Lepton evrenselliği ve standart modeli test etmek

Şu ana kadar keşfettiğimiz ve evrenimizdeki birçok yapıyı ve olayı açıklayan temel parçacıklar belirli gruplara ayrılır. Bunu bir çeşit periyodik tablo olarak düşünebilirsiniz. Mesela proton ve nötron gibi daha büyük parçacıkları oluşturan kuarklar bu gruplardan biri. Temel parçacıkları ve etkileşimlerini anlatan standart modelde altı çeşit kuark parçacığı var. Bu altı kuarkın hepsi güçlü nükleer kuvvet ile etkileşiyor. Kendi içlerinde ise elektrik yüklerine göre üçer üçer olmak üzere iki alt gruba ayrılıyorlar. Bir grubun elektrik yükü elektronun üçte ikisi iken diğer grubun yükü üçte bir.

Standart Modeldeki diğer bir grup temel parçacık ise leptonlar. Aynı kuarklar gibi altı taneler: elektron, muon, tau, elektron nötrinosu, muon nötrinosu, tau nötrinosu. (Niye altı taneler ve niye kuark ve leptonlar aynı sayıda bilmiyoruz.) İlk üçünün elektrik yükü -1 iken üç nötrinonun elektrik yükü yok. Leptonlar güçlü nükleer kuvvet ile etkileşmiyorlar. Elektron, muon ve tau zayıf nükleer kuvvet ve elektromanyetik kuvvet ile etkileşiyor; nötrinolar ise sadece zayıf nükleer kuvvet ile. Bir grup içindeki parçacıkların en önemli ayrımı kütleleri. Muonun kütlesi elektronun yaklaşık 200 katı, taunun kütlesi muonun 10 katı. Nötrinoların kütlelerini tam bilmiyoruz ama elektronun binde biri civarındalar.

Aynı gruplardaki parçacıkların, kütleleri haricinde, bir parçacıktan diğerine değişmeyen evrensel özellikleri var. Mesela bir elektron ve muonun foton ile etkileşme oranları aynı. Aynı şekilde zayıf nükleer kuvvet ile etkileşimlerin de elektron ve muon arasında bir fark göstermesini beklemiyoruz. Lepton evrenselliği denen bu aynılık teorik bir beklenti, yani Standart Modelin bir tahmini. Ama Standard Model, adı üstünde, sadece şu ana kadar gözlemlediğimiz olayları açıklayan bir model. Sürekli test edilmesi ve hala doğu olup olmadığının kanıtlanması gerekiyor. Böyle testlerden biri de Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda, LHCb adlı bir deneyde yapılıyor.

LHCb deneyi, içinde beauty (güzellik) kuarkı denen bir kuark olan, protondan yaklaşık beş kat daha ağır parçacıkların bozunmasını inceliyor. B mezonları denen bu ağır parçacıklar bozunduklarında, kütleleri başka kuarklara ve lepton-antilepton çiftlerine dönüşüyor. Bu lepton çiftleri ya elektron-antielektron ya da muon-antimuon olabiliyor. Lepton evrenselliğine göre B mezonlarının elektronlara ve muonlara bozunma olasılığı aynı olmalı. (Aslında kütlelerinin farklı olmasından dolayı küçük bir fark var, ama onu detaylıca hesaplayabiliyoruz.) LHCb deneyi bu bozunmalara uzun zamandır bakıyor. Bu deneylerde sürekli olarak bir gariplik gözlemlediler. B mezonlarının muonlara bozunma oranı elektronlara bozunma oranından birazcık daha az! Tekrar söyleyeyim: bu oranların aynı olmasını bekliyoruz, çünkü elimizdeki teori öyle diyor.

Sonuçlar geçen hafta açıklandı

Deneyciler en son sonuçlarını geçen hafta açıkladılar. Ellerinde daha çok veri olduğu için daha iyi sonuçlar elde edebiliyorlar. Şu anda elimizdeki sonuç kesin bir keşif değil. Bilimsel her alanda olduğu gibi parçacık fiziğinde de verileri ve sonuçları anlamak için istatistiksel yöntemler kullanmamız gerekiyor. Fizikçiler tarafından kullanılan terimlere göre bu, 3.1 standart deviasyonlu (ya da sigma) bir sonuç. (Standart deviasyon elde ettiğiniz sonucun gerçek mi yoksa rastlantısal mı olduğunun ölçüsü.) Bu tarz sonuçlara parçacık fizikçiler ‘kanıt’ diyor. Ama aslında gerçek bir olayı kanıtlayıp kanıtlamadığını bulmak için daha güçlü sonuçlara ihtiyacımız var. ‘Keşif’ denilecek gözlemler için 5 sigma gerekiyor. 5 sigma 3.5 milyonda bir olasılığa denk geliyor. Mesela Higgs parçacığının keşfi 5 sigma ile kabul edildi. Yani eğer Higgs parçacığı aslında var olmasaydı, gözlemlerimizin öyle çıkmış olma olasılığı 3.5 milyonda bir. O zaman demek ki bu sonucun ortaya çıkma sebebi Higgs parçacığı.

Lepton evrenselliği teorisinin kırılması parçacık fiziği için çok büyük bir olay olur. Elimizdeki veriler heyecan verici olsa da henüz son söz değil. Yakın tarihimizde bizi çok heyecanlandıran 3 sigma sonuçlar, daha çok veri geldikçe kayboldular ne yazık ki. Bu sonucu daha çok veri ve başka deneyler ile doğrulamamız gerekiyor.