Elektrozayıf Kuvvet Nedir ve Nasıl Çalışır?

Elektromanyetizma ve zayıf nükleer kuvvet nasıl birleşiyor? Elektrozayıf kuvvet nasıl oluşuyor? Evrende 4 temel fizik kuvveti var. Bunlar gezegenleri Güneş yörüngesinde tutan yerçekimi, atom çekirdeklerini oluşturan protonlarla nötronları bir arada tutan güçlü çekirdek kuvveti; ışık, kimya ve mıknatıslardan sorumlu elektromanyetizma ve zayıf çekirdek kuvvetidir. Zayıf nükleer kuvvet radyoaktif bozunma ve temel parçacıkların birbirine dönüşmesinden sorumludur.

Örnek verecek olursak

Nükleer reaktörlerin kalbinde üretilen radyoaktif plütonyum zayıf kuvvetle bozunarak zamanla uranyuma, uranyum da kurşuna dönüşür. Zayıf kuvvet proton ve nötronların birbirine dönüşmesi sayesinde Güneş çekirdeğinin hidrojen atomu çekirdeklerini kaynaştırıp helyuma dönüştürerek nükleer füzyon yoluyla enerji üretmesini sağlar. Güneş bu sayede ısı ve ışık saçar.

Oysa gözlemlenebilir evreni oluşturan sıcak büyük patlama anında 4 fizik kuvveti tek kuvvet halinde birleşmiş ve bunların davranışını birbirinden ayırmak mümkün değildi. Zamanı büyük patlama anına doğru geri sararsak sıcaklığın milyarlarca derece arttığını görüyoruz. Bu bağlamda ilk birleşen kuvvetler de elektromanyetizma ile zayıf kuvvet olmuştur.

Bunlar yalnızca Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezinin (CERN) en güçlü parçacık hızlandırıcısı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısının (LHC) içinde üretilebilen hiper yüksek sıcaklıklarda birleşiyor. Elektrik alanı, manyetik alan ve beta radyasyonunu birleştiren bu kuvvete elektrozayıf kuvvet diyoruz. Peki elektrozayıf kuvvet nedir ve nasıl çalışır?

Birazdan göreceğimiz gibi elektromanyetizma ile zayıf kuvvet birbirinden tümüyle farklıdır ve birleşebildiklerini hayal etmek zordur. Yine de elektrozayıf kuvvet fizikçileri tüm evreni tek denklemle açıklayabilecek her şeyin teorisini geliştirme yolunda umutlandırdı. Fizikçiler henüz yerçekimini diğer kuvvetlerle birleştiremediler. Oysa 80’lerden itibaren güçlü nükleer kuvveti elektrozayıf kuvvetle birleştiren kuantum elektrorenk dinamiği teorilerini ürettiler. Henüz kanıtlanmamış bu kuramlara büyük birleştirme teorileri diyoruz (GUT) ama önce elektriği radyasyonla birleştirelim:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Elektrozayıf kuvvetin aykırılığı

Dedik ki elektromanyetizma ile zayıf kuvvet ilk bakışta birleşemeyecek kadar farklıdır. Elektromanyetik kuvvet evrenin tamamını sarar. Yalnızca yerçekiminden daha güçlü olduğu uzaklığı saysak bile çok uzun menzillidir ve çivileri kendine çeken mıknatıslar bunu kanıtlar. Gerçekte ise tıpkı yerçekimi gibi bu kuvvetin de menzili sonsuzdur; çünkü kütlesiz fotonlar tarafından iletilir.

Elektromanyetizma o kadar güçlüdür ki onun sayesinde elektrik üretir ve çamaşır makinesinde kısa devre varsa elektrik çarpmasından korkarız. Elektromanyetizma Dünya atmosferini koruyan manyetik alanı ve güçlü güneş rüzgarlarını üretir. Radarlar, telsizler, bilgisayarlar, radyo dalgaları ve aklınıza gelebilecek her türlü elektrikli-elektronik alet elektromanyetizmayla çalışır. Bizzat ışık elektromanyetik bir etkileşimdir. Zayıf kuvvet ise ilk bakışta bütün bunların tam tersidir.

Bir kere adından anlaşıldığı gibi çok zayıftır. Menzili proton çapını aşmaz ama radyoaktif bozunumla ağır atomların hafif atomlara dönüşmesini sağlar. Yıldızların yanması ve evreni aydınlatmasına izin verir. Radyoaktif atıkların zamanla zararsız elementlere dönüşmesine izin verir. Çernobil’in eskisi kadar öldürücü olmamasının ana nedeni zayıf kuvvettir. Bağdaşmaz görünen bu iki kuvveti birleştirme çabası fiziğin büyük ilerleme kaydetmesini sağlamıştır.

Nitekim deney ve gözlemlerle kanıtlayarak birleştirebildiğimiz biricik kuvvetler elektromanyetizma ile zayıf kuvvettir. Bunu da belki nötrino hariç temel parçacıklara kütle kazandıran Higgs alanını kullanarak başardık. Bu ikisini elektrozayıf kuvvet halinde birleştirme çabası bizi Higgs alanını aramaya sevk etti ve 2012’de LHC’de Higgs parçacığını görerek Higgs alanının varlığını dolaylı yollardan kanıtladık:

Yükler nasıl çeker ve iter?

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Elektrozayıf kuvvet neden özel?

Evreni açıklamak için elimizdeki en iyi teori standart modeldir. Standart model bilinen temel parçacıklar ile yerçekimi hariç fizik kuvvetlerini tanımlar. Bunların birbiriyle ilişkisini gösterir. Öyle ki buna temel parçacıkların periyodik tablosu diyebiliriz. Siz de tablonun sağında fizik kuvvetlerinin taşıyıcısı olup kırmızıyla gösterilen ayar bozonlarını göreceksiniz.

Ayar derken, bu bozonların enerji değeri, yani E=mc² üzerinden kütlesi fizik kuvvetlerinin nasıl işleyeceğini belirler; çünkü bozonlar fiziksel etkileşimlerin taşıyıcısıdır. Örneğin zıt yüklere sahip elektronlarla protonları birbirine çeken şey aralarındaki sanal foton alışverişidir. Güçlü nükleer kuvveti kütlesiz gluon bozonları, elektromanyetik kuvveti yine kütlesiz fotonlar taşır. Zayıf kuvvetin taşıyıcısı W⁺, W^– ve nötr Z bozonları olup bunlar kütlelidir.

Bu yazıda konuya girmeyeceğim ama zayıf kuvvetle ilgili garipliği hemen fark edebilirsiniz. Diğer fizik kuvvetlerinin bozonları, hatta yerçekimine yol açan kütleçekim kuvvetini taşıdığı düşünülen teorik graviton bozonu bile (birçok teoride) kütlesizdir. Ayrıca zayıf kuvvet hariç diğer tüm kuvvetlerin tek bir bozonu vardır. Zayıf kuvvetin 3 (!) kütleli bozon ile bu kadar karmaşık olması ne anlama gelebilir?

Bence bütün fizik kuvvetlerini birleştirip evreni tek denklemle açıklamak mümkünse bunun ipucu zayıf kuvvette yatıyor ve üç bozon buna işaret ediyor. Öyleyse elektrozayıf kuvvet nasıl çalışıyor? Bunun için artı ve eksi yüklü W bozonlarıyla başlayalım. Yük derken elektrik yükünü kastettiğimizi anlamışsınızdır. Elektromanyetik ve zayıf kuvvette zıt yükler birbirini çeker ki bunu animasyonda görebilirsiniz:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Elektrozayıf kuvvet yükleri

İki ayrı kayıkta duran ve elinde top tutan bir kadınla erkek düşünün. Bunlar ellerindeki topu birbirine atarsa aralarındaki uzaklık momentum transferiyle açılacaktır. Yok eğer her biri havaya birer bumerang fırlatır ama karşı tarafın bumerangını yakalarsa bu kez de kayıklar momentum transferiyle yaklaşacaktır. Zıt elektrik yükleri de birbirini böyle çeker.

Tabii matematikte bunu sanal fotonların momentum transferiyle açıklarız. Fotonların kütlesi yok ama momentumu vardır. Elektron gibi yüklü parçacıklar diğer parçacıklarla sanal foton alışverişi yaparak etkileşime girer. Bu güçlü nükleer kuvvet ve belki yerçekimi için de geçerlidir. Fizik kuvvetlerinin menzilini de onları taşıyan bozonların sanal bozon eşleri belirler.

Örneğin fotonlar kütlesizdir ve ışığın menzili sonsuzdur. Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam gluonlar da kütlesiz. Neden güçlü nükleer kuvvetin menzili sonsuz değil?” Bunun cevabını ayrıca yazdım ama özetle: Güçlü nükleer kuvvetin menzili de sonsuz olmakla birlikte diğer kuvvetlerden güçlü olduğu etkili menzili atom çekirdekleriyle sınırlıdır. Bu yüzden güçlü kuvvetin menzili pratikte çok kısadır.

Bu arada güçlü ve zayıf derken ne kast ettiğimizi de belirtelim: Evrendeki en güçlü kuvvet… şey güçlü kuvvettir. Elektromanyetizma ondan 100 kat ama yerçekimi trilyon kere milyon kat zayıftır! Evrendeki en zayıf kuvvet (?) yerçekimidir. İyi ki de öyledir yoksa kütlemiz çok artar ve hepimiz kara delik olurduk. 😮 Her durumda zayıf kuvvetin artı ve eksi kütleli W bozonları kuarklar gibi temel parçacıklarla sanal W bozonları alışverişiyle etkileşim kurar. Sanal parçacık alışverişi parçacıklar arasındaki enerji akışının göstergesi olup onları ilgili fizik kuvvetleriyle birbirine bağlar.

İlgili yazı: Gezegenler Güneş Çevresinde Nasıl Dönüyor?

 

Elektrozayıf kuvvet ve radyoaktivite

Buraya dek zayıf kuvvetin elektromanyetik kuvvetle neden ilişkili olduğunu gördük: W bozonlarının net elektrik yükü var. Dolayısıyla zayıf kuvvet elektromanyetizmayla ilişkili olmak zorunda. Peki zayıf kuvvetin belirleyici özelliği olan radyoaktivite nasıl çalışıyor? Beta bozunumuyla: Heisenberg’in belirsizlik ilkesi nedeniyle proton ve nötronlar rastgele olarak birbirine dönüşebilir.

Bu da artı ve eksi beta bozunumuyla olur. Mesela protonlar iki yukarı bir aşağı kuarktan oluşur ve aşağı kuarklardan biri beta bozunumuyla yukarı kuarka dönüşürse protonlar nötronlara dönüşür. Keza nötronlar da iki aşağı ve bir yukarı kuarktan oluşur. Bunlardan biri beta bozunumuyla yukarı kuarka dönüşürse nötronlar protonlara dönüşür.

Burada anlatmaya gerek olmayan nedenlerle serbest protonlar kararlı ama serbest nötronlar kararsızdır. Öyle ki bir çekirdeğe bağlı değillerse protonlara dönüşür. Bu da iyi bir şey. Aksi halde evrende çok sayıda nötron olur ve bildiğimiz atom çekirdekleri (elementler) oluşmazdı. Özellikle de hidrojenden ağır elementlerin oluşması zora girerdi ama dahası var:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Elektrozayıf kuvvet ve nükleer füzyon

Nötronların protonlara dönüşmesi atomların çekirdek yapısını da değiştirir. Bu tür dönüşümler plütonyumun daha az radyoaktif olan uranyuma dönüşmesi ve dolaylı olarak fazladan nötron içeren izotopların oluşmasını vb.’ni sağlar. Özetle serbest nötronlar 15 dakika içinde protonlara dönüşür. Bu sırada aşağı kuarklardan biri eksi beta bozunumu (β^–) ile W^– bozonu salarak yukarı kuarka dönüşür.

Serbest W^– bozonu da kararsız olup kısa sürede bir elektron ve bir elektron antinötrinoya dönüşür. İşte buna beta radyasyonu denir ki zayıf kuvvetin kısa menzilli olmasının nedeni W^– bozonunun kararsız olup başka parçacıklara dönüşmesidir. Artı beta bozunumunda (β⁺) ise protonları oluşturan yukarı kuarklardan biri W⁺ bozonu yayarak aşağı kurka dönüşür. Protonların bu şekilde nötrona dönüşmesi Güneş’in nükleer füzyonla enerji üretmesini sağlar (bu süreçte pozitron ve elektron nötrino yayar).

Normalde Güneş çekirdeğindeki yüksek basınç ve 15 milyon derecelik ısı küçük atomları (hidrojen) kaynaştırıp büyük atomlar (helyum) sentezleyerek enerji üretmeye yeterli değildir. Oysa kuantum tünelleme ve artı beta bozumunu buna imkan sağlar. Kısacası nükleer füzyon güçlü kuvvetin işidir ama füzyonu zayıf kuvvet kolaylaştırarak pratikte mümkün kılar.

Elektrozayıf ve güçlü kuvvet

Son olarak kuarkların zayıf kuvvetle ilişkisi bunların da üçte bir elektrik yüküne sahip olmasından ileri gelir. Protonların net pozitif yükü ve nötronların nötr olması onları oluşturan üçer kuarkın üçte bir yük toplamının 1’e veya 0’a eşit olmasından kaynaklanır. Fizikçiler kuarklardan önce elektron ve nötronları keşfettiği için bunların yükünü tam sayıyla gösterdiler. O zaman da proton ve nötronları oluşturan kuarkların tekil yükünün üçte bir olarak gösterilmesi gerekti (toplamı tam sayı olmaz üzere). Her durumda kuarkların net elektrik yükü güçlü ve zayıf kuvvet arasındaki ilişkiye işaret ediyor.

İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?

 

Elektrozayıf kuvveti nasıl birleştiririz?

Bunun için standart modelin temel parçacık tablosuna geri dönelim: W bozonlarının kütleli olduğunu göreceksiniz. Öte yandan elektromanyetik kuvvet taşıyıcısı foton bozonlarının da kütlesiz olduğunu anımsayacaksınız. Peki bu iki farklı bozonu nasıl birleştirip elektrozayıf kuvvet üretiriz? Öncelikle m=E/c² yazarak kütlenin enerjiye denk olduğu ve parçacıkların kütlesinin elektronvolt cinsinden enerjiyle gösterildiğini belirtelim. Biz de fizik kuvvetlerini enerji denkliği sağlayarak birleştiriyoruz.

Oysa zayıf kuvvet bozonları olan artı/eksi W ve nötr Z parçacıkları büyük kütlelidir. Bunların kütlesi yaklaşık 80 ila 90 gigaelektronvolt (GeV) olup proton kütlesinden 80 kat büyüktür. Amerikalı fizikçi Sheldon Glashow foton-W^+/--Z bozon kütle uyuşmazlığını çözüp iki kuvveti birleştirmek için çok uğraştı.

Örneğin elektromanyetik kuvvet zayıf kuvvetten 100 milyar kat güçlüdür (kuvvetlerin gücünü belirgin oldukları menzildeki güçlerini karşılaştırarak ölçeriz). Oysa proton çapının binde biri kadar kısa mesafeler ve dolayısıyla proton üretmek için gerekenden çok daha yüksek sıcaklıklarda elektromanyetizma ile zayıf kuvvet aynı güçte olur. Neden derseniz: Fizikte enerji dalga boyuyla gösterilir ve kısa dalga boyuyla yüksek frekans daha enerjik demektir.

Proton çapının binde biri de çok yüksek enerji ve sıcaklığa karşılık gelir. Öte yandan evrende tanımlanabilen en kısa dalga boyu 10^-35 metredir. Bu da evrende tanımlanabilen en yüksek enerjiye (Planck enerjisi) ve ölçülebilecek en yüksek sıcaklığa (10³¹ derece) karşılık gelir. Öyle ki bazı fizikçiler yerçekimi dahil bütün fizik kuvvetlerini birleştirmek için Planck ölçeğinde yeni parçacıklar bulmamız gerektiğini düşünüyor.

Elektrozayıf enerjiye doğru

Bu parçacıklar ancak CERN LHC’de ulaşamayacağımız kadar yüksek enerji değerlerinde (büyük kütlede) görülebilecektir. Planck enerjisine 2030’larda kurulacak yeni hızlandırıcı bile ulaşamayacaktır. Hatta bu kadar yüksek enerjiye ulaşsak bile o enerji düzeyinde ölçüm yapmak imkansız olabilir ve bu durumda her şeyin teorisini geliştirmek için gereken yeni parçacıkları asla göremeyebiliriz. Bunları ancak yeni bir büyük patlama yaratarak görebiliriz ama o da bizden kopuk yeni bir evren oluşturur. Peki elektrozayıf kuvvetin enerji bariyerini nasıl aştık?

İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?

 

Elektrozayıf kuvvet ve Z bozonu

Buraya dek hep W bozonlarından söz ettim ama Z bozonunu pek sorgulamadım. Oysa zayıf kuvveti taşıyan parçacıklardan biri de nötr elektrik yüklü ve kütleli Z bozonudur. Elektrozayıf kuvvet de bu bozon sayesinde birleştirilmiştir. Nitekim Glashow elektrozayıf kuvvet için Z’nin nötr olması gerektiğini anlamıştı ama o zamanlar adı koyulması da bu parçacığın fotonlar gibi kütlesiz olduğunu düşünüyordu.

Glashow modern elektrozayıf teoriden önce 3 ayrı W bozonu ve bir Z bozonu (o zamanki adıyla B bozonu) tasarladı. Oysa bu teoriyle ilgili iki sorun vardı: 1) Z veya eski adıyla B bozonunun varlığı mevcut hiçbir teoride öngörülmüyordu. Glashow’un modelini geliştirdiği altmışlarda kullanılan hızlandırıcılarda Z bozonu görülmemişti. Bu parçacık 1973 yılında keşfedildi. 2) Modern teorideki 3 bozon yerine 4 bozon olmasına ek olarak bütün bu bozonlar kütlesizdi.

Dananın kuyruğu da burada kopacak ve Higgs parçacığının arayışı elektrozayıf kuvveti birleştirme çabalarıyla başlayacaktı. Neden derseniz: 4 fizik kuvvetini birleştirmek için bunların birbiriyle simetrik olmasını, yani uzayda aynı şekilde yayılmasını sağlamak zorundasınız. Bu nedenle fizik kuvveti taşıyıcısı olan bozonların kütlesiz olmasını beklersiniz. Sonuçta kütleli bozonlar farklı kütlelerde olur ve bu da simetriyi bozar. Peki bu ne demek? Bu fizik kuvvetlerini birleştirmek için bunların bozonlarının kütlesiz olduğu enerji düzeylerini bulmak demek.

Elektrozayıf kuvvet ve Higgs alanı

Örneğin parçacıklar kütlesini özel bir kuantum alanıyla etkileşime girerek kazanıyor olabilir. Bu kuantum alanının enerji değeri elektrozayıf kuvvetin ortaya çıktığı sıcaklıklarda 0 oluyorsa o sıcaklıkta bütün fizik kuvvetlerinin bozonları kütlesiz olacaktır. Böylece elektrozayıf kuvvet simetrik olarak birleştirilebilecektir. Fizikçi Robert Brout, Francois Englert ve Peter Higgs böyle bir enerji alanı arayışına girdiler. Üçünün 1964’te formüle ettiği ve 2012’de varlığı kanıtlanan bu alanın adı Higgs alanıydı:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Elektrozayıf kuvvet ve Higgs parçacığı

Bunun için görseldeki denkleme bakın. Üst satırda fizik kuvvetlerinin menzilini belirleyen sanal parçacıkların enerjisini görüyorsunuz. Bu enerji Planck uzunluğundan türeyen Planck sabitine bağlıdır. Alt satırda ise E=mc² denklemini ekleyerek sanal parçacık enerjisini kütle eşdeğeri üzerinden görüyorsunuz. Sonuçta kütlesiz (sanal) bozonların menzili sonsuz çıkıyor.

W ve Z bozonu gibi elektrozayıf kuvvet taşıyıcılarının büyük kütlesi olduğundan bunların taşıdığı kuvvetin menzili de kısa çıkıyor ki kuvvetlerin menzili sanal parçacıkların uzayda aldığı yola bağlıdır. Sanal parçacıklar yok olmadan ne kadar uzun yol alıyorsa fizik kuvveti menzili o kadar uzundur. Heisenberg’in belirsizlik ilkesinden türeyen bu denklemde, sanal parçacıkların zamana göre değişen enerji düzeyinin h/4µ’den küçük olması gerektiğini görüyoruz.

Öyle ki denklemde enerji ve zaman değişiminin (Δ, delta) çarpımı iki parçacık arasında belirli sürede gerçekleşen sanal parçacık alışverişinin ne kadar enerjik olabileceğini gösteriyor. Kütleli parçacıkların menzili de işte bu denklem uyarınca kısa oluyor ve fizik kuvvetlerini birleştirmek için kütlesiz bozonlar gerektiği yine bu denklemde ortaya çıkıyor.

Keza kütlesiz bozonlar için yüksek enerji gerektiği denklemde görülüyor. İşte bu yüzden Glashow zayıf kuvvet bozonlarının gözlemlere göre kütleli olmakla birlikte kütlesiz olarak elektromanyetik kuvvet bozonu fotonlarla birleşebileceğini düşündü. Teorisine o kadar inanıyordu ki kütlesiz bozon modelinden asla vazgeçmedi. Zayıf kuvvet bozonlarının kütle kaybettiği bir mekanizmanın bulunacağını umdu. Bu da parçacıklara kütle kazandıran Higgs alanı ve onun Higgs parçacığı olacaktı:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Higgs mekanizması

Yukarıda belirttiğim gibi Brout, Englert ve Higgs kuarklarla elektronlar gibi temel parçacıkların kütle kazanabileceği Higgs mekanizmasını öngördüler. W ve Z bozonları da birer parçacık olarak Higgs alanı ile bu mekanizma yardımıyla etkileşime girerek kütle kazacaktı. (Bu arada Higgs mekanizmasının Higgs parçacığıyla bir ilişkisi yoktur. Higgs parçacığı Higgs mekanizmasının işlediği Higgs kuantum alanındaki titreşimlerden oluşan bir parçacıktır).

Fizikçiler 2012’de Higgs parçacığını gördükleri zaman Higgs alanı ve Higgs mekanizmasının varlığı kanıtlanmış oldu o kadar. Yoksa Higgs parçacığı hakkında hemen hiçbir şey bilmiyoruz. Belki de birden fazla Higgs parçacığı var ve hatta nötrinolar kütlesini Higgs alanı yerine başka bir alanla kazanıyor olabilir ya da kütlesini bilmediğimiz Higgs parçacıklarından etkilenerek kazanıyor olabilir.

Yine de yanlış anlamaları gidermek için verdiğim bu bilgi konumuz elektrozayıf kuvvetin ötesinde. Konuya geri dönecek olursak: 1967-68’de Pakistanlı fizikçi Abdus Salam ve Amerikalı fizikçi Steven Weinberg birbirinden bağımsız olarak Glashow’un zayıf kuvvet bozonlarını alıp Higgs mekanizmasıyla birleştirdiler. Böylece elektromanyetik kuvvet ile zayıf kuvvetin yüksek enerji değerleriyle sıcaklıklarda nasıl birleştiğini gösterip elektrozayıf birleşik kuvvet teorisini geliştirdiler.

Salam ve Weinberg elektrozayıf teoriyle 1979’da Nobel fizik ödülünü kazandı. Bilim dünyası Peter Higgs’in öne çıkan çabalarını da takdir ederek parçacıklara kütle kazandıran alana Higgs alanı, ilgili mekanizmaya Higgs mekanizması ve ilgili parçacığa Higgs parçacığı adını verdi. Higgs parçacığının 2012’de bulunması elektrozayıf kuvvetin de kesin olarak kanıtlanması anlamına geliyordu. Peki bu hikaye burada bitti mi? Hayır geriye çok önemli bir soru kalıyor:

İlgili yazı: Kozmik Sicimler ve Yıldızların İçinde Yaşam Var mı?

 

Fotonlar ve Higgs alanı

Evrenin sıcaklığı 1 katrilyon dereceye çıkarsa (milyon kere milyar derece) elektromanyetik kuvvet ve zayıf kuvvet birleşiyor. 1 katrilyon derecede zayıf kuvvetin artı eksi W bozonları ve Z bozonu kütlesiz oluyor. Uzay daha soğuk (!) olduğunda ise bunlar kütle kazanıyor ve elektrozayıf kuvvet iki kuvvete ayrışıyor. İyi de fotonlar yaşadığımız şu soğuk evrende neden kütle kazanmıyor?

Nitekim Higgs alanında işleyen Higgs mekanizmasının en büyük başarısı elektromanyetik kuvvet taşıyıcısı fotonların bütün sıcaklıklarda nasıl kütlesiz kaldığını göstermesidir. Bunun için resimdeki gibi Higgs potansiyelini görelim. Buna Higgs alanının uzay boşluğundaki enerjisi de diyebilirsiniz. Günümüzde boş uzayın enerjisi sıfır değil, sıfırdan az yüksektir. Bu yüzden uzay gerçek vakum değil, sahte vakumdur.

Keza Higgs alanının enerjisi de boşluğun enerjisinden yüksektir. Biz de bugünkü boş Higgs alanının potansiyel enerjisini Meksika şapkası sombreroya benzeyen bir grafikle gösterebiliriz. Bu grafikte dikey z ekseni enerjiye ve yatay x ile y eksenleri de vakum beklenti değerlerine karşılık gelir. Öyle ki grafik Higgs alanında yer alan parçacıkların yine içinde hareket ettiği kendi KUANTUM ALANLARININ İÇİNDE HİÇ PARÇACIK OLMADIĞI ZAMANLARDAKİ BOŞ ENERJİ DEĞERİNİ verir.

Higgs alanı ile kat kat iç içe geçmiş olan diğer kuantum alanlarının boş enerji düzeyine potansiyel enerji denir ve bu potansiyel günümüzde fotonlar hariç 0’dan büyüktür. Vakum beklenti değeri de içi boş olan, yani sahte vakumda olan bir kuantum alanının minimum enerji düzeyini gösterir. Her alanın boş enerjisi farklı olup bu alanların birbirine göre enerji dağılımı sombreronun tepesi ve çukurlarındaki farklı yüksekliklere karşılık gelir.

Örneğin

Bugünkü Higgs alanı boş enerjisinde (Higgs potansiyelinde) elektronun ait olduğu elektron kuantum alanının boş enerji değeri sıfırdan epey büyüktür. Bu da elektronunun Higgs alanıyla gayet güçlü etkileşime girmesi ve daha fazla kütle kazanması anlamına gelir (grafikte elektron şapkanın tepesine yakın olurdu). Kısacası evrendeki en kütleli parçacık (üst kuark, ~173 GeV) bugün Higgs alanıyla en güçlü etkileşime giren parçacıktır. Peki ya foton alanı? Onun enerji düzeyi nedir?

İlgili yazı: Planck Uzunluğu nedir ve Neden En Kısa Uzunluk?

 

Higgs alanı ve fizik kuvvetleri

Fizik kuvvetleri de ortasında yüksek bir tepe olan bu kenarlıklı çukurun içine düşen bilardo topları gibidir. Her fizik kuvveti taşıyıcısının (bozonun) kendi kuantum alanı vardır: Foton alanı, gluon alanı vb. Bunların potansiyel enerjisi de grafikte bilardo toplarıyla gösterilir.

Higgs alanı içinde zayıf kuvvet bozonlarına karşılık gelen bilardo topları da vardır. Bunların şapkanın tepesinin eteklerinde farklı kütlelere karşılık gelen farklı yüksekliklerde (potansiyel enerji değerlerinde) olduğunu görürsünüz. Fotonlar ise her zaman şapkanın dibindedir. Onların potansiyel enerjisi hep 0’dır. Bu yüzden fotonlar sürekli hareket halinde olup kütlesizdir.

Öte yandan 1 katrilyon derece sıcaklık ve 160 GeV enerjide Higgs alanı şapka değil derin bir çanak olur; yani Higgs alanının potansiyel enerjisi bütün bozonlar için sıfır olur. Bu yüzden bu sıcaklıkta zayıf kuvvet bozonları da fotonlar gibi kütlesizdir. Sonuç olarak elektromanyetik ve zayıf kuvvet bu şekilde birleşerek elektrozayıf kuvveti ortaya çıkarır. Bugünkü evrende ise sadece fotonlar kütlesiz kalır.

Sonsöz

Bunu yalnızca grafik olarak anlattığımı biliyorum ama fotonların neden kütlesiz olduğunu açıklamak için Higgs mekanizması denklemlerine dalmamız gerekiyor. Şimdilik buna gerek yok; çünkü konumuz fotonların neden kütlesiz olduğu değil, elektrozayıf kuvvetin nasıl birleştiğidir ki dahası var:

Siz de Higgs mekanizmasına şimdi giriş yapabilir, güçlü nükleer kuvvete bakabilir ve elektronların neden solak olduğunu hemen araştırabilirsiniz. Hızınızı alamayarak güçlü nükleer kuvveti elektrozayıf kuvvetle birleştiren her şeyin teorisi adaylarını sicim teorisi ile halka kuantum kütleçekim kuramı bağlamında inceleyebilirsiniz. Sıcaklar son kez geri gelirken hepinize muhteşem bir hafta dilerim. 😊

Zayıf güç ve standart model

¹The Standard Model of Electroweak Interactions
²Lectures on the Theory of the Weak Interaction
³A phase of confined electroweak force in the early Universe