Doğada beşinci bir kuvvet mi var?

Prof. Dr. Sertaç ÖZTÜRK

Aristoteles, Galileo, Newton ve Einstein hareketi ve doğasını anlamak istediler. Hareket demek değişim demektir aslında. İster doğada ister insanlarda ister toplumlarda ister canlılıkta olsun; değişimin nedenini ve dinamiklerini anlamak en büyük amaçtır çoğu zaman. Değişime neden olan etkiye fizikte kuvvet deriz. Doğadaki değişimleri açıklamak için bildiğimiz dört temel kuvvetten başka yeni bir kuvvetin var olabileceği ihtimali son yapılan deneyler ile gün yüzüne çıktı. Beşinci kuvvet fikri nasıl ortaya atıldı? Arkasında yatan düşünsel yapı ne? Yılın bu ilk gününde beraber bakalım.

İLK NEDEN

Antik Yunan filozofları maddenin yapısını ve maddedeki değişimin nedenlerini hep merak ettiler. Görünen tüm maddenin ilk nedenine (Arkhe’sine) Thales su, Anaksimandros aperion, Anaksimenes hava, Herakleitos ateş, Pythagoras sayı, Anaksagoras sperma, Demokritos ise atom dedi. Bu felsefi fikirler içerisinden maddenin özüne dair en doğru yaklaşım atomculuktu. Demokritos’un maddenin bölünemez en küçük yapısı olarak adlandırdığı atomlar, ona göre farklı geometrik biçim, yapı ve büyüklüklere sahipti. Hatta bazı atomlar bir insan boyutunda bile olabilirdi. Modern atom kuramını ortaya atan John Dalton, Demokritos’un düşüncesinden farklı olarak bir elementin bütün atomlarının aynı olduğunu öne sürdü. Dalton’a göre de atomlar bölünemezdi ve iç yapısı yoktu. Joseph John Thomson’un elektronu ve Ernest Rutherford’un da çekirdeği keşfetmesi ile atomun iç yapısının olduğu ve daha küçük parçalardan meydana geldiği anlaşıldı.

Maddenin ve atomun yapısının anlaşılması sadece işin bir kısmıydı. Maddelerin birbirleri ile nasıl etkileştiğinin açıklanması gerekiyordu. Newton çığır açan Principia’sında kütlelerin birbirilerini hangi yasalar ile çektiğini söylerken bunu nasıl yaptıklarını açıklayamıyordu. Temas olmadan nasıl olur da bir kütle diğer bir kütleyi etkileyebilirdi? Bu birbirini itip veya çeken iki tane mıknatıs için de geçerliydi. Bir mıknatıs uzaktaki başka bir mıknatısın varlığından nasıl haberdar olup, onu etkileyebiliyordu? 1900’lü yılların başlarında sadece kütle çekimi ve elektromanyetik etkileşim biliniyordu. Başlarda bu etkileşimi sağlayan şeyin gözle görülmeyen eter isimli bir tür madde olduğu düşünülse de alan kavramının ortaya çıkması ile etkileşim için maddesel temasa gerek kalmıyordu.

ATOM-ALTI PARÇACIKLAR

Gelişen deney araçları sayesinde atomun çok daha küçük atom-altı parçacıklardan meydana geldiğini ve etkileşimlerin atom-altı parçacıklar sayesinde iletildiğini artık biliyoruz. Bunu açıklayan elimizdeki en iyi kuram Standart Model. Standart Model’e göre atom-altı parçacıkları iki temel gruba ayırmak mümkün. Maddenin yapısını oluşturan fermiyonlar ve etkileşimi (başka bir deyişle kuvveti) iletilen bozonlar. Bu iki tür temel parçacık arasındaki ayrıma neden olan şey ise spin değerleridir. Spin parçacıkların içsel bir açısal momentumunun, yani dönüşlerinin bir özelliğidir. Eğer spin değeri kesirli bir sayıysa (1/2, 3/2, vb.) böyle parçacıklara fermiyon denir ve maddeyi oluşturur. Eğer spin değeri tam sayıysa (0, 1, vb.) bu parçacıklara bozon denir ve etkileşimi (kuvveti) taşır. O halde bir tür kuvvetten bahsedebilmek için o kuvveti ileten bir parçacığın da mutlaka var olması gerekir. Örneğin iki tane mıknatıs düşünürsek bunlar arasındaki elektromanyetik kuvveti oluşturan şey sanal foton alışverişidir. Sanal parçacık, sıradan bir parçacık ile benzer özellikler sergiler fakat varlıkları Heisenberg Belirsizlik İlkesi ile sınırlandırılmıştır. Bir mıknatıstan çıkan sanal fotonlar diğer mıknatıslar tarafından algılanır ve böylece elektromanyetik kuvvet taşınmış olur.

Elektromanyetik kuvvet (iki mıknatısın veya yükün birbirini çekip itmesi) ve kütle çekimi kuvvetinden (dünyanın ayı çekmesi) başka doğada iki temel kuvvet daha vardır. Bunlar biri çekirdeğin içinde gerçekleşen nükleer zayıf kuvvettir. Zayıf kuvvet atomların radyoaktif bozumundan sorumludur ve nükleer tepkimelerde kendini gösterir. W ve Z bozonu adını verdiğimiz yüksek kütleli parçacıklar zayıf kuvvetin taşıyıcılarıdır. Bu bozonlarının kütleleri ağır olduğundan (protonun kütlesinin yaklaşık 100 katı) etki menzili ancak bir atomun çekirdeğinin çapı kadardır. Eğer doğada zayıf kuvvet olmasaydı protonlar nötronlara dönüşemeyecek, helyum çekirdeği oluşmayacak, füzyon olayı gerçekleşmeyecek ve yıldızlar parlamayacaktı. Yıldız tozu olan bizler bu koca evrende boy gösteremeyecektik. Diğer bir kuvvet olan nükleer güçlü kuvvet ise atom çekirdeğinin var olmasını sağlar ve proton, nötron ve diğer hadronları oluşturan kuarkları birbirine bağlar. Güçlü kuvvetin taşıyıcı parçacığı gluon adını verdiğimiz bir parçacıktır. Güçlü kuvvet etkisini çok kısa erimlerde, sadece çekirdek içinde gösterir. Kütle çekimi kuvvetini ileten graviton isimli teorik bir parçacık fizikçiler tarafından önerilse de varlığı henüz gözlemlenmiş değil.

MUON G DENEYİ

Kütle çekimi kuvveti, elektromanyetik kuvvet, nükleer zayıf ve nükleer güçlü kuvvet; doğada bildiğimiz dört temel kuvvet bunlar. Peki nereden çıktı bu beşinci kuvvet fikri? Her şey yapılan deneylerde gözlemlenen ve teori ile uyumlu olmayan sonuçlar ile başladı. Bu deneylerden bir tanesi Fermilab’da yapılan muon g-2 deneyidir. Eğer manyetik alan oluşturan bir cismi (örneğin bir mıknatısı) dış bir manyetik alan içerisine koyarsanız yönelimi dış manyetik alanla aynı olur. Yüklü ve spini olan bir parçacık da manyetik özellik göstereceğinden dış bir manyetik alan içerisinde benzer bir yönelim gösterir. Bu özelliğe manyetik dipol momenti diyoruz. Parçacıkların manyetik dipol momentini g değeri denen bir sayı ile belirtiyoruz ve bu g değerini teorik olarak hesaplamak mümkün. Elektronların ölçülen ve hesaplanan g değeri çok tutarlı iken son gözlemler müonlar için farklı bir durum ortaya koyuyor. Müonlar iç yapısı olmayan temel parçacıklardır ve elektronlar ile aynı özelliklere sahiptir. Sadece kütlesi elektrondan yaklaşık olarak 200 kat daha fazladır. Muon g-2 deneyi müonların g değerini ölçtüğünde teorik öngörüden 4.2 sigmalık bir sapma gördü. Teori ile deney arasındaki bu farka sanki henüz gözlemlemediğimiz yeni bir tür bozon katkısı yol açıyor gibi duruyor. Teorik hesaplamalarda bu yeni parçacığın katkısını sanki göz ardı ediyoruz. Bundan tam olarak emin olmak için teori ile deney sonuçları arasındaki farkın en az 5 sigma olması ve bağımsız başka bir deneyde de aynı sonuçların tekrar gözlemlenmesi gerekiyor. Eğer yeni bir bozon bulursak o zaman yeni bir tür kuvvetten de bahsetmek mümkün olacak. Bu beşinci kuvvetin etkisi zayıf kuvvet gibi atom çekirdeği boyutları ile sınırlı olacak.

Evrende henüz keşfetmediğimiz ve anlayamadığımız yeni kuvvetler, karanlık madde gibi yeni madde formları kesinlikle var. Evren anladığımızdan değil, anlayabildiğimizden çok daha garip. Bu anlama yolculuğunda bilimin, sanatın ve felsefenin bir gökkuşağı gibi üzerinizde her daim parladığı güzel bir seneniz olsun.