Higss Bozonu Nedir?

quantum physics the standard model
quantum physics the standard model

Yeni bir çarpıştırıcı Higgs Bozonu’nun son sırlarını ortaya çıkarabilir mi? En ünlü atom altı parçacık, şimdiye kadar beklemediğimiz hiçbir şeyi ortaya çıkarmadı. Şimdi fizikçiler, yeni fizik belirtileri için daha iyi sorgulamak için bir “Higgs fabrikası” inşa etmek istiyorlar. Yarım yüzyıl boyunca Higgs bozonunu bulmak parçacık fizikçilerinin yapılacaklar listesinin başındaydı. 2012’deki nihai keşfi, en temel düzeyde gerçeklik resmimiz olan “standart modeli” tamamlamak için yapbozun son parçası olarak kutlandı. Higgs, temel parçacıklar arasında ender bir ev ismi olarak ünlendi. Ama şimdi, neredeyse on yıl sonra, hala “Higss Bozonu Nedir?” zar zor biliyoruz – ve evreni olduğu gibi yapan parçacıklar ve kuvvetler tanrısı olduğuna dair anlayışımız açıkça kusurlu olmaya devam ediyor. Higgs’in yanı sıra yeni parçacıkların ve kuvvetlerin beklenmedik egzotik fenomenleri ortaya çıkaracağını ve daha da büyük bir resme odaklanacağını umuyorduk. Ne yazık ki, Higgs tam olarak beklendiği gibi davranıyor ve görünmeyen etkileşimlerinin yeni fiziği ortaya çıkarmamıza yardımcı olacağı fikrini baltalıyor. Yani “Higss Bozonu Nedir” konsuna oldukça uzun zaman çalışacağız.

Higgs göründüğü kadar sıkıcı mı? Muhtemelen hayır. Daha yakından inceleme, gerçek benliğini ve garip kardeşlerinin gölgelerini veya egzotik “pembe fil” parçacıklarının herhangi biri evreni anlamamıza engel olabilir. Cambridge Üniversitesi’nden parçacık fizikçisi Ben Allanach, “Higgs’i masaya koymamız, parçalara ayırmamız, dürtmemiz, nerede uyuşmamaya başladığını görmemiz gerekiyor” diyor.

Bunu akılda tutarak, sahadaki birçok kişi şimdi Higgs bozonlarını endüstriyel miktarlarda çalkalamak için yeni bir parçacık çarpıştırıcısı için bastırıyor, böylece onu daha önce hiç olmadığı gibi sorgulayabiliriz. Ama böyle bir Higgs fabrikası yeni fiziğin kapılarını açacak mı? Yoksa kendisi bize evreni anlama yeteneğimiz hakkında bir şeyler söyleyebilecek olan Higgs göründüğü kadar sıradan mı?

Parçacık Fiziğinde Standart Model

Parçacık fiziğinin standart modeli, evrendeki bilinen tüm parçacıkların ve etkileşim biçimlerinin en iyi tanımıdır ve etkileyici bir şekilde doğrudur. 1970’lerdeki formülasyonundan bu yana, parçacık fizikçileri için yol gösterici bir ışık olmuştur. Parçacıkları ve kuvvetleri yöneten zarif matematiksel kuralların olması gerektiği fikrine olan inanç, her biri standart model tarafından tahmin edilen parçacıkları bulmak için tasarlanmış daha güçlü ve daha kesin parçacık hızlandırıcıların yapımını da sağlamıştır. Defalarca da bu prçacıklar bulunmuştur.

En basitleştirilmiş haliyle standart model, dört terimli bir denklemden oluşur.

İlki evrendeki bilinen üç kuvveti tanımlar: Elektromanyetizma ve güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler.

İkincisi, temel parçacıkları ve kuvvetlerin onlara nasıl etki ettiğini gösterir. Son iki terim sadece şimdi yazılıyor. Büyük ölçüde Higgs’in hikayesini anlatıyorlar – standart modelde neyin eksik olduğunu daha iyi anlamak için ipuçlarını tuttuğu düşünülen parçacık.
Peter Higgs ve diğerleri, temel parçacıkların neden sıfırdan oldukça büyük bir kütle aralığına sahip olduklarını açıklamaya yardımcı olmak için 1964’te Higgs bozonunun varlığını önerdiler. Buradaki fikir, hepsinin, onları farklı derecelerde sürükleyen görünmez bir “Higgs alanı” içine daldırılmasıdır. Bu mekanizma, fizikçiler, yüksek enerjilerde, elektromanyetizma ve zayıf nükleer kuvvetin tek bir birleşik “elektrozayıf” kuvvette birleştiğini fark ettiklerinde hemen daha fazla önem kazandı. Elektromanyetik kuvveti taşıyan ışık parçacıkları veya fotonlar kütlesizken, zayıf nükleer kuvvetin kuvvet taşıyıcıları W ve Z bozonları değildir. Higgs mekanizması bu asimetriyi açıkladı.
Bu nedenle, standart modelin son kayıp parçacığı olan Higgs, 2012’de İsviçre’nin Cenevre yakınlarındaki CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki parçacık çarpışmalarında nihayet doğrulandığında rahatladı. Fizikçiler, Evrenin Anahtarı Olarak Görülen Zor Parçacığı New York Times’ta kapak yazısında da belirtildiği üzere sunuldu.

Parçacık Fiziğinde Büyük Resim

Ancak o zaman bile parçacık fizikçileri bunun her şey olamayacağını biliyorlardı. Standart model, evrende neden antimaddeden çok daha fazla madde olduğunu açıklayamaz. Galaksilerin uçup gitmesini engelleyen gizemli madde olan karanlık maddeye yer açmaz ve yerçekimini tanımlayamaz.

Parçacık fiziğinin kuantum dünyasını, genel görelilik yasaları tarafından yönetilen yerçekimi ile birleştirmek, gerçekliğin tam resmine doğru bir sonraki adımdır. Ancak yerçekimi, diğer tüm kuvvetlerden şaşırtıcı derecede daha zayıftır ve standart modelle kolayca bütünleşmez. Özellikle, varsayımsal kuantum kütleçekim parçacıkları mevcut bir sorunu daha da kötüleştirir: Higgs’in etrafındaki alanda ortaya çıkan ve yok olan “sanal” parçacıklarla etkileşiminin kendi kütlesini ölçülen değerinden çok daha ağır yapmasını gerektirir. Higgs’in denklemleri beceriksizce kurcalamadan neden bu kadar hafif olduğunu açıklamak teorisyenleri şaşırtmıştır.

Daha geniş anlamda, Higgs, standart modelin en sıkıntılı yönleriyle bağlantılıdır. Higgs’in onlarla ne kadar güçlü bir şekilde eşleştiğine göre değişen parçacık kütlelerinin eski bir düzenlemesi gibi görünen şeyin temel taşıdır. Örneğin elektronlar, kardeşlerinden tau adı verilen parçacıklardan çok daha hafif olan müon adı verilen kardeş parçacıklarından çok daha hafiftir ve bunun nedenini kimse de  şimdilik bilmiyor. Almanya’daki Freiburg Üniversitesi’nden Beate Heinemann, “Bu çok kaotik” diyor. “Standart modelde anlamadığımız tüm bu sayılar için bir kanun yok. Tıpkı “Vahşi Batı” gibi diyerek ekliyor.

Fizikçiler, bir teoriden doğal olarak ortaya çıkan sayıların aksine, sayıları teorilere elle koymaktan nefret ederler. “İnce ayar” ve “özel amaçla” gerçekliğin en temel düzenini keşfetmeye çalışan bir alanda yapılanlara karşı büyük bir yanlıştır.  Heinemann, “Yerçekiminin elmalar, insanlar ve gezegenler üzerinde farklı davranması gibi” diyor. “Bu çok tatmin edici değil. Bu sayıların kaynağı nedir?”
Standart modelde elektronlar, müonlar ve tau parçacıkları arasındaki tek fark, Higgs ile etkileşim biçimleridir. Parçacık kütlelerinin gizemli kökeni, Higgs’in ayrıntılı olarak incelenmesinin ortaya çıkarabileceği daha derin bir yapının var olduğunu düşündürür. Buradaki fikir, bu etkileşimleri tam olarak ölçerek, standart modelin açıklayamayacağı tutarsızlıkları göreceğimiz ve yeni, daha kapsamlı bir teoriye yönelik ipuçları sunacağıdır.

Higgs Bozonunun Gizemi

Bu etkileşimlerin bazılarına daha yakından bakalım. 2018’de LHC, Higgs’in bir üst kuark ve onun antimadde eşdeğeri olan bir üst antikuark ile birlikte üretildiği parçacık süreçlerini ortaya çıkardı. Üst kuark, Higgs’ten bile daha ağır olan en büyük temel parçacıktır; bu, standart modelden herhangi bir sapmanın burada en belirgin şekilde ortaya çıkması gerektiği anlamına gelir. Belçika’daki Free University of Brussels’ten Freya Blekman, “Higgs’i sert bir şekilde vurmak ve beklediğimiz şeyi yapıp yapmadığını görmek için harika bir yol” diyor. Ne yazık ki, üst kuark ölçümleri olumsuz bir şey ortaya çıkarmadı. “Aynısı geçen yıl, Higgs’in ilk kez düşük kütleli müonlara dönüştüğüne dair bir bakış yakaladığımızda da geçerli” diye ekliyor.

Şimdiye kadar, Higgs bozonu kararlı bir şekilde adete bir vanilya olduğunu gösterdi. Bu çok sinir bozucu. Yine de LHC’deki ölçümler, Higgs’in sıkıcı cephesinin altında bir şeyler sakladığını düşünmek için bolca hareket alanı bırakıyor. Gerçekten de, Higgs’in gerçekte ne olduğu ve gerçekte ne yaptığı hakkında fikir sıkıntısı yoktur. University College London’dan Jon Butterworth, “Üzerine koyabileceğiniz her türlü ince ayar, zil ve ıslık var” diyor.
Daha önce temel ve bölünemez olduğunu düşündüğümüz parçacıklar, bir soğanın katmanları gibi soyularak açıldı. Atomlar proton, nötron ve elektronlara ayrıldı. Sonra protonlar ve nötronlar kırılarak kuarkları ortaya çıkardı.

Aynı şey, içinde daha küçük bileşenlerin gizlendiği Higgs için de geçerli olabilir. Örneğin, “ikiz Higgs” veya “küçük Higgs” modelleri, Higgs’in neden bu kadar garip bir şekilde küçük bir kütleye sahip olduğu sorununa yaratıcı çözümler olarak standart modele karmaşık yeni simetriler ekler. Higgs’in diğer parçacıklara nasıl bozunacağının beklendiği konusunda küçük sapmalara bakarak, gerçekliğin merkezinde daha karmaşık başka bir Higgs’in yattığını görebiliriz.

Higgs’in etkileşimlerinde gizli olan, aynı zamanda yeni parçacıkların olasılığıdır. Higgs, kuantum-mekanik “dönüşü” sıfır olan tek temel parçacıktır. Bu onu benzersiz bir şekilde rastgele yapar. Temel parçacıkların çoğunu başlarına çevirirseniz, dönüşleri nedeniyle farklı davranırlar, ancak spinsiz bir parçacık, nasıl çevirirseniz çevirin, aynıdır. Bu, Higgs’in keşfedilmeyi bekleyenler de dahil olmak üzere diğer parçacıklara çok kolay bağlandığı anlamına gelir.

Pembe Filler Ne Anlama Geliyor?

Higgs’in bilinen tüm parçacıklara nasıl bozunduğunu ölçerseniz, ancak bir miktar enerjinin kaybolduğunu tespit ederseniz, mevcut dedektörlerin göremediği yeni parçacıkların varlığını önerecektir. Her dört Higgs bozonundan biri Heinemann’ın dediği gibi “pembe filler”e dönüşebilir. Bu tür filler, karanlık madde için başlıca adaylar olacaktır.
Yeterince yüksek enerjilerde, teoriler Higgs bozonunun kendi içine bile bozunabileceğini tahmin ediyor. Bu sadece önceden bilinmeyen bir etkileşim türü değil, aynı zamanda Higgs’in bunu nasıl yaptığı kozmik hikayemizi de belirliyor. Bu “kendini birleştirme” bize Higgs alanının büyük patlamadan kısa bir süre sonra nasıl ortaya çıktığını anlatıyor. Parçacıklara kütle kazandırmanın ve böylece gezegenlerin, yıldızların ve galaksilerin oluşmasını sağlamanın yanı sıra, bu değişimin nasıl olduğunu bilmek bize evrende neden antimaddeden çok daha fazla madde olduğunu söyleyebilir.

LHC Nedir ve Neler Yapar?

Sorun şu ki, şimdiye kadar LHC’den alınan ölçümler, Higgs’in gerçekte neyin peşinde olduğuna dair bu çeşitli olasılıkları ekarte edememiş veya tam olarak belirleyememiştir. LHC, “kirli fizik” yapıyor, diyor Allanach, protonları yüksek enerjili, dağınık çarpışmalarda bir araya getirerek orada ne olduğunu keşfetmek için. Bu kaosun ortasında Higgs’in ince detaylarına hakim olmak zor. Higgs’in diğer parçacıklarla olan bağlantılarının çoğu şimdiye kadar parçacığa bağlı olarak sadece yüzde 10 veya 20 hassasiyetle ölçülebildi. Blekman, “Belirsizlikler büyük olduğunda bir şeyin verilerle aynı fikirde olduğunu söylemek çok kolay” diyor.

Bütün bunlar, Blekman ve diğerlerinin neden Higgs bozonları üretecek yeni bir parçacık çarpıştırıcısı için lobi yaptıklarını açıklıyor. Neye ulaştıklarına dair görüşümüzü karartmak için çok fazla “gürültü” olmadan milyonlarca parçacığı üretecek ve diğer parçacıklarla olan bağlantılarını çok daha kesin bir şekilde ölçmemize izin verecekti. Dahası, elektronlar yerine daha ağır ve dolayısıyla daha enerjik protonları bir araya getiren yükseltilmiş bir Higgs fabrikası, Higgs’in kendi kendine eşleşmesini ölçmemize olanak sağlayacaktır.

Geçen Haziran ayında, CERN’in 23 üye devleti, en yüksek önceliklerinin elektronları ve elektronun antiparçacığı olan pozitronları çarpışan bir Higgs fabrikasının inşasını sürdürmek olduğu konusunda anlaştılar. Blekman, “Herkes, birçok Higgs bozonu yapan bir şeye ihtiyacımız olduğu konusunda hemfikir” diyor. Yine de bir Higgs fabrikasının parçacığın sırlarını açığa çıkarmanın doğru yolu olduğuna dair tüm güvene rağmen, bazı fizikçiler Higgs’in bizden hiçbir şey saklamayabileceği ihtimalini kabul ediyor – bu nedenle bir fabrika hiçbir şey bulamayabilir diyor. Butterworth, “Bu ihtimalle başa çıkmak zor olsa da aynı derecede şaşırtıcı olurdu” diyor.

Yakın zamana kadar standart model, keşfedilecek bir şeyler olduğuna dair bize güvence veren plandı. Şimdi, bu yapboz tamamlandı ve sırada ne olduğuna dair birkaç ipucu ile karanlıkta kaldik adeta. Higgs bozonunu ve LHC’de başka hiçbir şeyi bulmak, CERN’deki teorisyenler tarafından “kabus senaryosu” olarak adlandırıldı. Birçok fizikçi, standart modeldeki boşlukları doldurmayı amaçlayan süpersimetri teorisinin öngördüğü “süper ortak” parçacıkları da göreceklerini düşündü. Teorisyenler, karışıma yeni parçacıklar ekleyerek Higgs bozonunun şaşırtıcı derecede hafif kütlesini açıklayabilirler. Halihazırda bilinen parçacıklarla etkileşimler Higgs kütlesini yukarı doğru sürüklerken, bu süpereşler onu LHC tarafından ölçülen değere geri çeker. Süpersimetri, doğanın dört kuvvetini birleştirmenin zarif bir yolunu sunmakla kalmadı, aynı zamanda süpereşleri de karanlık maddeye bir kimlik verdi.
“Higgs’in birkaç sırrı olduğunu düşünmek için yeterince hareket alanı var”
LHC’de başka parçacıklara dair hiçbir ipucu olmadan, en makul süpersimetri teorileri ufalandı. Küçük ölçülen Higgs kütlesini çözmenin tek yolu, “çıplak kütle” Higgs için bir başlangıç değerini elle girmektir; bu etkileşimlerin dışında Butterworth, “Bir tesadüf olamayacak kadar şüpheli bir şekilde ince ayar yapılmış” diyor.

Süpersimetri Fiziği

Süpersimetri, evreni yöneten yasaların derme çatma ve keyfi yerine zarif ve açıklanabilir olduğu, doğallık adı verilen bir fikre dayanmaktadır. Tarih boyunca, ince ayarlanmış gibi görünen sayılar ortaya çıktığında, fizikçiler teorilerinde bir şeylerin eksik olduğundan şüphelendiler – ve genellikle haklıydılar. Santa Barbara’daki California Üniversitesi’nden Nathaniel Craig, LHC’de yeni parçacıkların devam eden yokluğunun bu yüzden “ayıklayıcı bir an” olduğunu söylüyor. “Artık estetik kriterleri kullanma konusunda büyük bir isteksizlik var” diyor.
Doğallık sorgulanırken, parçacık çarpıştırıcılarının ulaşabileceği enerjilerde standart modelin ötesinde yeni parçacıkların var olup olmadığını bilmek zor. İngiltere’deki Durham Üniversitesi’nden teorisyen Keith Ellis, “Öğrendiğimiz şeylerden biri, standart modelin çok yüksek enerji ölçeklerine kadar geçerli olabileceğidir” diyor. “Bu iç karartıcı bir ihtimal.” Nihayetinde doğa, fizikçilerin umduğu kadar zarif olmayabilir ve parçacık çarpıştırıcınız ne kadar güçlü veya hassas olursa olsun, bazı parçalar bilinemez olabilir.
Allanach umutlu olmaya devam ediyor. Yaklaşımını büyük estetik ilkelerle başlayan yukarıdan aşağıya teorilerden “aşağıdan yukarıya” düşünme dediği şeye kaydırdı. Standart modeldeki küçük çatlaklardan başlar – örneğin çok hızlı bozunan veya beklediğinizden daha manyetik olan parçacıklar gibi – ve teorileri parça parça oluşturur. Yeni bir parçacık eklemek verileri daha iyi açıklıyorsa, estetik açıdan da ne kadar çekici olursa olsun dikkate değecektir.
Allanach, bir Higgs fabrikasının bu küçük çatlakları incelememize izin vereceğini söylüyor. “Yeni parçacıkları keşfetmek kadar heyecan verici olmasa da, Higgs’i tam olarak ölçmek yeni fikirlerin oluşması için hayati bir fırsat sunar” diyor.
“Kalbimde, her şeyden çıkacak standart model gibi bir paradigma olacağını ve onu anlayabileceğimizi hissediyorum. Elbette yaparım,” diyor Allanach. “Fakat bir yaklaşım değişikliğine ihtiyacımız var. Teorisyenlerin bize söylediklerini yapmaya kendimizi fazlasıyla kaptırdığımızdan ve aslında bilinmeyen bir bölgeyi keşfettiğimiz gerçeğini gözden kaçırdığımızdan endişeleniyorum” diye de ekliyor.

Kaynak: New Scientist

 

    İlk yorum yapan olun

    Bir Cevap Yazın