Atom Fiziğinde Üzücü Haber >> Elektron yuvarlak çıktı, fizikte süpersimetri umutları kırıldı
Bir fizikçi için elektronun şeklinin ne önemi var? Klasik fizikte gerçekten önemi yok, atomaltı parçacıklar matematiksel bir nokta olarak tanımlanır diyerek işin içinden çıkabiliriz. Ancak atomları açıklayan süpersimetri ve sicim teorisi gibi kuantum fiziği teorilerine gelince iş değişiyor. Süpersimetri için bir elektronun şekli, tam olarak yuvarlak olup olmadığı çok önemli. Neden derseniz…
Sicim teorisine göre elektronlar ve diğer atomaltı parçacıklar inanılmaz ölçüde küçük sicimlerden oluşuyor. Mikroskobik iplikçiklere benzetebileceğimiz bu sicimlerin şekli, ayakkabı düğümü gibi nasıl kıvrıldıkları ve sicimlerin titreşim frekansı gibi özellikler fizikteki farklı parçacıkları oluşturuyor. Protonları oluşturan kuarklar ile elektronlar arasındaki fark da sicimlerin arasındaki farktan ileri geliyor.
Atom fiziğinde Standart Model’in cevaplayamadığı soruları açıklamak için geliştirilen süpersimetri teorisinde de buna benzer bir mantık yürütülüyor, ama bir sorun var: Harvard ve Yale Üniversitesi’nden gelen son haberler, elektronun yumurta gibi oval bir yuvarlak değil, kusursuza yakın bir küre olduğunu gösterdi.
Oysa süpersimetri teorisi, elektronun “yumurta şekilli” olması gerektiğini söylüyor. Üstelik bu teori, Standart Model’deki eksiklikleri gidermek için henüz keşfedilmemiş parçacıklar öngörüyor ve bunlar, proton gibi parçacıkların “süpersimetrik” kardeşleri olarak tanımlanıyor. Elektronun küre şekilli çıkması bu modeli bozdu ve atomaltı dünyayı açıklamamızı zorlaştırdı.
Peki neden süpersimetri?
Bilim adamları fizik biliminde eksiklikler olduğu konusunda hemfikirler. Doğanın sırlarını çözerek atomaltı dünyayı açıklamak için Standart Model’den daha kapsamlı ve detaylı bir teoriye ihtiyacımız var. Bu teori henüz bilmediğimiz noktaları açıklamalı.
Süpersimetri modeli bilimsel olarak ispat edilmemiş olmakla atomaltı dünyanın sırlarını öğrenmek için en güçlü adaylardan biriydi. Süpersimetri atomaltı parçacıkların özelliklerini açıklayarak, mikroskobik dünyayı gözle görülen makroskobik dünyaya bağlıyordu. Hatta bilim adamları, süpersimetri modelinin Sicim Teorisi ile açıklanabileceğini umuyorlardı.
Oysa son deneyler elektronun süpersimetride öngörüldüğü gibi yumurta şekilli değil, küre şekilli olduğunu gösterdi. Bu buluş süpersimetri konseptini tümüyle rafa kaldırmıyor, ama en sorunsuz bazı süpersimetri modellerinin geçersiz olduğuna işaret ediyor. Fizikçiler için sıkıntılı bir durum.
Yumurta şekilli elektron mu olur?
Haklısınız. Elektron nihayet atomaltı bir parçacık. Bu yüzden de onu elma ya da armut gibi günlük hayattaki objelere benzetmek hata olur; ama konunun hızlıca anlaşılması açısından yumurta ve küre benzetmesi yapmamız gerekliydi. Ayrıca aşağıda anlatacağımız gibi bu aslında yaklaşık olarak doğru bir tarif.
Tabii bilimsel detayları vermek açısından şunu da söyleyebiliriz: Harvard ve Yale’in yaptığı deneylere göre elektronun dipol (iki kutuplu) momentumu yok. Kısacası, elektrik enerjisini ileten elektron spor salonlarındaki “dambıllara” pek benzemiyor. Elinizle kaldırdığınız dambılın iki ucunda birer ağırlık var, ama elektron tahminlerin aksine böyle iki uçlu bir nesne değil. Bu bağlamda elektron çubuk mıknatısa da benzemiyor, çubuk mıknatıs gibi bir güney kutbu ve bir kuzey kutbu yok (manyetik kutuplar).
Bilimsel açıklaması
Fizikçiler elektronu geleneksel olarak küre şekilli düşünüyor, fakat bazen de çubuk mıknatıs gibi iki kutuplu bir şekle girdiğine inanıyorlardı. Klasik düşüncede, elektron uzaydaki bir nokta parçacık gibidir ve çevresini sanal parçacıklardan oluşan bir bulut kuşatır. Elektron küre şekilli derken kast ettiğimiz bu. Elektronun fiziksel özellikleri onu saran bulutun şeklini belirliyor ve elektronu küre biçimli bir bulut kuşatıyor.
Süpersimetri ise biraz daha farklı bir hikaye anlatıyordu: Buna göre elektronun çubuk mıknatıs veya dambıla benzediği durumlarda, elektronu kuşatan bulut da bir yumurtayı andırıyordu. Yale ve Harvard deneyleri ise, elektronun klasik Standart Model’de öngörüldüğü gibi küre biçimli olduğunu gösteriyor.1
Bir atom fizikçisi için küre ne demek?
Londra Imperial College’dan fizikçi Jony Hudson açıklıyor: “Bu soruyu şöyle sorabiliriz: Elektrona neresinden bakarsak bakalım aynı şekilde mi görünür? Teknik açıdan [Elektronun] bazen iki kutuplu olması derken, fizikçiler aslında elektronun simetrik olup olmadığını soruyordu.” Hudson, elektron süpersimetrikse bazen yumurta şekilli olmalıydı diyor. Adı üstünde, Süpersimetri Modeli’nin böyle bir tahminde bulunması normal.
Parçacık fiziğinin standart modeli Evren’de bilinen tüm parçacıkları tanımlıyor ve elektronun iki kutuplu olma şansını da sıfıra yakın olarak görüyor. Henüz bilinmeyen başka parçacıklar keşfedeceğimizi öngören süpersimetri ise, elektronun bazı durumlarda iki kutuplu ve yumurta şekilli olacağını söylüyor. Şimdi son deneylerin ayrıntılarına göz atalım. 🙂
Elektronları kuşatan gizemli bulut
Öncelikle fizikçiler 50 yıldır elektronun şeklini merak ediyordu. Yale Üniversitesi’nden David DeMille ile Harvard Üniversitesi’nden John Doyle’u bir araya getiren ACME ortak çalışma grubunun İsviçre’deki parçacık hızlandırıcısı CERN’e ek olarak yürüttüğü çalışmalar, her ne kadar hayal kırıklığı yaratsa da bu merakı giderdi ve Standart Model’e gayet uygun sonuçlar elde etti.
ACME araştırmalarında, fizikçiler önceki deneylerden 10 kat hassas testler yaptıkları halde elektronda iki kutuplu davranış gözlemleyemediler. Elektron 0,00000000000000000000000000001 ölçüm hassasiyetinde bile küre şekilli görünüyordu. Yine Londra Imperial College’dan Ed Hinds, “Bu bir sürpriz diyor. Neden hâlâ sıfır?”
Elektronun şeklinin sırrı sanal parçacıklarda
Bilim adamları bütün bu deneylerde elektronun kuantum özelliklerini aydınlatmak istiyorlar. Kuantum fiziğine göre elektron dahil bütün parçacıkların sanal parçacıklardan oluşan bir bulut tarafından kuşatılmış olması gerekiyor. Sanal parçacıklar, Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi nedeniyle evrende aniden ortaya çıkan ve anında yok olan, bu yüzden de gerçek dünyada var olma şansı yakalayamayan parçacıklar olarak tanımlanıyor (bunlar -1’in karekökü gibi sanal sayılarla ifade ediliyor).
Standart Model doğruysa ama Süpersimetri yanlışsa bunlar sıradan sanal parçacıklar olmalı. Ancak Süpersimetri doğruysa, sıra dışı özelliklere sahip garip sanal parçacıklar da olmalı. Bunlar da elektronların etrafında asimetrik (bakışımsız) bulutlar oluşturmalı ve elektronu yumurta şekilli yapmalı.
Fizikçiler elektronun şeklini nasıl anladı?
Bilim adamları elektronun yumurta şekilli mi, yoksa küre mi olduğunu anlamak için elektronları parçacık hızlandırıcılarında çok hızlı bir şekilde döndürüyor. Bir yumurtayı çevirseniz masada nasıl döneceğini hayal edin. Yavaş dönen bozuk para gibi sağa sola yalpalayacaktır. Ancak masada tenis topu döndürürseniz topun yalpalamadan, düz döndüğünü görürsünüz. Araştırmacılar bunu test etti.
ACME çalışma grubu toryum monoksit molekülerindeki elektronlara baktı. Bunlar büyük kütleli, yani daha ağır moleküller olduğu için elektronların daha fazla yalpalamasına yol açacaktı. Toryum monoksit yerine terbiyum flüorürle deney yapan Hudson hislerini şöyle açıklıyor: “O molekülü seçerken çok zekice davrandılar. Doğrusu kıskanıyorum. Keşke benim aklıma gelseydi.”
Hudson haklı. Bilim adamları eski deneylerde tek tek atomları incelediler ve bu da elektronun (varsa) yalpalamasını tespit etmeyi zorlaştırdı. Öte yandan ACME araştırmacıları mikrodalga tayf ölçümü ile dikkatli testler yaptılar. Yalpalamayı net görmek için deney odacığını manyetik alanlardan ve diğer yan etkilerden izole ettiler. Londra Imperial College ekibinden Ben Sauer diyor ki: “Bu zor, çünkü dipol etkiye benzeyen birçok şey var ve dipol momentum çok zayıf bir etki.”
Oysa elektron yalpalamıyor, düz dönüyordu
Elektron küre şekilliydi ve bu birçok fizik teorisinin yanlış olduğunu gösterdi. Bunlardan biri de süpersimetriydi. Süpersimetriye göre evrendeki her parçacığın keşfedilmemiş bir ikizi vardı. “Süpersimetri öyle şık ve bazen öyle doğal görünüyor ki çok sayıda insan doğru olduğuna inanmaya başlamıştı” diyor Hind.
Hudson’a göre artık süpersimetriyi bir bütün halinde rafa kaldırmanın zamanı gelmiş olabilir. Özellikle de dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısı olan CERN LHC’nin deneylerini dikkate alırsak. Süpersimetri, parçacıkların büyük kütleli ve “ağır” eşleri olduğunu söylüyor.
Einstein’ın E=mc2 denkleminde görüldüğü gibi kütleyi enerjiye dönüştürmek mümkün ve CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı LHC dünyanın en güçlü hızlandırıcısı. Oysa LHC yüksek enerji değerlerinde süpersimetrinin öngördüğü parçacıkları göremedi. Bu sonuçları elektronun yuvarlak olduğunu gösteren deneylerle birleştirince süpersimetrinin geçerli olmadığı sonucuna varabiliriz.
California Berkeley Üniversitesi’nden Ordinaryüs Profesör Eugene Commins, “Hiç durmadan süpersimetri modelleri geliştirebilirsiniz” diyor. Aynı zamanda atomlarda dipol etkiyi arayan son deneyi yöneten Commins sözü şöyle bağlıyor: “İyi bir teorisyen yarım saatte bir model icat edebilir ve deney yapanların bunu çürütmesi 20 yıl alabilir.”
CERN’ün bir amacı da süpersimetrik parçacıkları bulmaktı
CERN LHC teraelektronvolt (TeV) enerji düzeylerine erişebiliyor. Parçacıkları işte bu kadar güçlü çarpıştırıyor. Oysa LHC bugüne kadar tek bir yeni parçacık keşfedebildi. O da Standart Model’de öngörülen ve kütleli parçacıklarda durağan kütleden sorumlu Higgs bozonu, yani Tanrı Parçacığı.
Peki süpersimetriyi kurtarmak için ne yapabiliriz? CERN LHC 2014’te yeni deneylere başlayacak ve fizikçiler süpersimetrik parçacıkları daha düşük enerji düzeylerinde arayacaklar. Bakalım ne çıkacak? Bir sonuç alamazlarsa süpersimetri modellerini terk etmemiz gerekecek.
Elektronun küre şeklini gösteren video
1Order of Magnitude Smaller Limit on the Electric Dipole Moment of the Electron — ACME Collaboration: Jacob Baron, Wesley C. Campbell, David DeMille, John M. Doyle, Gerald Gabrielse, Yulia V. Gurevich, Paul W. Hess, Nicholas R. Hutzler, Emil Kirilov, Ivan Kozyryev, Brendon R. O’Leary, Cristian D. Panda, Maxwell F. Parsons, Elizabeth S. Petrik, Ben Spaun, Amar C. Vutha, Adam D. West. Last revised 7 Nov 2013 (this version, v2))
