13 Temmuz 2012 Cuma

10 soruda Higgs Bozonu

Higgs Bozonu ile ilgili merak edip soramadığınız her sorunun cevabını MüspetİlimlerKumpanya'sından Dr. Can Kozçaz'ın ağzından aşağıda bulabilirsiniz. Dr. Can Kozçaz doktorasını 2009 yılında University of Washington'da tamamladıktan beri CERN'de teorik fizik konusunda araştırmalarına devam etmekte.


Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi, CERN, 4 Temmuz günü yeni bir parçacık keşfettiğini açıklayan bir basın toplantısı yaptı. Buna benzer bir toplantıyı geçtiğimiz yıl 13 Aralık tarihinde de yapmıştı, iki açıklama arasındaki fark nedir?

İki açıklama arasındaki farkı anlamak için CERN’de yapılan deneylerde nasıl yeni fizik modellerinin arandığı anlamamız gerekiyor. Deneylerde gözlemlenen çarpışmaların hemen hemen hepsi, zaten bugün bildiğimiz fizik süreçlerinden kaynaklanıyor. Aradığımız yeni fizik süreçleri çok nadir gerçekleşiyor. Bu yüzden istatistiği arttırmak gerekiyor.  13 Aralık tarihinde yapılan ilk açıklamada, 2011 yılında toplanan verilerin ön inceleme sonucu çıkan yeni bir parçacığa dair ip uçları duyurulmuştu, bir buluş yapıldı demek için yeteri kadar istatistik yani veri yoktu. Son yapılan açıklamada ise yeni bir parçacık bulunduğuna emin olmamızı sağlayacak kadar çok veri incelenerek yeni bir parçacığın bulunduğu açıklandı.

İstatistik nasıl sonuçları etkiliyor?

Basit bir örnek üzerinden düşünebiliriz: Diyelim ki elimizde bir zar var ve bu zarın hileli mi yoksa hilesiz mi olduğunu anlamak istiyoruz. Bunu anlamak için, zarı birçok kere atıp, gelen sayıları bir yere kaydedebiliriz. Birçok denemeden sonra eğer gelen sayılarda düzgün bir dağılım varsa, zarın hilesiz olduğuna güvenimiz artar. Ama bunun tersi ile karşılaştığımızı, arka arkaya aynı sayının geldiğini düşünelim. Zar gerçekten hileli diyebilir miyiz? Yoksa şans eseri mi aynı sayı üst üste geldi? Karar vermek için zar atmaya devam eder, bu sayıların hangi düzende gelmeye devam ettiğini anlamaya çalışırız. İşte 13 Aralık ile 4 Temmuz arasında yapılan da bunun bir benzeriydi, daha yüksek enerjide daha çok çarpışma kaydedilip, analiz edildi. Geçen sene görülmeye başlanan sinyalin şans eseri değil, gerçekten yeni bir parçacığın varlığını işaret ettiği anlaşıldı.

Bulunan yeni parçacık nedir? Higgs bozonu mu?

Bilim insanları genel olarak emin olmadan buluşlarını duyurmazlar. CERN’deki ATLAS ve CMS deneyleri de bundan farklı bir yaklaşım sergilemedi. Emin oldukları ve açıkladıkları, bilinen fizik süreçlerinin üretebileceğinden daha fazla parçacık üretimi gözlemledikleri ve bunun istatistiksel bir dalgalanma olmadığıdır. Ölçülen değerler, Higgs bozonunun varlığını öngören en basit modelle uyum içinde gözüküyor ve Higgs bozonu olduğu ile ilgili çok güçlü kanıtlar veriyor. Kesin olarak “Görülen Higgs bozonudur” demek için gene de daha çok veriye ihtiyaç var. Yapılan açıklamalara göre üç ile dört yıl daha beklememiz gerekiyor.


Higgs bozonunu algıçlar nasıl algılıyorlar?

Parçacık fiziğinde kullanılan temel prensip Albert Einstein’ın ünlü E=mc2 denklemine dayanıyor. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, proton demetlerini yüksek enerjilere çıkartıyor. Bu demetleri, üzerindeki algıçların aradıkları fiziğe ve tasarımlarına göre belirli noktalarında saniyede 600 milyon gibi yüksek sayılarda çarpıştırıyor. Bu çarpışmalarda Einstein’ın denklemine göre enerji maddeye dönüşüyor, yani yeni parçacıklara. Algıçlar ise bu parçacıkları özelliklerini ölçerek, buradan yeni fizik süreçlerini anlamaya çalışıyorlar. Higgs bozonu çok kısa ömürlü bir parçacık olduğu için, oluştuğu anda farklı süreçler üzerinden son ürün olarak daha önceden bildiğimiz elektron, foton gibi parçacıklara bozunuyor. Son ürünlerin ne olduğuna göre, farklı bozunma kanalları tanımlanıyor. Değişik kanallar algıçların farklı sistemlerinde iz bırakıyorlar. Bu aynı zamanda, Higgs bozonunun bozunma kanalları aynı algıç içinde bile farklı teknolojiler, yazılımlar ve çözümleme yöntemleri ile inceleniyor demektir. Yapılan ölçümlerin doğruluğu acısından önemli bağımsız ölçümler bir kriterdir. İncelemelerin izlediği yol, Higgs bozonun bozunma kanallarında, önceden bilinen süreçlerin o kanallara yaptığı katkıyı çıkartıp, yeni süreçlerden ya da yeni parçacıklardan gelen bir fazlalık var mı onu anlamaya çalışmaktır.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın bulduğu ilk parçacık mı?

Deneyler daha önce ağır kuarklar içeren başka yeni parçacıklar gözlemlediler ve bu buluşların da çok önemli olduklarını söylemeye gerek yok. Buna rağmen, bu yeni parçacıkları kıskandıracak ilginin Higgs bozonu adayının üzerinde olmasının sebebi, Higgs bozonun elimizdeki modelin yapı taşlarından biri olması. Daha da önemlisi şimdiye kadar yaptığımız deneylerin sonuçları ile uyum içinde olan modelin öngörülen ve daha gözlemlenmemiş son parçacığı olması. Umuyorum gözlemlediğimiz son parçacık olmaz.

Bu model nedir? Ne işe yarar?

Etrafımızda gördüğümüz madde olsun, gezegenler veya yıldızlar olsun, biliyoruz ki hepsi atomlardan oluşuyorlar. Atom kavramı, Demokritos tarafından milattan önce 5. yüzyılda tarafından ortaya atılan daha fazla parçalanamaz anlamına gelen eski Yunanca átomos kelimesinden geliyor. Atomların, maddenin temel yapı taşı olduğu düşünülüyordu. Bugün bunun yanlış olduğunu, aslında atomun proton ve nötrondan oluşan bir çekirdekten ve onun etrafında dönen bir elektrondan oluştuğunu biliyoruz. Hızlandırıcı teknolojilerindeki gelişmeler sayesinde, proton ve nötronlar ile yapılan deneylerde, bunların da iç yapıları olduğu anlaşıldı. Proton ve nötronların, kuark denen temel yapı taşlarından ve bunların etkileşip bir arada durmasını sağlayan gluonlardan oluştuğu deneysel olarak gösterildi. Kuantum renk dinamiği denen model ile gözlemler kuramsal olarak açıklandı. Nötronların ve radyoaktif atomların bozunmasını açıklamak üzere zayıf çekirdek kuvvetini açıklayan zayıf etkileşim kuramı ortaya atıldı. Bu kuram gluonlar dışında kuarklarla etkileşen W ve Z adı verilen başka parçacıkları öngördü. Bu parçacıklar CERN’de gerçekleştirilen UA1 ve UA2 deneylerin de gözlemlendiler. W ve Z parçacıklarının, aynı zamanda elektronlarla ve onların neredeyse kütlesiz ‘kardeşi’ olan nötrinolarla da etkileştiği deneysel olarak ispatlandı. Zayıf etkileşim, elektromanyetizma ile birleştirilerek elektrozayıf kuramı ortaya atıldı. Elekrozayıf kuramı ve kuantum renk dinamiği şimdiye kadar yapılan deneyleri açıklamada sonra derece başarılı olan Standart Model adı verilen model altında birleştirildi. Bu model gözlemlediğimiz yüzlerce parçacığı ve bunların etkileşmelerini, altı tane kuark, altı tane lepton adı verilen elektronun da içinde bulunduğu temel parçacık ve aralarındaki etkileşmeleri sağlayan taşıyıcı 4 parçacıklardan oluşur. En basit halinde, bütün parçacıkların kütlesiz olmaları gerekmektedir. Bu önermenin yanlış olduğu ölçülebilen elektron kütlesinden bellidir. Temel parçacıkların kütlesi olmasını sağlayan, üç grup tarafından birbirinden bağımsız olarak ortaya atılan mekanizma, Higgs bozonu diye adlandırılan parçacığı öngörür. Yani bu model temel parçacıkların kütlelerini açıklamaya yarar.

Higgs bozonu maddeye kütlesini veriyor diyebilir miyiz?

Maddeye kütle vermekle, temel parçacıklara kütle vermek arasında ince bir fark var. Higgs mekanizması, kuark, elektron ya da W ve Z bozonu gibi temel parçacıkların kütlelerinden sorumludur. Oysa bir protonu düşünürsek, içindeki kuarkların toplam kütlesi ölçülen proton kütlesinden çok daha küçüktür, yaklaşık yüzde biri kadar. O zaman bu fark nereden geliyor? Bu sorunun cevabı kuantum renk dinamiğidir. Aynı mekanizma nötron içinde geçerlidir. Elektron kütlesinin, proton ve nötron kütlelerinin yaklaşık iki binde biri olduğunu düşünürsek, Higgs mekanizmasının bir atom kütlesine katkısı yaklaşık yüzde bir kadardır. Asıl ilginç olan, Higgs mekanizmasının elektronlara kütle vermemesi olurdu. Atom çekirdeği, aşağı yukarı aynı kütlesine sahip olsa da, elektronların kütlesi olmayacağı için çekirdek etrafında bulunamazlardı. Atom ve moleküller oluşmayacağı için evren çok farklı olurdu.

Higgs bozonu nedir?

Higgs bozonunu anlamak için daha iyi bilinen bir etkileşmeyi yakından anlayıp karşılaştırabiliriz. İki tane aynı elektrik yükü taşıyan parçacığın birbirlerini ittiklerini biliyoruz. Günümüzdeki anlayışa göre parçacıklar arasındaki etkileşmeler yerel olmak zorundadır. Diğer bir deyişle aralarında bir uzaklık olan iki parçacık birbirlerini doğrudan etkileyemezler. Etkileşim olması için, taşıyıcı parçacıkları, yani fotonları, birbirleri arasında değiş tokuşu etmeleri gerekir. Buna benzer bir şekilde elektrik alanı içinde bulunan yüklü bir parçacık, alanla foton değiş tokuşu üzerinden etkileşir. Higgs mekanizmasını bu örnekteki elektrik alanı ve Higgs bozonunu da foton gibi düşünebiliriz. Higgs alanı bütün evrene yayılmış bir alan olup, temel parçacıklarla bu alanın dalgalanması olan Higgs bozonu değiş tokuşu sayesinde etkileşir. Temel parçacıkların kütlesi bu alanın ortalama değeri tarafından belirlenir. Deneylerde de gözlemlenen Higgs bozonunun farklı parçacık çiftlerine bozunmaları, Higgs alanının bu farklı temel parçacıklarla etkileşmeleri sonucudur.

Higgs bozonunun keşfi günlük yaşamı nasıl etkileyecek?

Bilim, doğayı anlamak için, insanın içgüdüsel merakının sonucu olarak yapılır. İnsanlığın, bunu kabullenmesi ve desteklemesi lazım. Örneğin, Einstein genel görelilik kuramını yazarken, yerçekimini anlamak hedefiyle çalışmıştı. Ortaya koyduğu yeni kavramlar, bugün GPS’nin çalışmasında temel oluşturuyorsa da, Einstein’ın amacı GPS değildi. Higgs bozonu ve yeni fizik arayışları, doğayı en temel seviyede anlama arzumuzdan kaynaklanıyor. Bu arayışlar sırasında geliştirilen teknolojiler birçok alanda yaşamamıza girmiş durumda.

Bundan sonra ne olacak?

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı üzerindeki deneylerin tek amaçları Higgs bozonunu bulmak değil. Standart Model her ne kadar yaptığımız deneyler ile uyum içinde olsa da, yerçekimini içermiyor. Bunun dışında, biliyoruz ki evrenin sadece yüzde dört gibi küçük bir kısmı bildiğimiz maddeden oluşuyor. Geri kalanı, madde ile baskın olarak yerçekiminden etkilenen karanlık maddeden ve evrenin genişleme hızının artmasından sorumlu olan karanlık enerjiden oluşmaktadır. Standart Model’in şu an için
bu konularda da kesin bir çözümü  yok. Standart Model’in, kuramsal olarak fizikçilere doğal gelmeyen özelliklerini anlamak için ortaya atılmış farklı öneriler var. Bütün bu sebeplerden dolayı, Standart Model’in son kuram olmadığını biliyoruz. Bulunan yeni parçacığın Higgs bozonu olup olmadığı anlaşılmaya çalışılırken, Standart Model’i geliştirmek ve tamamlamak için veri toplamaya devam edeceğiz. Ortaya attığımız kuramlardan bazıları doğru çıkabileceği gibi, belki hiç tahmin etmediğimiz yepyeni etkileşimler veya parçacıklar bulacağız. Bu arayış en az 10-15 yıl daha devam edecek. Unutmamamız gereken doğanın bu konuda son sözü söyleyecek olması. Çok büyük ihtimal, başka 4 Temmuzlar bizi bekliyor.
         

Hiç yorum yok:

Yorum Gönder