Fermilab Muon Deneyi Yeni Parçacık Buldu mu?
Fermilab muon deneyi elektronların kuzeni olan muon parçacıklarının bilinmeyen yeni bir parçacıkla etkileşime giriyor olabileceğini gösterdi. Öyle ki elektronların kuzeni olan ve ağır elektron sayılan kısa ömürlü muonların manyetik alan momentumunda bir anormallik var. Bu anormalliğin sebebi nedir? Yeni parçacık güçlü kuvveti elektrozayıf kuvvetle birleştirip büyük birleşme teorisini (GUT) veya kuantum kütleçekim kuramını nihayet geliştirmemizi sağlayabilir mi? Yoksa tüm evreni tek denklemle açıklayacak her şeyin teorisi için en sonunda işe yarar bir parçacık mı bulduk? Parçacık fiziğiyle görelim.
Fermilab muon devrimi geliyor
Bazen bilimsel teoriler deney sonuçlarında görülmeyen öngörülerde bulunur ve bu teorileri çöpe atarız. Genellikle de eski teorileri daha genel bir teorinin içine oturturuz. Örneğin görelilik teorisi Newton mekaniğini çürütmüyor ama kapsıyor. Öte yandan kuantum alan kuramının evrendeki parçacıkları ve fizik kuvvetlerini tanımlayan versiyonu olan standart model var. Oysa Standart model Einstein’ın genel görelilik teorisiyle uyuşmuyor ve yerçekimini açıklamıyor.
Kısacası yerçekimini atomik kuantum dünyasında tanımlayan bir kuantum kütleçekim kuramı olmalı fakat biz geliştiremiyoruz. Böylece kuantum fiziği ile yerçekimi nasıl ve hangi seviyede birleşirse birleşsin fiziğin eksik olduğunu biliyoruz. Peki bu eksikliği gidermek için ne yapmalıyız? Önceki yazılarda kuantum holonomi, büyük birleşme teorileri ve her şeyin teorisi adaylarını gördük. Sicim teorisi ve halka kuantum kütleçekim kuramını anlattık. Evreni tek denklemle nasıl açıklayabileceğimize baktık.
Bu kez Fermilab’de yapılan en yeni parçacık deneyinin sonuçlarını anlatacağız. Muon parçacığının anormal iki kutuplu momentumuna yönelik deneyler, standart modelde öngörülmeyen yeni bir parçacık olabileceğini gösteriyor. Üstelik deneylerin hata payı gittikçe azalıyor ve kesinlik derecesi artıyor. Ya kuantum kütleçekim kuramı kapıda ya da elektrozayıf kuvvetle güçlü nükleer kuvveti birlikte açıklayan büyük birleşme teorisini (GUT) nihayet bulacağız. 😀
Nitekim elektrozayıf kuvvetle güçlü kuvvetin 1032 dereceye karşılık gelen mutlak sıcakta birleşeceğini umuyoruz. Şunu da belirtelim: Bugüne dek yeni parçacık bulundu haberlerinin yanlış olduğu anlaşıldı. Yeni parçacıklara işaret eden deneylerin hep istatistiksel ya da deneysel hatalardan, deney aygıtlarındaki arızalardan kaynaklandığı ortaya çıktı. Oysa bu kez durum farklı. ABD’nin en büyük parçacık hızlandırıcısı Fermilab yeni bir parçacık keşfinin eşiğinde duruyor:
Fermilab muon deneyi
Fermilab Muon parçacığının anormal iki kutuplu momentumunu ölçtü ve muonun g faktörü (g-2) beklenenden farklı çıktı. İşte bu muonun bilinmeyen bir parçacıkla etkileşime girdiğini gösteriyor olabilir ama durun! Önce neden bahsettiğimizi görelim. Muon nedir? İki kutuplu momentum nedir? G faktörü nedir ve muonun manyetik momentumu neden anormaldir? Fermilab deneyi neden bu kadar önemlidir? Hepsini sırayla görelim:
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Fermilab muon deneyi ve standart model
Parçacık fiziğinin standart modeli doğanın temel parçacıklarını açıklar. Fotonla elektronun ne olduğu ve nasıl çalıştığını standart model gösterir. Kuantum elektrodinamiği (QED) fotonlar ve elektronlar gibi elektromanyetik parçacıkların nasıl davrandığını açıklar. İki kutuplu momentum da elektromanyetik kuvvette tabi parçacıkların manyetik alan çizgileri üzerinde nasıl hizalandığını gösterir.
Örneğin Dünyamız kuzey ve güney kutbu olan iki kutuplu doğal bir mıknatıstır. Elektronlar ve diğer yüklü parçacıklar Dünya’nın iki kutbu arasında uzanan görünmez manyetik alan çizgileri üzerinde gidip gelir. Neden derseniz: Elektronlar ve diğer yüklü parçacıklar iki kutuplu birer mıknatıstır. Dahası bunların spini vardır, yani uzayda hareket ettikleri yöne göre sağdan sola veya soldan sağa dönerler.
Elektronlar Dünya’nın manyetik alan çizgilerine kapıldığında (hangi yönde dönüyor olursa olsun) manyetik eksenini manyetik çizgilere göre hizalar. Mesela bir elektron manyetik çizgilere dik açı yaparak dönüyorsa derhal dikelerek çizgilere paralel dönmeye başlar. Elektronun dönme eksenini böyle aniden değiştirmesini açısal momentumla gösteririz. Açısal momentum bir parçacığın kendi çevresi (spin) veya başka bir şeyin çevresinde dönme hızıyla yönünü gösterir.
Manyetik momentum ise parçacığın manyetik alan çizgilerine ne yönde ve ne hızla hizalandığını gösterir. Dahası elektromanyetik kuvvet ve yerçekimi hariç diğer fizik kuvvetleri parçacıklar arasında sanal bozon alışverişiyle iletilir. Parçacıklar aralarında sanal parçacık alışverişi yaparak etkileşime girer. Bunun yanında evren kuantum alanlarıyla kaplıdır ve boş kuantum alanlarının, yani boş uzayın bile 0’dan büyük minimum enerjisi vardır. Dolayısıyla kuantum alanlarını o alana özel sanal parçacıklar doldurur. Muon deneyini anlamak için iki şey daha eklememiz gerekiyor:
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Fermilab muon deneyi ve kuantum alanları
Elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı fotondur. Elektronlar birbirini sanal foton alışverişiyle iter ve protonları da sanal foton alışverişiyle çeker. Ayrıca her parçacığa kendi dalgası eşlik eder. Bu dalga kendi kuantum alanında dalgalanıp yayılır. En basitinden: Elektron, kuantum elektron alanı, kuantum foton alanı, zayıf kuvvet ve zayıf kuvvet parçacıklarının kuantum alanından etkilenir. Bu alanlardaki sanal parçacıklar, sanal parçacık alışverişleri ve gerçek parçacıklardan hep etkilenir.
Etkilenir derken bu parçacıklar yüzünden enerji kaybeder. Dolayısıyla elektron hızlanma, yavaşlama ve dönme ekseni yönünü değiştirmeye direnç gösterir. Söz konusu direnç yukarıda saydığım bütün bu faktörlerden etkilenir. Dolayısıyla elektronun manyetik alan çizgilerine ne hızla hizalanacağı bu faktörlere bağlıdır. İşte fizikte buna elektronun ve diğer yüklü parçacıkların manyetik alan momentumu (g faktörü) deriz.
QED teorisi kapsamında elektronun g faktörünü milyarda bir kesinlikle ölçtük. Bu da tam standart modelin öngördüğü gibi çıktı ama muonun g faktörü farklı çıktı. Kısacası muonlar manyetik alanlara beklediğimizden daha yavaş hizalanıyor (muonun anormal momentumu derken bunu kastediyoruz) ve bunun sebebi muonların bilmediğimiz yeni bir parçacıkla etkileşerek enerji kaybetmesi olabilir. Üstelik bunu 20 yıldır biliyoruz ama yakın zamana dek muonların manyetik momentumunu yeterli kesinlikte ölçemedik. Teknolojimiz yeterli değildi.
Fermilab muon gizemini çözecek
Bu yüzden muonun manyetik momentumunun gerçekten standart modelde öngörülenden farklı olup olmadığından da emin olamadık. Fermilab geçenlerde işte bunu test etti ve g faktörünün gerçekten farklı olduğunu gördü! Üstelik bunu ölçümlerdeki hata payını 10 kat azaltarak gördü!! 😮 Dolayısıyla standart modelde olmayan yeni bir parçacık keşfetme şansımız arttı. Peki neden elektronu daha kesin ölçtüğümüz halde elektron g faktörü standart modele uyuyor da muonun g faktörü uymuyor? Bunun için önce şunu soralım: Muon nedir?
İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt
Muon nedir ve nasıl çalışır?
Nasıl ki şempanzeler insanların kuzenidir, muonlar da elektronun kuzenidir. Aslında muonla elektron aynı şey sayılır. Sadece muonun kütlesi elektron kütlesinin 200 katıdır! Demek ki muon ağır elektrondur ve bu da muonun sadece 2,2 mikro saniyede bozunarak elektrona dönüşmesine yol açar. Bu insanlar için çok hızlıdır ama parçacık fiziğinde yavaş çekimde salyangoz izlemekten daha yavaştır. 😉 Bu yüzden muonları CERN ve Fermilab’deki hızlandırıcılarda test etmek çok kolaydır.
Muonları parçacık fiziğinde çok severiz; çünkü bunları nükleer reaktörlerde üretebiliriz. Biraz radyoaktif madde alın, laboratuara koyun ve test edin. Köpek insanın dostudur derler ya muonlar da elektronlar ve fotonlarla birlikte parçacık fiziğimizde dostumuzdur. Abarttığımı sanmayın: Mıknatısları, elektriği, ısı ve ışığı, hatta atomları elektronlarla fotonlara borçluyuz. Muonlar da onların ağır abisi oluyor işte. Ağır abiyi de kelimesi kelimesine kullanıyorum. Neden derseniz:
Muonlar elektronlardan 200 kat kütlelidir. Bunun için hiç bilmediğimiz yeni bir parçacıkla çarpışma olasılıkları elektronlardan 40 bin kat fazladır. Kısacası elektronlar (varsa) yeni parçacıklarla o kadar az çarpışıyor ki elektron manyetik momentumunu ne kadar kesin ölçersek ölçelim ona bakarak yeni parçacık keşfetme şansımız çok düşüktür. Açıkçası gerçek hayatta ateş topu atan bir Gandalf bulup onu cumhurbaşkanı seçmekten daha düşük bir olasılıktır.
Dolayısıyla muonların manyetik momentumundaki anormallik elektronlardan 40 bin kat yüksek olasılıkla yeni bir parçacığa işaret ediyor olabilir. Fermilab bunu ölçmek için özel bir donanım kurdu. Zaten CERN ile Fermilab arasında işbölümü vardır. Fermilab nötrinolar ve muonlara bakar. Peki Fermilab muonların anormal manyetik momentumunu nasıl ölçtü?
İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?
Feynman diyagramları
Burada kısaca Feynmann diyagramlarından söz etmek isterim. Feynmann diyagramları kuantum etkileşimlerini çizerek gösterir. Muon elektrona mı bozunuyor? Çizerek gösterin. Radyoaktif bir atom beta parçacığı yayarak daha kararlı bir atoma mı dönüşüyor? Çizerek gösterin. Feynmann diyagramları kuantum mekaniğini hesaplamamızı çok kolaylaştırmıştır. Resme bakın: Bu elektron – pozitron yok oluş diyagramıdır. İlk bakışta “Demek elektronlar pozitronlarla böyle yok oluyormuş” diyeceksiniz.
Oysa elektron ile pozitron sonsuz farklı şekilde ve araya sonsuz sayıda aracı parçacık alarak birbirini yok edebilir. Peki neden sadece yukarıdaki gibi çiziyoruz? Çünkü bu diyagram yok oluşun en yüksek olasılıklı versiyonunu gösteriyor. Üstelik iki parçacığın birbirini yok etmesinin ana olasılık dışında ne kadar alternatifi varsa bu alternatiflerin birbirini silip işi ana olasılığa bırakma ihtimali de o kadar yüksektir (belirsizlik ilkesinde olasılıkların toplamı 1’e eşittir).
Özetle elektron ve pozitron pratikte birbirini hep yukarıda çizdiğimiz gibi yok eder. Feynmann diyagramlarındaki parçacık etkileşimlerinin kuantum alanlarında gerçekleştiğini de belirtelim. Muonun anormal manyetik alan momentumunu da yeni bir parçacık, onun kuantum alanı ve sanal parçacık versiyonunu da etkileyeceğini ekleyelim. O zaman Feynmann diyagramlarında bütün bilinen kuantum alanları ile en yüksek olasılıklı yüz binlerce etkileşimi hesaba katarız.
İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu
Fermilab muon deneyi kesinliği
Buna rağmen muonun manyetik momentumu farklı çıkıyorsa (manyetik atalet) deriz ki tamam: Büyük olasılıkla sebebi yeni bir parçacıktır. Fermilab ekibi de öyle yaptı. Muonla ilgili manyetik alan etkileşimlerini yapabildiğimiz kadar çok Feynman diyagramıyla ölçtü. Hepsini üst üste koydu ve sigma 4,2 standart sapma kesinlik düzeyinde fizikte yeni bir parçacık olduğunu gösterdi. Önceki ölçümlere göre hata payını 1/10 binden 1/100 bine düşürdü.
Ne zamanki sigma 5 düzeyini yakalayacak, yani hata payını 3,5 milyonda bire düşüreceğiz, işte o zaman resmi olarak fizikte yeni bir parçacık olduğunu duyuracağız. Sorun şu ki standart model kusursuz işliyor ve bu çok rahatsız edici bir şey; çünkü standart model eksiktir. Yerçekimini kuantum fiğiyle açıklayamıyor ve güçlü nükleer kuvveti elektrozayıf kuvvetle birleştiremiyoruz. Oysa standart modelde neyin eksik olduğunu ölçemiyoruz. Bu yüzden standart modeli kapsayan yeni bir teori geliştiremiyoruz.
Peki yeni bir parçacık bulduk diyelim. Süreç nasıl işler? Muonların anormal manyetik momentumunun sebebi yeni bir parçacıksa bu harika olur; ancak işimiz daha yeni başlar. Bu parçacık nedir? Standart modelde öngörülmediği için bunu nereye oturtalım? Bu soruları yanıtlamak için yeni parçacığı ayrıca incelememiz gerekecektir. Güçlü nükleer kuvveti birleştirmemizi sağlar mı? Yoksa ters köşe yapıp kuantum kütleçekim mi geliştiririz? Ya sicim teorisindeki süpersimetrik parçacıklardan birini bulduysak?
Muonlar için sonsöz
O zaman Leonard Susskind, Andrei Linde, Juan Maldacena ve Brian Greene pek sevinecekler… Özetle bilim böyle işliyor ve biz daha yeni başladık. Yeni parçacık bulursak onu çözmemiz de uzun yıllar alacak. Peki evren içi boş bir hologram mı? Onu da şimdi okuyabilir, holografik bilinci inceleyebilir ve sicim teorisinin neden doğru olabileceğine bakabilirsiniz. Sonsuzluk gerçek mi, yoksa matematik kurgusu mu diye sorarak kara deliklerin içinde tekillik var mı diye merak edebilirsiniz. Sağlıcakla ve bilimle kalın. 😊
Fermilab Muon Deneyi Basın Açıklaması
1The Fermilab Muon g−2 straw tracking detectors, internal tracker alignment, and the muon EDM measurement
2Semi-secretly interacting ALP as an explanation of Fermilab muon g−2 measurement
3The Muon g−2 experiment at Fermilab
