• Ana Sayfa
  • Bilim-Teknoloji
  • Fizikte taşlar yerine oturdu >> Durağan kütlenin kaynağı olduğu düşünülen Higgs parçacığı nihayet bulundu

Fizikte taşlar yerine oturdu >> Durağan kütlenin kaynağı olduğu düşünülen Higgs parçacığı nihayet bulundu

 

İsviçre CERN araştırma merkezindeki bilim adamları, teoride öngörülen, ancak tespit etmek için çok yüksek enerjili bir test aleti gerektiren Higgs parçacığını sonunda buldular ve fizikte eksik halkayı tamamladılar. Süper güçlü Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın yardımıyla Higgs’i bulamasaydık, bütün fiziği baştan yazmak zorunda kalacaktık.

 

İsviçre’deki CERN tesislerinde inşa edilen dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcısı Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC), inanılmaz enerji düzeylerine erişerek, 125 GeV kütle değerinde Higgs bozonunun önce kokusunu aldı, sonra da elektronik resmini çekmeyi başardı. Böylece nükleer fiziğin temelini oluşturan Standart Model de geçen yaz kanıtlanmış oldu.

Nitekim Higgs Parçacığı, Temmuz ayından beri yapılan deneylerde, tıpkı Standart Modelin tahmin ettiği gibi davranıyor ama küçük (!) bir sorun var… Standart Model; karanlık madde, karanlık enerji ve kuantum kütleçekim kuramı gibi kainatın en önemli konularını açıklayamıyor. Evrenin sadece bir kısmını mükemmel açıklayan ama geri kalanını hiç açıklayamayan Standart Modelle ne yapacağımızı şaşırdık!

 

Atsak atamıyoruz, satsak satamıyoruz

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda bulunan ATLAS ve CMS parçacık sensörleri, geçen Aralık ayında açıklanan ön sonuçlarda da Higgs bozonunun izlerini yakalamıştı. Kütleçekim kuvvetini taşıyan parçacıkların graviton olduğunu söyleyen bilim adamları, Higgs bozonunu ise durağan kütlenin kaynağı olarak görüyor. Dolayısıyla Higgs parçacığı, gravitonla birlikte Görelilik Teorisini Kuantum Fiziğiyle açıklayan bir kuantum kütleçekim kuramının geliştirilmesini sağlayabilir.

 

Higgs bozonu nedir?

20. yüzyılın dehası Albert Einstein, Özel ve Genel Görelilik teorileriyle gökcisimlerinin uzayda nasıl birbirini çektiğini, yerçekiminin nasıl oluştuğunu, neden Dünya’da ağır ve Ay’da hafif geldiğimizi açıklamıştı. Ancak, kütleçekim kuvvetinin kaynağını açıklayamamıştı.

Bu arada bilim adamları atomaltı parçacıkların fiziksel etkileşimlerini açıklayan kuantum fiziğini geliştirdiler. Kuantum fiziği, 20. yüzyılın ilk yarısında, eskiden doğa kuvvetleri dediğimiz elektromanyetik etkileşimi (görünür ışık, morötesi ışınlar, kızılötesi, radyo dalgaları, mikrodalgalar vb), güçlü ve zayıf nükleer etkileşimleri (nükleer radyasyon, nükleer enerji) başarıyla açıkladı. Ancak, doğanın dördüncü kuvveti olan kütleçekim gizemini koruyordu.

Fizikçiler kütleçekimin gizemini çözmek için büyük çaba harcadılar. Ancak, parçacık fiziği teorilerini ne zaman Einstein’ın görelilik teorisine uygulasalar başarısızlığa uğradılar. Genel göreliliği kuantum fiziği ile birleştirmek ve bir kuantum kütleçekim teorisi oluşturmak imkansızdı. Denklemler bir türlü sonuç vermiyordu.

 

Higgs bozonu kütleçekimin kaynağı mı?

Bilim adamları, yıllardır Görelilik Teorisi ile Kuantum Fiziği arasında köprü kurarak, kütleçekimi kuantum fiziğiyle açıklamak istiyorlar. Bu noktada da Higgs bozonu adı verilen teorik bir parçacığın kütleçekimde durağan kütlenin kaynağı olduğunu düşünüyorlar. Oysa bugüne kadar atomaltı parçacıkları incelemekte kullanılan düşük enerjili parçacık hızlandırıcılarda Higgs bozonunu tespit etmek mümkün olmadı. Ta ki dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcısı Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) inşa edilene kadar. LHC ile yapılan son deneyler ışığında, Higgs bozonunun 125 Gigaelektronvolt (GeV) enerji düzeyinde ortaya çıktığı düşünülüyor.

Atomlar parçalandığı zaman ortaya çıkan ve hızlandırıcı tünelinde dört bir yana saçılan sayısız kısa ömürlü parçacık arasında Higgs bozonunu yakalamak kolay değil. Özellikle de Higgs gibi yüksek enerjili/büyük kütleli parçacıkların kısa sürede parçalanıp daha küçük parçacıklara ayrıldığı düşünüldüğünde… Çarpışmadan sonra saniyenin çok ufak bir kesrinde ortaya çıkan Higgs’i yakalamak zor: Tahminlere göre Higgs bozonunun ömrü sadece 10-22 saniye!

 

 

 

 

 

 

 

 

Higgs bozonu kütleçekimi nasıl meydana getiriyor?

Teorik fizikten söz ediyor olmamıza karşın, Higgs bozonunun kütleçekimi nasıl meydana getirdiğini kolayca açıklayabiliriz:

Günlük hayatta İstanbul şehir hatları vapurlarını düşünün. Bu vapurların aslında binlerce beygir gücünde dizel motorları var ama vapurlar gücünün büyük kısmını suyu yarmaya ayırıyor ve motorun ürettiği enerjinin yalnızca yüzde 40’ı hızlanmaya ayrılabiliyor. Suya sürtünen vapur yavaşlıyor ve harekete direnç geliştirerek (eylemsizlik) ağırlaşıyor. Higgs bozonunun da uzay boşluğunu kuşatan Higgs alanında (Higgs denizinde :) ) yol alan gökcisimlerine ve uzay gemilerine böyle bir etki yaparak, evrende “durağan kütlenin” kaynağını oluşturduğu düşünülüyor.

1969’da Ay’a yolladığımız Apollo 11 kapsülünün hızı saatte yaklaşık 40 bin kilometreydi. Bugün Güneş Sistemi’nin dışına çıkan ve 70’lerin başında fırlatılan Pioneer uzay sondalarının hızı ise saatte 50 bin kilometre… Bu, insanoğlunun 2000’lerde ulaşabildiği en yüksek hız. En güçlü roketlerle bile ışık hızına ulaşamamamızın sebebi ise Higgs bozonu…

 

Higgs bozonu suçun büyük! Evrene aşılmaz bir hız sınırı koymuşsun!

Görelilik teorisine göre kütlesi olan hiçbir cisim ışık hızına ulaşamaz. Işık hızına çok yaklaşabilir ama asla ışık hızında gidemez. Sadece ışığı meydana getiren ve foton denilen parçacıklar ışık hızında gidebilir. Fotonlar vakumda (uzay boşluğu) saniyede yaklaşık 300 bin kilometre hızla gider. Bu ışık hızıdır ve fotonlar bile ışık hızından daha hızlı gidemezler.

Bunun nedeni, evrenimizin kozmolojik bir sabitle tanımlanan vakum enerjisidir. Fizik yasalarına göre uzay boşluğunun bile bir minimum enerji düzeyi vardır ve buna evrenimizin doğal enerji düzeyi diyebiliriz. Vakum enerjisi farklı olsaydı, ışık hızı da farklı olacaktı ama bu fizik yasalarının da değişmesi anlamına geldiği için, insan hayatına elverişli olmayan bambaşka bir evren ortaya çıkacaktı.

Evrenin gençlik yıllarında vakum enerji değerinin birkaç kez değişmiş olduğu tahmin ediliyor. Evreni meydana getiren büyük patlamadan sonra, bizzat uzay boşluğunun bir süre boyunca ışıktan hızlı (!) bir şekilde balon gibi şişerek müthiş boyutlarda genişlemesine de vakum enerjisindeki değişikliğin neden olduğu düşünülüyor. Bu nedenle, evrenimizin mevcut vakum enerji düzeyinin aniden değişmemesi için dua edebilirsiniz. Çünkü kuantum fiziğinde, Heisenberg’in Belirsizlik İlkesine göre, böyle bir felaketin her an meydana gelmesi mümkün. Çok, çok küçük bir ihtimal ama rastlantısal olarak mümkün…

Sonuçta, Higgs alanı denilen ve bütün evreni kuşatan güç alanında, mevcut vakum enerjisine göre 125 GeV düzeyinde ortaya çıkan Higgs bozonu da kütleli bütün parçacıkların ve bu parçacıklardan meydana gelen uzay gemilerimizin hızına sınır koyuyor: Işık hızı saniyede yaklaşık 300 bin kilometredir ve hiçbir trafik canavarı bu hıza erişemez!

 

Graviton parçacığı ile Higgs parçacığını karıştırmayalım

Higgs bozonu, parçacıkların kütle kazanmasına yol açan Higgs alanında bulunuyor. Higgs bu nedenle “Kütle nereden geliyor?” sorusunun cevabı… Kütle, parçacıklar ile Higgs alanını oluşturan Higgs bozonları arasındaki etkileşimle oluşuyor.

Graviton ise, kütleçekim etkileşimini taşıdığı düşünülen teorik bir parçacık. Kuantum kütleçekim kuramı geliştirilirse, graviton, parçacıklar arasında kütleçekim kuvvetini taşıyacak. Bu durumda Higgs’i elektrona, gravitonu ise elektromanyetik kuvveti taşıyan fotona benzetebiliriz.

İlginç gelişme: Higss bozonu, Standart Modelde öngörülenden iki kat hızlı bozunuyor ve foton çiftleri halinde ayrışıyor. Yoksa Higgs bozunu, daha küçük parçacıklardan oluşan birleşik bir parçacık mı? Bu durumda karanlık madde, karanlık enerji ve kuantum kütleçekimi Standart Modeli ihlal etmeden açıklama şansımız olabilir. Go Higgs go!

 

Belgesel sevenler için özel hazırlanmış tanıtım animasyonu: Büyük Hadron Çarpıştırıcısı LHC’ye kısa bakış

 

 

Meraklısı için teknik bilgiler ve ek bilimsel makaleler:


Not 1: Higgs bozonu parçacık fiziğinde Standart Model (SM) tarafından öngörülen bir temel parçacıktır. Bozon denilen parçacık sınıfına giren Higgs parçacığının temel özelliği spin (fırıl) kuantum sayısının bir tamsayı olmasıdır. Higgs alanı tüm uzayı dolduran ve sıfırdan farklı bir değer alan bir kuantum alanıdır. Higgs alanı, atom çekirdeğini oluşturan proton ve nötronları meydana getiren kuarklar ile kimyasal reaksiyonlardan sorumlu elektronların neden kütlesi olduğunu açıklar. Higgs bozonu ise Higgs alanının taban enerji düzeyinin (taban durumu) tahrik edilmesiyle ortaya çıkan bir enerji sıçramasıdır (pik). Kuantum fiziğine göre temel parçacıklar aslında evreni meydana getiren güç alanlarında meydana gelen enerji sıçramalarıdır. Bu da Einstein’ın E=mc2 formülünde enerjinin kütleye ve kütlenin de enerjiye nasıl dönüştüğünü açıklar.

Not 2: Işık hızı boşlukta saniyede 299.792,458 kilometredir.

Not 3: Işık hızı neden saniyede yaklaşık 300 bin kilometre sorusunun teknik yanıtı ve evrenin vakum enerjisinin (kozmolojik sabit) ışık hızını nasıl belirlediği:http://www.quora.com/What-determines-the-speed-of-light

Not 4: CERN LHC’de Higgs bozonunun nasıl araştırıldığını özetleyen makale: http://www.fnal.gov/pub/today/archive_2012/today12-04-06_NutshellReadMore.html

 

Yorum Gönder

*