zaman geçireceği öngörülebilir. Bu çalışmada özellikle müon- antimüon çiftlerinin oluşumu ile ilgili daha kapsamlı bir bilgiye sahip olmak amaçlanmıştır.