10’uncu yılında Higgs bozonu
Üç yıllık bir aradan sonra çalışmaya başlayan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, Higss bozonunun özelliklerini anlamamıza yardım edecek. Beklenmedik parçacıkların keşfi evrene bakışımızda yeni pencereler açacak.
Prof. Dr. Sertaç ÖZTÜRK
Uzun yıllar süren meşakkatli araştırmalar sonucunda Higgs bozonun keşfi 4 Temmuz 2012 tarihinde Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi, CERN de yapılan bir etkinlik ile duyuruldu. Aradan geçen bu 10 yılda Higgs bozonu nedir, keşfi neden önemli, gelecekte bizi neler bekliyor olacak, bir bakalım.
Bölünemez en küçük parça fikri Antik Yunanlı filozof Demokritos’tan günümüze kadar geliyor. Bölünemez en küçük parça eskiden atom olarak kabul edilirken modern fizik ile atomunda daha küçük bölünemez parçacıklardan meydana geldiğini biliyoruz artık. Bu atom-altı parçacıkların özelliklerini ve birbirleri ile nasıl etkileştiğini açıklayan elimizdeki en iyi kuram Standart Model. Standart Model’e göre iki tür temel parçacık var. Maddeyi oluşturan parçacıklar ve etkileşimi (kuvveti) taşıyan parçacıklar. Maddeyi meydana getiren temel parçacıklara fermiyon deniyor ve adını İtalyan fizikçi Enrico Fermi’ den alıyor. Kuarklar ve leptonlar diye de iki tür fermiyon bulunuyor. Örneğin hidrojen atomuna bakarsak protonu oluşturan 3 tane kuark ve etrafında dolanan tek bir elektron (yani lepton) görürüz. Standart modelde kuvvetin taşınması ve iletilmesi için yine parçacıklar gerekiyor. İşte bu kuvvet taşıyıcı bu parçacıklara da bozon deniyor. Toplam 4 tane bozon var. Mıknatısların veya yüklerin birbirini itip çekmesini sağlayan elektomanyetik kuvvetin taşıyıcısı fotondur. İki tane mıknatısın birbirini itip veya çekmesinde olan şey, iki mıknatıs arasında gözle görünmeyen foton alışverişidir aslında. Benzer şekilde atom çekirdeği içinde proton ve nötronları bir arada tutan zayıf kuvvet için W ve Z bozonları, kuarkları bir arada tutan güçlü kuvvet içinde gluonlar vardır. Standart model birçok testten başarı ile çıkmış ve evrenin önemli bir kısmını açıklayan elimizdeki en iyi kuram olmasına karşın, cevap veremediği bazı sorular da bulunuyor. Bunlardan en önemlisi parçacıkların nasıl kütle kazandığı ve neden bazı parçacıkların diğerlerinden daha ağır olduğu sorusu.
1964 yılında Peter Higgs, Englert-Brout ve Guralnik-Hagen-Kibble tarafından yayınlanan üç ayrı makalede maddenin nasıl kütle kazandığına dair tatmin edici bir açıklama sunuluyordu. Ana fikir kısaca şuydu: Büyük patlamadan hemen sonra evrende kendiliğinden bir ayar simetrisi kırınımı meydana geldi ve tüm evren skaler bir alan ile dolduruldu. Parçacıklar da bu alan ile etkileşerek kütle kazanıyor ve ağırlaşıyordu. Eğer bir parçacık bu alan ile ne kadar çok etkileşirse kütlesi o kadar fazla oluyor, hiç etkileşmez ise kütlesiz oluyordu. İşte evreni dolduran bu skaler alana Higgs alanı diyoruz. Bunu şöyle düşünebilirsiniz. Bir olimpik havuzu evren olarak hayal edin. O havuzun içine dolduran su da Higgs alanı olsun. Su ile ne kadar çok etkileşirseniz o kadar çok ağır hissedersiniz ve yavaş ilerlersiniz. Bir yelken balığı, özel bir mayo giymiş bir yüzücü ve kazak-pantolon giymiş bir yüzücü bu havuzda yarış yapsa, kimse kazak-pantolon giymiş yüzücünün kazanmasını beklemez. Çünkü su içinde daha ağır olacağını ve dolayısıyla yavaş hareket edeceğini bilir. Yine yelken balığı suyla daha az etkileşeceğinden yüksek hızı ile yarışı büyük bir farkla kazanacağı çok bellidir. Su dolu havuz benzetmesi gibi top-kuark gibi bazı parçacıklar Higgs alanı ile daha fazla etkileşip ağır olurken, foton Higgs alanı ile hiç etkileşmez, kütlesiz olur ve ışık hızında hareket eder. Şayet Higgs alanı olmasaydı bütün parçacıklar ışık hızında hareket edeceğinden atomlar hiçbir şekilde oluşamaz ve karşımıza çok farklı bir evren çıkardı.
Peki böyle bir Higgs alanı var mı, ve varsa nasıl kanıtlayabiliriz? Yine havuz örneğine dönersek görmediğiniz bir havuzda su olup olmadığını anlamak için havuza bir taş atıp, su damlalarının havuzdan dışarı sıçramasını umabilirsiniz. Havuz su ile doluysa, suyu uyardığınızda havuzdan dışarıya su damlaları çıkacaktır. Higgs alanının varlığının kanıtlamak için de tam olarak yaptığımız bu. Bir şekilde Higgs alanını enerji ile uyarıp, o alandan özel bir parçacığın oluşmasını beklemek. İşte Higgs alanına ait bu parçacığa da Higgs bozonu diyoruz.
ARAMAYA KOYULDULAR
Higgs alanının varlığını doğrulamak, yani bir şekilde maddenin kütle kazanma mekanizmasını anlamak için fizikçiler Higgs bozonunu aramaya koyuldu. Yapılacak şey protonları veya elektronları parçacık hızlandırıcılarında yüksek enerjilere çıkartmak, dedektörlerin içinde kafa kafa çarpıştırmak, çarpışma sonrası açığa çıkan parçacıkları belirlemek ve buradan Higgs bozonunun varlığına dair bir sinyal var mı diye bakmaktı. 2000’li yılların başına kadar CERN ve Fermilab’daki deneyler Higgs bozonunu bulamayınca, tüm beklentiler CERN inşa edilen dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcı üzerindeki CMS ve ATLAS deneyleri üzerindeydi. Bu beklentiler boşa çıkmadı ve veri alımından sadece iki sene sonra, 2012 yılında CMS ve ATLAS deneyleri 125 GeV/c2 kütle değerinde Higgs bozonunun keşfini tüm dünyaya duyurdu. 48 yıl boyunca kendini gizlemeyi çok iyi başaran Higgs bozonu nihayet bulunmuştu. Ertesi sene Higgs ve Englert 2013 Nobel Fizik ödülüne layık görüldü.
Peki bizi şimdi ne bekliyor? Üç yıllık bir aradan sonra bu yaz tekrar çalışmaya başlayan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, Higss bozonunun özelliklerini daha iyi anlamamıza yardım edecek ve belki beklenmedik parçacıkların keşfi ile evrene bakışımızda yeni pencereler açacak. Önümüzdeki yıllar parçacık fiziği açısından kesinlikle çok heyecanlı olacak. Beklemede kalın!