Oğuz Pancar

Kuramsal fizikçi Peter Higgs geçtiğimiz Nisan ayının 8’inde yaşama veda etti. 2013 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü alan bilim adamının, ödülü, adıyla anılan kuramı ortaya attığı 1964’ten tam 49 yıl sonra kazanmış olması garip gelmesin, ölümünden çok sonra Nobel kazanan fizikçilerin sayısı hiç de az değil. Aradan geçen uzun süre, Akademi’nin yavaşlığından değil kuantum mekaniği araştırmalarının bilimsel yöntembiliminden kaynaklanıyor daha çok.

Doğa bilimlerinde araştırma ilk olarak gözlemle başlar, bir doğa olgusunu gözlemleyen bilimci, görüneni açıklayan bir varsayımla yola çıkar öncelikle; sonra bir dizi kontrollü deneyle varsayımını test eder; başarılı olursa, deneylerden öğrenilenlerle birlikte varsayım bir kurama dönüşür. Kabaca özetlediğimiz bu akış kuantum fiziği için hiç geçerli değil; tam tersine, çoğu durumda atomaltı araştırmalarının son noktası gözlem; çünkü henüz tüm aktörlerini keşfetmekten çok uzak olduğumuz kuantum dünyasındaki pek çok parçacığın doğrudan gözlenmesi olanaklı değil; özellikle ne aradığınızı az çok biliyorsanız ve deneylerinizi ona yönelik tasarlıyorsanız -o da dolaylı- bir gözlem şansınız var ancak. Higgs bozonu da bulunmasından çok uzun zaman önce neredeyse tüm özellikleri tahmin edilen bir parçacık.

[Konuya uzak olanlar için, bozonlar tam sayı spine sahip kuvvet taşıyıcı kuantum parçacıklarıdır; günümüzde kabul gören kuramlara göre temel kuvvetlerin üçü, yani elektromanyetizma, zayıf etkileşim ve güçlü etkileşim, birer vektörel alandır ve taşıyıcıları da birer parçacıktır; elektromanyetizma foton, zayıf etkileşim W ve Z bozonları, güçlü etkileşimse 9 ayrı tipteki gluon aracılığıyla etki eder (Son kuvvet olan kütle çekim bir alana ve taşıyıcı parçacığa -şu an için- sahip değil, kütle çekimi diğer temel kuvvetlere benzer şekilde açıklayabilme hedefi fiziğin “Kutsal Kase”sidir ve pek çok bilimci “Her Şeyin Kuramı” adı verilen bu modeli oluşturma şanına sahip olmak, yani kütle çekim alanını ve onun taşıyıcı parçacığı gravitonu bulmak için uzun yıllardır çalışmaktadır; ancak büyük olasılıkla kütlesel çekim evrenin dokusuyla yani uzay-zamanla bütünleşik bir kuvvettir ve bir parçacıkla iletilmemektedir.]

Kuantum Alan Kuramı

Higgs bozonu, ilk kez 1964'te Peter Higgs'in yazdığı bir bilimsel makalede yer alır. O sırada fiziğin gözde konusu, Kuantum Alan Kuramı adı verilen çerçeveyi kullanarak doğanın dört temel kuvvetinden biri olan -ve radyoaktif bozunumu yöneten- zayıf etkileşimi tanımlayabilmektir.

Kuantum Alan Kuramı, parçacıkların mikroskobik dünyasını günlük hayatımızdan çok farklı bir biçimde betimler. Bu kurama göre, evren “kuantum alanları”yla doludur ve bu alanlar tüm fiziksel süreçleri yönetir. Bu tanımlamada, her parçacık, geniş bir okyanusun yüzeyinde bir dalga benzeri bir alanda temsil edilebilir. Örneğin ışığın parçacığı olan foton aynı zamanda elektromanyetik alanın bir dalgasıdır.

Parçacıklar birbiriyle etkileşime girdiğinde “kuvvet taşıyıcısı” değiş tokuşunda bulunurlar. Bu kuvvet taşıyıcıları parçacıktır ve aynı zamanda kendi alanlarında birer dalgadır. Örneğin, iki elektron etkileşime girdiğinde bunu foton alışverişiyle yapar; fotonlarsa elektromanyetik etkileşimin kuvvet taşıyıcılarıdır.

Bu tablonun başka önemli bir bileşeni de simetridir. Bir şekil döndürüldüğünde veya çevrildiğinde değişmiyorsa, simetrik olarak adlandırılabilir. Simetriler kuvvet parçacıkları için de belirleyicidir. Örneğin, elektrik yükü bir olan parçacıklar arasındaki elektriksel kuvvet her zaman aynıdır, parçacık elektron değil, muon ya da proton olsa da bu durum değişmez.

Matematiksel “Ayarlama”

Kuantum Alan Teorisi, kuantum elektromanyetiğinin temelini oluşturur; ancak bu yöntem zayıf etkileşime uygulanamaz çünkü bu modele göre parçacıklar kütlesiz olmalıdır. Özellikle, W ve Z bozonları olarak bilinen zayıf etkileşim taşıyıcılarının kütleleri olmamalıdır, aksi halde kuramın temel simetrisi bozulur. Ancak biliyoruz ki bu iki bozonun kütlesi vardır; hem de 80.4 GeV ve 91.2 GeV gibi protondan neredeyse 100 kat daha fazla. O halde bunların kütlesini sıfır kabul edebileceğimiz bir yöntem bulmak gereklidir. Bu sorunun çözümü, Brout-Englert-Higgs mekanizması ile bulunur. Bu mekanizmanın iki ana bileşeni vardır: tamamen yeni bir kuantum alanı ve özel bir matematik hilesi. Bu yeni alan, bugün Higgs alanı olarak adlandırdığımız alandır.

Higgs ve ardılı bilimcilerin temel savı şudur: kütle, evrendeki hiçbir parçacığın temel özelliği değildir, daha doğrusu bizim anladığımız anlamda bir kütle yoktur. Tüm evren Higgs alanı ile doludur ve tüm parçacıklar bu alanla etkileşime girdikleri için kütle kazanırlar (örneğin foton Higgs alanıyla etkileşime girmediği için kütle kazanmaz).

[Belinize kadar denizde olduğunuzu hayal edin; yürümeye çalıştığınızda karada olduğundan daha fazla güç harcamak zorunda olduğunuzu, daha yavaş ilerleyebildiğinizi göreceksiniz, sanki bacaklarınız “ağırlaşmıştır”; işte burada deniz, Higgs alanı gibidir. Denizden çıktığınızda artık Higgs alanından ve kütleden kurtulmuşsunuzdur, karada adım atarken havanın direncini hissetmezsiniz bile.]

Bu varsayıma göre evren oluştuğunda dengesiz ancak simetrik bir Higgs alanıyla kaplıdır. Büyük Patlama'dan sonraki ilk saniyenin çok küçük bir kesri sonrasında bu alan dengeli bir duruma kavuşsa da başlangıçtaki simetri kırılmıştır. Bu yeni denge durumunda denklemler simetrik kalsa da Higgs alanının kırılan simetrisi W ve Z bozonlarının kütle kazanmasına yol açmıştır.

Anlaşılacağı gibi, Higgs alanı ve bozonu kavramlarına yolu açan düşünce bir gözleme dayanmıyor; mevcut denklemlerden kütleyi atabilmek için yapılan bir çeşit matematiksel “ayarlama” aslında bu.

Bu ayarlama kağıt üzerinde çalışsa da varlığını, yapılacak deneylerle kanıtlamak gerekecektir.

[Higgs bozonu, basında “Tanrı Parçacığı” olarak da sıklıkla anılmıştır. Bu tanımlama, kendi de Nobel ödüllü bir fizikçi olan Leon Lederman’ın 1990’larda yazdığı ve adını “Tanrının Belası Parçacık”⁽¹⁾ adını vermek istediği kitaba, yayınevinin “Tanrı Parçacığı” adını koymasından kaynaklanmıştır.]

Bunu kanıtlayacak bir deney ancak parçacık hızlandırıcılarında olanaklıdır. Hızlandırıcılarda yapılan deneylerde, önce tek bir parçacık (proton, elektron vb) dairesel bir tünele salınır ve sonrasında tüneldeki yüksek elektromanyetik alanın yardımıyla hızlandırılarak neredeyse ışığa yakın bir hıza çıkarılır (tahmin edebileceğiniz gibi parçacık +/- bir elektrik yüküne sahip olmalıdır). Sonrasında bu parçacığın ters yönden gelen diğer bir parçacıkla çarpışması beklenir ve bu çarpışma sonucunda oluşacak yeni parçalar gözlenerek kayda alınır. Tabii, bir tünelde turlayan iki protonun çarpışmasını milyonlarca yıl beklemek zorunda kalabilirsiniz, o yüzden tünellere milyarlarca parça salınır ve her saniye çok sayıda çarpışma kaydedilir.

Çarpışma sonrası saçılımı etkileyen etkenler, parçacıkların türü (kütlesi) ve ulaştıkları hızdır. Çarpışma iki parçacığın kütle ve kinetik enerjileri toplamı E=mc² formülüne uygun olarak, genellikle GeV (Giga Elektron Volt⁽²⁾) olarak ölçülen, toplam bir enerji açığa çıkarır ve bu enerji çok kısa ömürlü farklı parçacıklar üretir. Başlangıçtaki kütle ve hız ne kadar büyükse, oluşacak parçanın da büyük kütleli olma olasılığı aynı şekilde artar. Yani toplam enerjisi 100 GeV olan iki parçacığın çarpışmasından en çok 200 GeV kütlesine sahip bir parçacık ortaya çıkabilir.

[Sayfadaki siyah-beyaz fotoğrafta, çarpışmalar sonucu oluşan parçaların saçılımına örnek görebilirsiniz. 20. yüzyılın başında, içi aşırı doygun su/alkol buharıyla doldurulan büyük haznelere düşen alfa/beta parçacıklarının buhar molekülleriyle çarpışması sonucu ortaya çıkan ve iyonize olduğu için geride parlak bir iz bırakan parçacıkları fotoğraflamakla başlayan saçılım analizleri bugün gelişmiş elektronik cihazlarla yürütülmektedir.]

CERN-LHC

Higgs bozonunun kütlesi başlangıçta 140 GeV olarak tahmin edilse de, o sırada dünya üzerindeki farklı hızlandırıcılarda yapılan deneylerde bu parçacığın izine rastlanmaz ve bu gizemli bozonun beklenenden çok daha ağır olabileceği düşünülür. 2008’de İsviçre’deki CERN’de (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) daha yüksek enerjili çarpışmalar üretebilecek hızlandırıcılar için çalışmalara başlanır. Sonunda deneylerin başlamasından hemen sonra, 4 Temmuz 2012'de ATLAS ve CMS Büyük Hadron⁽³⁾ Çarpıştırıcıları’nda iki protonun çarpıştırılması sonucu Higgs bozonu olduğu düşünülen ve 125 GeV kütleye sahip yeni bir parçacık gözlemlenir.

Gözlemlenir derken gözle görüldüğünü düşünmeyin, yüksek enerjili her çarpışmada Higgs bozonu ortaya çıkmaz. CERN’deki çarpışmalarda her saniye milyarlarcası kaydedilen çarpışmaların ancak milyonda bir kesrinde Higgs bozonu oluşur ve o da saniyenin 10^-23 gibi küçük bir kesrinde diğer parçacıklara dönüşerek bozunur. Bozonun varlığı asıl olarak, tüm çarpışma kayıtlarının istatistiksel olarak değerlendirilmesiyle anlaşılır. Yani bilimciler, önceki çarpışmalarda görülmemiş yüksek bir oranda 125 GeV’lik bir parça oluştuğunu ancak milyonlarca kaydı değerlendirerek anlayabilirler.

[Higgs bozonu keşfinin CERN’de ilk çarpışmadan aylar sonra açıklanmasını nedeni budur, bilim adamları yeterli sayıda kaydın oluşmasını beklemek zorunda kalmışlardır. Buradaki ilginç durumu da belirtmeden geçmeyelim; 100-200 GeV düzeyi daha önceden de farklı hızlandırıcılarda pek çok kez taranmış bir kütle aralığıydı. CERN’de 3.5 TeV gücünde (toplamda 7 TeV) bir çarpıştırıcı inşa etmemin gerekçesi de Higgs bozonunun çok ağır bir parçacık olduğunun düşünülmesiydi. Bu da demek oluyor ki CERN’deki LHC’nin kurulmasından çok daha önce faaliyette olan pek çok diğer çarpıştırıcıda Higgs bozonu keşfedilebilirdi⁽⁴⁾.]

Yukarıda ATLAS’taki çarpışmaların istatistiksel bir grafiğini göreceksiniz. Yatay eksende 120 ve 130 GeV arasında, yaklaşık 125 GeV civarındaki sıçramaya dikkat ediniz; işte bu sıçrama Higgs bozonuna işaret eden başlıca kanıttır. Ancak bulunan parçacığın Higgs bozonu mu yoksa bilinmeyen başka bir parçacık mı olduğu belirsizdir. Geçen süre içinde, bulunan bu parçacığın varsayılan Higgs özellikleriyle uyumlu olduğu görülmüşse de yine de bu parçacığın evrendeki kütleden sorumlu olup olmadığı tartışması bitmiş değildir.

1. “Goddamn Particle”, keşfedilmesi çok zor olduğu için Lederman’ın Higgs bozonuna taktığı isimdir.
2. Elektronvolt (eV) bir elektronun, vakumda bir voltluk elektrostatik potansiyel farkı katederek kazandığı kinetik enerji miktarıdır, yaklaşık değeri yaklaşık 1.6 x 10⁻¹⁹ Joules’dür.
3. Proton ve nötron gibi, güçlü etkileşim tarafından bir arada tutulan taneciklerden (quarklar) oluşan bileşik parçacıkların genel adı.
4. Daha önceleri başta ABD’deki Fermilab olmak üzere başka çarpıştırıcılarda da deneyler yürütülmüş, ancak kesin bir sonuca varılamamıştır.