“Tanrı Parçacığı1 galiba kesin bulundu gibi“. Gazetelerimizden birinin, geçtiğimiz günlerde Higgs parçacığı ile CERN’den gelen açıklama ile ilgili olarak verdiği haberin başlığı buydu. Bu şaka gibi ifade aslında önemli bir noktayı açığa vurmakta: Daha geçen sene bu parçacığın keşfini Science dergisi “yılın çağır açan atılımı” ilan etmemiş miydi?2 (Dergimizde de bu haber Ağustos 2012 sayısında yer almıştı.) Peki, bu ikinci duyuru da ne oluyordu?
CERN’den gelen basın açıklaması aslında şöyleydi: “Yeni sonuçlar, CERN’de keşfedilen parçacığın bir Higgs bozonu olduğuna işaret ediyor“. Çok güzel. Ama sorumuzu yinelemek gereği duyuyoruz: Bu duyuru ne demek oluyordu?
Standart Model ve Higgs Parçacığı
Soruyu cevaplamadan önce, zamanda biraz geriye gidelim. Yaklaşık 14 milyar yıl kadar geriye, yani evrenimizin doğduğu düşünülen Büyük Patlama diye adlandırdığımız olayın yer aldığı zamanlara. Evrenin bu ilk zamanlarında herşeyin inanılmaz derecede enerji yüklü bir ışınım halinde olduğunu düşünebiliriz. Bu durumda, temel parçacıklar kütlesiz bir şekilde ışık hızında sağa sola vınlamaktadırlar. Ancak, zaman geçtikçe evren de soğumaktadır. Evrenin sıcaklığı kritik bir dereceye düştüğü zaman evreni dolduran Higgs alanının sayesinde Higgs mekanizması dedigimiz mekanizma devreye girer ve evrendeki temel parçacıklardan bir kısmı “kütle kazanırlar”. İşte bildiğimiz anlamda maddenin ilk adımı da böylece atılmış olur.
Yukarıda basitleştirerek anlattığımız kozmik öyküdeki Higgs mekanizmasına şimdi bilinen parçacıkları ve temel kuvvetleri (kütleçekimi hariç) açıklayan kuram olan Standart Model çerçevesi içinde bakalım. Standart Model’in kapsadığı temel parçacıklar şunlardır: Kuarklar, leptonlar, kuvvet taşıyıcılar ve Higgs parçacığı. Bu sembollerden bize muhtemelen en tanıdık geleni elektronu temsil eden e sembolüdür; elektrik yüklü en hafif lepton. Kuarklardan, kütleleri en ufak olan up (yukarı) ve down (aşağı) kuarklar, atomun çekirdeğindeki proton ve notronları oluşturur. Örneğin, hidrojen atomunun çekirdeği tek bir protondan oluşur (iki yukarı, bir aşağı kuark), ve tek bir elektronu vardır.
Bütün kuark ve leptonlar, kütle, yük (örneğin, elektrik yükü) ve diğer temel özellikleri ile farklılık gösterirler. Kuvvet taşıyıcı parçacıklar (bozonlar), evrende gözlemleyebildiğimiz üç ayrı kuvvetin (elektromanyetizma, zayıf ve güçlü) parçacıklarıdır. Modelin bütün parçacıkları (Higgs hariç) gözlenmiştir. Higgs parçacığı da kuvvet taşıyıcılar gibi bir bozondur. 3 Elektrik yükü sıfırdır. Standart Model, Higgs bozonunun kütlesinin ne değerde olduğunu belirtememektedir.
Standart Model’in en büyük başarısı elektromanyetizma ile zayıf kuvveti elektrozayıf kuvvet olarak birleştirmesi olmuştur. Elektromanyetik kuvvet (ki elektrik kuvvet ile manyetik kuvvetin birleşik kuramıdır) elektronla protonun arasındaki çekimi sağlayarak atomu birarada tutan kuvvettir. Taşıyıcısı kütlesiz bir parçacık olan fotondur (bildigimiz ışık). Zayıf kuvvet ise atomun çekirdeğinin bozunmasını sağlayan kuvvettir ve taşıyıcıları W+, W– ve Z bozonlarıdır. Elektromanyetik kuvvetin erimi (etki mesafesi) sonsuzdur, ancak zayıf kuvvetin erimi sınırlıdır (adı üstunde “zayıf”). Kuvvetlerdeki bu farklılık, W ve Z bozonlarının kütleli parçacıklar olmasından kaynaklanmaktadır. İşte, Standart Model’in cevaplaması gereken de buydu: Eğer foton, W, ve Z vaktiyle kütlesiz yola çıktılarsa, aralarındaki bu “simetriyi” bozup da yollarını ayıran neydi?
Bu sorunun kısa cevabı, “kendiliğinden simetri kırılması”dır. 1964’te P. Higgs, R. Brout, F. Englert, G. Guralnik, C. R. Hagen ve T. Kibble tarafından kuramsal olarak ortaya atıldı ve 1970’lerde Standart Model’e uygulandı (Nobel ödülü getirmiştir) ve günümüze kadar Higgs mekanizması olarak bilinegeldi.
Kendiliğinden simetri kırılmasını klasik bir örnekle açıklayalım. Dönmekte olan bir topaç düşünün. Topaç için bu durumda her yön simetriktir, her açıdan aynı şekilde geçmektedir. Topaç, hızını kaybedip yere düştüğü anda, rastgele bir yön seçmiş olacaktır. Yani, simetriyi bozmuş olacaktır. Evreni kapladığını düşündüğümüz Higgs alanının başına gelen de böyle birşey.
Higgs alanının elektrozayıf simetri kırılmadan önce aslında 4 tane Higgs bozonu vardır. “Topaç düşüp” simetri kırılınca, Higgs’lerden üçü W+, W– ve Z bozonlarına kütle kazandırıp “ortadan kaybolurlar”. Son Higgs ise bildigimiz elektrik yüksüz Higgs parçacığı olur. W ve Z ile eşdeğerliği bozulan foton ise kütlesiz olarak devam eder. Kütlesiz olduğu için de Higgs bozonu ile eşleşemez (doğrudan etkileşimde bulunamaz).
Higgs’in kuark ve leptonlara (yani madde parçacıklarına4) kütle kazandırması ise biraz daha farklı bir etkileşmenin ürünüdür. Bir parçacık Higgs alanı ile ne kadar kuvvetli etkileşiyorsa, kütlesi de o kadar fazladır. Örneğin, up (yukarı) kuarkın 80000 (!) katı kütleye sahip top (üst) kuark, Higgs alanından çok daha fazla etkilenecektir. Başka bir deyişle, Higgs parçacığı ile daha kuvvetli eşleşecektir. (Higgs mekanizmasi ile ilgili ayrıntılı bilgi wikipedia’da bulunabilir.)
Higgs Alanını bir Analoji ile Anlatmak…
Higgs alanının parçacıklara nasıl kütle kazandırdığına dair güzel analojilerden biri bir İngiliz fizikçinin 1990’larda zamanın Bilim Bakanı için yaptığı açıklama olsa gerek. Analojideki tiplemelere isim vermeden, şöyle anlatalım: Şekilde görüldüğü üzere, birörnek insanlarla dolu bir oda düşünün. Odayı dolduran insanlar, evreni kaplayan Higgs alanını temsil ediyor olsun. Odaya ünlü bir kişi gelir ve aniden bütün insanlar onun etrafını sararlar. Ünlü kişi odada ilerlemeye çalıştıkca insanlar onun etrafında kümelenmeye devam etmektedir. Bu kümelenme yüzünden, yürümek için sarfettiği enerji de fazla olacaktır. Başka bir deyişle, kendisini saran insanlar sayesinde yüksek bir kütleye sahip olacaktır. (Pek de ünlü olmayan bir kişi odaya girdiğinde başına gelebilecekleri kestirebilirsiniz: Kendisine muhtemelen az sayıda insan çekebileceği için kütlesi de ünlü kişiye göre daha az olacaktır.) İşte bu, en basit haliyle Higgs’in kütle ile olan ilişkisinin tanımı: Uzayı dolduran Higgs alanı içinden bir parçacık geçerken alanla etkileşmesi.
Şimdi, birisinin odada bir dedikodu ortaya attığını düşünelim (örneğin, bir önceki ünlü kişi ile ilgili). Bu dedikodu da insanların kümelenmesini sağlayacaktır. Bir önceki örnekte ünlü kişiye kütlesini veren böylesi bir kümelenme olduğuna gore, bu dedikodu kalabalığının da bir kütlesi olacaktır. İşte, Higgs bozonu da Higgs alanı içinde böyle bir uyarılmayla oluşan kümelenmenin sonucu olarak düşünülebilir. 5,6 Higgs bozonunu bulup, kütlesini ölçersek, Higgs alanının varlığını kanıtlama yolunda en büyük adımı atmış olacağız anlamına gelir bu.
Parçacık Fiziği Deneyleri
İşte burada söz deneysel parçacık fiziğine geliyor. Higgs bozonunu bulmak, özelliklerini ölçmek için, deneysel yollara başvurmamız gerek. Evrenin başlangıcındaki yüksek enerjili evreleri anlamak, yüksek kütleli parçacıkları araştırmak için iki ana yöntemimiz var. Birincisi, evrenin kendisini “dinlemek”. Yani, uzaydan gelen ışınları gözlemek. Buna yağmurla kova doldurmak tabirini yakıştırırsak, çarpıştırıcı fizikçilerinin de yaptığını kuyu kazıp su doldurmaya benzetebiliriz. CERN’de dünyadaki birkaç “kuyu” merkezinden biri. Hatta en büyüğü.
CERN Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi, 1954 yılında 12 Avrupa ülkesi tarafından İsviçre ve Fransa sınırı üzerinde kurulmuş bir parçacık fiziği araştırma laboratuvarı. Günümüzde, 20 kadar asil üyesi var ve on binin üzerinde biliminsanının çalışmalarına ev sahipliği yapıyor. Çeşitli sayıda parçacık hızlandırıcısı ve deneyi bulunduran CERN’in en büyük hızlandırıcı projesi şu an dünyanın en hızlı protonlarını çarpıştıran Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ, İngilizce’de Large Hadron Collider, LHC). (Bir önceki hızlandırıcı rekoru, ABD’nin Illionis eyaletindeki Tevatron’dadır.). BHÇ, yerin yaklaşık 100 m altında protonların ışık hızının %99.999998 kadarıyla dönüp durduğu 27 km uzunluğunda bir çember. Protonların bu hıza erişmesi için BHÇ onları 4 TeraelektronVolt (TeV), yani protonun kendi kütlesinin 4000 katı kadar bir enerjiye çıkartır. (Protonun kütlesinin yaklaşık 1 GeV olduğunu hatırlatalım). Bu protonlar çemberin üzerinde 8 TeV’lik toplam enerji ile dört ayrı noktada çarpıştırılıp, o noktalardaki devasa boyutlardaki deney aygıtları (dedektör, algıç) ile veri toplanır. Bu dört algıçtan (ALICE, ATLAS, CMS ve LHCb) sözkonusu Higgs sonuçlarını çıkaranlar genel amaçlı olanlar, yani ATLAS ve CMS. Genel amaçlı çarpıştırıcı algıçları üç aşağı beş yukarı birbirlerine benzerler. Size, ATLAS’i örnek olarak anlatalım.
ATLAS deneyi her anlamda uç noktaların deneyi. Mikrometre seviyesinde çözünürlüğe, 100 milyon kadar veri toplama kanalına sahip, 25 metreden daha yüksek ve 7000 Ton ağırlığında bir büyük dijital video kamera. 7000 Ton rakamı size birşey ifade edemediyse, çok bildik bir bina ile karşılaştıralım: ATLAS’in ağırlığı Paris’teki Eyfel kulesinin ağırlığına eşit. Kısaca, bu devasa algıçlar her anlamda mühendislik harikaları. Alttaki resimde Sir Peter Higgs’i, yerin 100m altına şişe içinde gemi misali yüzeydeki bir delikten parça parça indirilerek kurulmuş bu algıcı incelerken görebilirsiniz.
Sizi umarız bu sayılarla etkileyebildik. Peki, teknolojinin ve mühendisliğin sınırlarını bu kadar zorlamanın sebebi nedir? 8 TeV’lik çok sayıda protonu algıçın merkezinde çarpıştırdığınız zaman, ortaya çok sayıda (1000’ler mertebesinde) yüksek enerjili parçacık çıkar. Aynı, tenis topu yüklü iki hızlı kamyonunun kafa kafaya çarpışıp bütün topların etrafa saçılması gibi, bu parçacıklar hızla (hatta neredeyse ışık hızıyla) algıcın merkezinden dışarı yol almaya başlarlar. Saniyede 600 milyon kere olan bu çarpışmalarda ortaya çıkan bu parçacıkların büyük çoğunluğu bildik Standart Model süreçlerinden kaynaklanmaktadır. Şimdi, bir proton-proton çarpışmasında Higgs bozonunun yaratıldığını düşünün. Higgs’in ömrü çok kısadır; ortaya çıkar çıkmaz diğer Standart Model parçacıklarına bozunur. Biliminsanları da bu parçacıklardan yola çıkarak Higgs’in kütlesini ve diğer özelliklerini hesaplarlar. Bu hesapların doğruluğunun yüksek olması için Higgs’in bozunduğu parçacıkları algıçtaki diğer parçacıklardan ayırt edebilmek, ve enerji ve momentumlarını yüksek hassasiyetle ölçebilmek gerekir. Algıçlar mikron seviyesinde hassasiyete sahip olmalıdır, çünkü her bir parçacığın izlediği yolu kaydedip, sonra bilgisayar programlarıyla yeniden oluşturabilmemiz gerekir. Algıçlar büyük olmalıdır, çünkü en azından saçılan parçacıkların enerjisini soğurabilecek kadar materyal barındırmalıdır.
Higgs Bozonunun Keşfi
4 Temmuz 2012’de yarım asırdır beklenen duyuru CERN’den geldi: Yaklaşık 6000 kişilik ATLAS ve CMS deneyleri 2011 yılında ve 2012 yazına kadar topladıkları BHÇ verisini çözümlemişlerdi. İki deney de Higgs parçacığına benzeyen bir parçacık keşfetmişti. Parçacığın kütlesi 125 GeV civarındaydı (protonun kütlesinin 130 katı kadar) ve gördükleri sinyalin istatistiksel gücü de fizikçilerin bir keşif duyurusunda bulunmak için gerekli kıstasını sağlıyordu (5 sigma). Bu, şimdiye kadar bulunan en ağır bozondu ancak bir Higgs bozonu olduğunu ve daha da ötesi Standart Model’in öngördüğü Higgs bozonu olduğunu göstermek için daha fazla veri toplamak ve parçacığın daha fazla özelliklerini ölçmek gerekecekti.
Peki 2012’deki sonuçlar için hangi ölçümler yapılmıştı? Hatırlarsanız, Higgs’in özelliklerini bozunduğu parçacıklardan yola çıkarak buluruz demiştik. İlk göze çarpan ölçümler kütlesi ve beklendiği gibi sıfır çıkan elektrik yükü oldu. Ayrıca, Higgs’in temel parçacıklarla kütleleri ile orantılı bir şekilde eşleştiğini söylemiştik. Bu da verideki Higgs adaylarının çeşitli bozunum kanallarındaki sinyallerin birbirine olan oranlarının beklenen değerlerini belirler. Geçen sene bakılan kanallar da bir Higgs bozonuyla hemen hemen uyumlu sonuçlar verdi. Örneğin, Higgs bozonunun iki Z bozonu yoluyla 4 tane leptona bozunduğu kanalın sinyali gibi.
CERN’den ikinci duyuru ise 14 Mart 2013’te geldi. ATLAS ve CMS, 2012’deki keşif duyurusundaki verinin iki buçuk katı kadar daha fazlasına baktılar (toplam 2000 trilyon proton çarpışması). Bu artış, geçen seneki ölçümlerin iyileştirilmesinin yanısıra, daha fazla sayıda özelliklerin incelenmesini sağladı. İncelenen özelliklerin de Higgs bozonu ile uyumu ölçülüp bulunan parçacığın Higgs bozonu olup olmadığını daha iyi anlamaya çalışıldı.
Yeni ölçümlerden özellikle iki tanesi önemlidir: Higgs parçacığının dönüsü, yani kendi çevresinde dönmesi diye tabir edebileceğimiz iç açısal momentum değeri, ve paritesi, yani aynadaki görüntüsünün nasıl davrandığının bir ölçüsü diye tabir edebileceğimiz uzamsal bir simetri özelliği. Higgs bozonu dönüsü sıfır, paritesi de pozitif olan bir parçacıktır. ATLAS ve CMS keşfedilen parçacığın bu iki özellikle uyumlu olduğunu gösterdiler. Artık, deneyler gönül rahatlığı ile ellerinde bir Higgs bozonu olduğunu söyleyebiliyorlar.
Higgs bozonunun keşfi ile Standart Model’in temel taşı yerine oturtulmuş olduğu sanılabilir. Ancak öykü burada bitmiyor. Öncelikle, bazı verilerde hala cevaplanmamış sorular var. Bazı bozunum kanalları için eldeki istatistikler yeterince kesin sonuç verememekte. Bu da “bu parçacık Standart Model Higgs’ini andıran bir başka Higgs bozonu olabilir mi?” sorusunu akla getiriyor. Bu sorunun cevabı evet ise, şüphesiz Standart Model ötesinde bir kurama çatmış oluyoruz. Bu durumda akla en yatkın cevap, süpersimetri denen bir kuram. Eğer süpersimetri doğruysa, bir tane Higgs değil, herbiri birbirinden farklı özelliklere sahip kardeş Higgs’ler olacağını biliyoruz. Bu da aslında parçacık fiziği için çok heyecanlı bir aşama olurdu. Belki bu sayede BHÇ’de cevaplanmamış daha bir sürü soruya da cevap bulabiliriz. Örneğin, son zamanların en büyük gizemlerinden karanlık madde ve karanlık enerjinin sebepleri. BHÇ, şu an 14 TeV’lik çarpışma enerjisine hazırlanmak üzere kapatılmış durumda. Deneyler, bu arada muhtemelen çözümlemelerine devam edip, sonuçlarını güncelleyecekler. Belki böylece keşfedilen Higgs bozonunun tam olarak ne tür bir Higgs bozonu olduğu anlaşılacak. Ya da akıldaki soruların çoğu, 2015’te BHÇ tekrar veri toplamaya başlayıp bizi gerçeğe biraz daha yaklaştıracağı zamanı beklemek zorunda kalacak.
Keşif niye 50 sene bekledi?
Higgs mekanizması ortaya atılalı yarım asır oldu. Peki, Higgs bozonunu “görebilmek” niye bu kadar uzun sürdü? Bu soruya verilebilecek kısa cevap şu olabilir: ”Güçlü çarpıştırıcıların inşasını beklemek gerekiyordu”. Bir parçacığın, bir çarpıştırıcıda ne sayıda oluşabileceği, o parçacığın kütlesinin küçüklüğüne, parçacığın kendini üreten parçacıklarla eşleşmesinin kuvvetine, çarpıştırıcının enerjisinin yüksekliğine ve saniye başına yaptığı çarpışmaların sayısının çokluğuna (ışınlık) bağlıdır. Yüksek kütleli Higgs bozonu nadir sayıda oluşur. Örneğin, BHÇ’de, bir Higgs bozonunu gözlemek için bir trilyon proton carpışmasına ihtiyaç vardır; yani samanlıkta iğne aramak gibi birşey. BHÇ faaliyete geçene kadarki çarpıştırıcıların nitelikleri ve ömürleri bu önemli keşfi gerçekleştirmeye yetecek düzeyde değildi. Nitekim, ABD’deki Tevatron hızlandırıcısının geçen seneki sonuçları BHÇ’de keşfedilen parçacık ile uyumlu idi, ancak 2011 sonunda kapatılmıştır.
Son olarak… Ne işimize yarayacak bu Higgs?
Parçacık fizikçisinin sıkça karşılaştığı bir soru: “Benim vergi paramla bana ne geri veriyorsunuz?” Bu gibi sorulara basmakalıplaşmış “yol, su, elektrik” lafıyla cevap verseler bile doğru bir cevap duymuş olursunuz. 1600’lerde ilk defa kitaplarda gördüğümüz elektrik, ancak 1700’lerde pratik olarak kullanılmaya başlandı. 400 yıl sonra ise bu yazıyı okumak için kullandığınız aletin gücünü sağlamakta. 1600’lerde ilk çalışmaları yapan biliminsanına “kime yarayacak bu elektrik?” diye sorulsaydı, cevap muhtemelen “şimdilik bilmiyorum, ama ileride bir işe yarayacaktır” olurdu. Higgs için de aynı şeyi söyleyebiliriz. Şu an gündelik hayatımızda bu keşfin yerini kestirmek zor. Biz kaç yüzyıl daha bekleriz bilinmez ama, gelin bu arada Higgs bozonu gibi evrenin temel taşlarını inceleyen parçacık fiziğinin bize kazandırdığı WWW ile yeniliklerden haberdar olmaya devam edelim.
1 Bu yazıda “Tanrı parçacığı” (“the God Particle”) tanımı ilk ve tek olarak burada geçmektedir. Bu yakıştırma, Nobel ödüllü fizikçi Leon Lederman’ın 1993’te yazdığı populer bir bilim kitabının ardından basın-yayın tarafından anlamsızca benimsenmiştir.
2 CERN 2012’deki basın duyurusunda da “Higgs’i keşfettik” dememiş, Higgs olması çok muhtemel bir parçacık keşfettiklerini ifade etmişlerdi.
3 Parçacıkları iki sınıfa ayırabiliriz: Aynı kuantum durumunu paylaşabi lenler (bozonlar) ve paylaşamayanlar (fermiyonlar). Bozonlar iç açısal momentumları (spin, dönü) tamsayı olan parçacıklardir. Fermiyonların dönü değerleri ise tamsayıların yarısı şeklindedir . Kuvvet taşıyıcı parçacıklar bozon, madde parçacıkları ise fermiyondur.
4 Maddenin yapıtaşı olarak kabul edilen atomun toplam kütlesinin nereden geldiğini açıklamak icin Higgs mekanizmasından daha fazlasına ihtiyacımız var. Atomun kütlesinin yaklaşık %99’undan sorumlu olan, Standart Model’in güçlü kuvveti açıklayan kısmıdır.
5 Bu, katı hal fiziğinde de görülmektedir. Odayı ve içindeki insanları, artı yüklü atomların dizildiği kristal bir yapı olarak düşünün. Bu kristal yapının içinden geçen bir elektrona, atomların uyguladığı çekim, kendi öz kütlesinden kat be kat daha büyük bir kütleye sahip olmasını saglayacaktir. Kristal yapının içinden elektron geçmeden de kümelenmeler oluşabilir. (Bunlara fonon denmektedir, ki bunlar da bozondur.)
6 Meraklısı için, bu analojideki kavramları açıklayan teknik terim “kuantum alan kuramı”dır. Şimdiye kadar bahsedip durduğumuz, alan, alana ait parçacık, temel parçacık seviyesinde etkileşmeler gibi kavramların hepsi bu kuramın çerçevesinde anlam kazanan tanımlardır.
Kaynaklar:
- CERN basın duyurusu, 2013.
- “The Higgs Boson”, Wikipedia.
- “Higgs Bozonunun Siyasalımsı bir Açıklaması …”, D.J. Miller.
- ATLAS deneyi Higgs sonuçları, CMS Deneyi Higgs sonuçları.
Kadıköy Anadolu Lisesi mezunu. Lisans ve yüksek lisans derecesini Boğaziçi Fizik bölümünden aldı. Deneysel parçacık fiziği üzerine yaptığı doktorasını 2004’te Northwestern Üniversitesi’nde tamamladı. Oxford Üniversitesi’ne bağlı olarak CERN’de ATLAS deneyinde çalıştı. Halen Hawaii Chaminade Üniversitesi’nde kadrosuz olarak ders verip, geri kalan zamanının çoğunu 2 yaşındaki kızıyla geçirmektedir.
Yorum Ekle