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.