Fizikte Kriz: Süpersimetri CERN Testini Geçemedi
Parçacık fiziğinin gelecek vaat eden çocuğu süpersimetri CERN testini yine geçemedi. Dünyanın en güçlü hızlandırıcısı CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC), temel parçacıkları açıklayan Standart Modeli tekrar tekrar kanıtladı; ama karanlık maddeyi öngören süpersimetri bir türlü ispat edilemiyor.
Fizikte kriz
Normalde bilim insanları mevcut teorilerin yanlış olduğunu gösteren nadir ve devrimsel gelişmeleri hoş karşılar. Max Planck’ın kuantum fiziğini başlatan teorisi ve Einstein’ın görelilik teorisini buna örnek gösterebiliriz. Her ikisi de fizikte yeni ufuklar açtı. Ancak bu kez sorun başka.
Bu kez atomaltı dünyayı açıklayan standart modeli çürüten bir gelişme söz konusu değil. Tersine, protonları ışık hızının yüzde 99’u ile 13 TeV (teraelektronvolt) gücünde çarpıştıran CERN, standart modeli üst üste kanıtlamaya devam ediyor
Lakin bunun daha gelişmiş versiyonu olan süpersimetriyi bir türlü ispat edemiyor. Oysa biz standart modelin eksik olduğunu biliyoruz!
İlgili yazı: İnternetinizi uçuracak en hızlı 10 modem
Örneğin karanlık madde nerede?
Yapılan araştırmalar galaksimizin merkezindeki süper kütleli kara deliğin (4 milyon Güneş kütlesinde olmasına rağmen) Samanyolu’ndaki 100 milyar yıldızı bir arada tutacak kadar güçlü bir yerçekimine sahip olmadığını gösteriyor.
Biz de bu sebeple son 25 yıldaki araştırmalarda galaksinin dağılmasını önleyen görünmez bir ek kütle olduğunu düşündük. Teleskoplarla ve diğer gözlem aygıtlarıyla görülmeyen bu kütlenin kaynağına karanlık madde dedik.
Üstelik yıldızların ve galaksilerin nasıl oluştuğunu açıklayan kozmoloji teorilerinde öngörülen görünmez karanlık maddenin etkisini Evren’de dolaylı yollardan gözlemledik; ama iş süpersimetriyi CERN deneylerinde kanıtlamaya gelince başarısız oluyoruz!
İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi
Fizik eksik kaldı
CERN cisimlere kütlesini kazandıran Higss mekanizmasında öngörülen Higgs bozonunu 2012 yılında keşfettiğinde ne kadar sevinmiştik! Nihayet fizikteki boşlukları dolduracak bir ilerleme kaydediyorduk. Hatta Higgs parçacığının kütlesinin standart modelde hesaplanan değer olduğunu gördük.
Böylece atom çekirdeklerini oluşturan proton ve nötronları meydana getiren kuarkları tanımlamakta kullanılan standart modele olan güvenimiz arttı. Şimdi sıra galaksileri bir arada tutan karanlık maddeyi ve Evren’in gittikçe hızlanarak genişlemesine yol açan karanlık enerjiyi açıklamaya geldi.
Standart modelde bunların cevabı yok ve bu model Einstein’ın görelilik teorisinin temeli olan yerçekimi kuvvetini hesaplamamıza bile izin vermiyor. Peki biz ne yapıyoruz? Bütün bu eksiklikleri kapatacağını umduğumuz fizik teorisini kanıtlamakta başarısız oluyoruz. Sorun nasıl çözülebilir derseniz önce süpersimetriden başlayalım.
İlgili yazı: Yerçekimi Işıktan Hızlı mı? >> Fizikçiler görelilik teorisini nötron yıldızıyla test ediyor
Süpersimetri nedir, nasıl çalışır?
Evren’de kütleçekim kuvveti olmasaydı madde bir araya gelmez ve yıldızlarla dünyamız oluşmazdı. Dolayısıyla hayat ve bizler de var olmazdık. Bu yüzden fizikte kütleçekim kuvvetinin kaynağını açıklamak önemli.
Higgs mekanizması bize maddenin nasıl kütle kazandığını gösteriyor; ama kütlenin ne olduğunu ve nereden geldiğini söylemiyor. Bu süpersimetrinin işi ve bunu standart modelde bulunan her parçacığın henüz göremediğimiz bir kardeş parçacığı olduğunu söyleyerek yapıyor.
Örneğin, Evren’deki standart karanlık madde adaylarından olan nötrinoların süpersimetrik kardeşinin adı nötralino. Kütleçekim kuvvetini taşıdığı düşünülen ama henüz gözlemlenmemiş olan gravitonun eşi ise gravitino. Kısacası süpersimetri standart modeldeki parçacıkların sayısını ikiye katlıyor.
İlgili yazı: Bir Gezegenin Doğuşu >> Bebek gezegenler genç yıldızı saran bulutun arkasından göz kırpıyor
Başka türlü açıklasak olmaz mı?
Şimdi diyeceksiniz ki kardeşim ne kasıyorsunuz? Madem süpersimetriyi kanıtlayamıyorsunuz başka şey bulun. Ancak iki zorluk var:
1) Süpersimetriden başka bir şey bilmiyoruz. Evet, elimizde Evren’deki tüm parçacıkları açıklayan süper sicim teorisi var ama bu ispatlanmadı ve ispatlanması için de süpersimetrinin doğru olması lazım! 2) Standart model uyarınca keşfedilen Higgs parçacığının kütlesinin neden standart modele uygun olduğunu açıklamak için de süpersimetri gerek.
Elimiz kolumuz bağlı
Higgs bozonunun beklediğimiz ölçüde hafif olduğunu biliyoruz, fakat sadece standart model geçerli olsa parçacıklar arası etkileşim Higgs parçacığını çok ağır yapardı. Ancak, süpersimetrik parçacıklar varsa bunlar Higgs’in CERN’de gördüğümüz kadar hafif olmasını sağlayacak ve sorun kalmayacak.
İlgili yazı: Lazer Yelkeni Starshot >> Stephen Hawkıng Yıldızlara Işık Gücüyle Uzay Gemisi Gönderecek
Her şeyin teorisi
Önceki yazımda bütün fiziği tek bir denklemle açıklamak isteyen fizikçilerin her şeyin teorisi peşinde koştuklarını söylemiştim. Bunun sebebi, Evren’i doğuran büyük patlama sırasında tüm fizik kuvvetlerinin (elektromanyetizma, zayıf ve güçlü çekirdek kuvveti, kütleçekim) tek bir kuvvet halinde davranması.
Fizikte buna büyük birleşme diyoruz ve büyük birleşme, büyük patlamanın ardından kısa süre için görülen yüksek enerjilerde tüm fizik kuvvetlerinin eşit güçte olduğunu söylüyor. Süpersimetri bunu açıklamayı sağlıyor. Süpersimetri yoksa fizikte 40 yıl geriden başlamamız gerek. Sıkıntı.
Nasıl birleştiriyor?
Süpersimetri her şeyin teorisi için önce bütün parçacıkları birleştirmek zorunda ve standart modelde iki ana parçacık türü var: Fermiyonlar ve bozonlar. İki grup birbirinden parçacıkların spin durumuna göre ayrılıyor (bir topacın sağa ya da sola dönmesi gibi düşünün).
Elbette bu basitleştirilmiş bir ifade. Kuantum spini tam olarak sağa veya sola doğru dönen topaç örneğiyle açıklayamayacağımız garip bir kuantum özelliği. Her durumda fermiyonlar 1/2 spin alırken bozonlar 0, 1, 2 spin değerlerini alıyor.
Süpersimetriye göre her parçacığın kendisinden yarım spin farklı olan bir eşi var. Bu da bozonların süpersimetrik eşlerinin fermiyon ve fermiyonların eşlerinin de bozon olması anlamına geliyor.
İlgili yazı: Süper Kütleli Kara Delik Yıldızı Nasıl Yuttu?
Bu ne demek?
Bu aslında vücudumuzu oluşturan atomların nasıl meydana geldiğini açıklıyor. Yarım spinli iki fermiyonu aynı enerji değerinde yan yana tutamıyoruz. Örneğin elektronlar atomların yörüngesinde dönüyor. Ancak her yörüngede sadece 1 elektron yer alıyor.
Bitkilerin fotosentez yaparak güneş ışığını enerjiye dönüştürmesini ve güneş panellerinin gün ışığından elektrik üretmesini sağlayan fotoelektrik etkiyi hep buna borçluyuz. Ona bakarsanız günümüzü aydınlatan ışığı ve bizi meydana getiren atomları da buna borçluyuz!
Örneğin bir elektron (fermiyon) bir fotonu (bozon) emerse enerjisini artırıp atomda bir üst yörüngeye çıkıyor. Işıktan elektriği böyle üretiyoruz. Keza foton salan elektronlar da düşük değere geçiyor. Elektrikli ampuller ve LED lambalarda ışığı böyle üretiyoruz.
Bozonlar tam spin değerleri aldığı için elektronların tersine, bir arada sıkı paket durabiliyor. El feneri ve lazer ışınları, farlar ve fotoğraf makineleri bu sayede çalışıyor. Özetle fermiyonlarla bozonlar çok önemli ve birlikte nasıl çalıştıklarını açıklamak daha da önemli.
İlgili yazı: Uzayda Uzaylı Göstergesi Dyson Küresi mi Var? >> Kepler teleskopu uzak yıldızda ne buldu?
CERN’den süpersimetriye ikinci darbe
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC), Higgs bozonundan sonra alt kuarkı araştırıyordu. Kuarklar bunları birbirine bağlayan gluonlarla birlikte üçlü gruplar halinde protonlarla nötronları oluşturuyor.
Fizikte altı çeşit kuark bulunuyor: yukarı, aşağı, tılsım, acayip, üst, alt. Protonlar iki üst ve bir alt kuarktan, nötronlar ise iki aşağı ve bir yukarı kuarktan oluşuyor.
Alt kuarklar yukarı ve aşağı kuarklardan daha ağır olup şekil değiştirebiliyor. Bunu yapınca genellikle tılsım kuarklara dönüşüyorlar; ama bazen yukarı kuarklara dönüştükleri de oluyor. Kuarkları bir arada tutan güçlü nükleer kuvveti gluonlar taşıyor.
Bilim insanları gluonların ışık hızına yakın hızda hareket ettikleri için görelilik teorisi uyarınca kütle kazandıklarını ve böylece yine kütleli olan kuarklarla birlikte, protonla nötronun kütlesini belirlediklerini düşünüyor.
İlgili yazı: Brexit: İngiltere AB’den Neden Ayrıldı?
Hani darbe?
CERN’de süpersimetrinin yine kanıtlanamadığını anlatmak için bu bilgiyi vermemiz gerekiyordu. LHC deneyine bakan fizikçiler sadece sol elli spine sahip alt kuarkların bozunup üst kuarka dönüştüklerini gördüler. Tam da standart modele göre, ama süpersimetriye göre değil!
Öyle ki LHC’deki konuyla ilgili araştırmayı yürüten ekibi başındaki Guy Wilkinson yaptığı açıklamada, “Sonuçlar standart modelle tümüyle uyumlu ve süpersimetri varsayımına olan ihtiyacı ortadan kaldırıyor” dedi. “Tabii ki standart modelde yanlış bir şey olduğunu gösterebilsek çok heyecan verici olurdu. Sansasyonel olacağını inkar edemem.”
İlgili yazı: Çin’den dünyanın en güçlü süper bilgisayarı TaihuLight
Sonuçta LHC’nin kuruluş amacı
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı LHC sırf bu iş için, yani yeni keşifler yaparak fiziğin sınırlarını genişletmek için geliştirildi. Bununla birlikte LHC yedi yıldır süpersimetriyi ispat edemedi.
Nitekim Liverpool Üniversitesi’nden Tara Shears, “Şimdiye kadar gördüğümüz en hayal kırıklığı yaratıcı ispatlardan biri. Teorimizin eksik olduğunu biliyoruz ve çok nadir görülen bu parçacık bozunumu, teorimizi yenisiyle değiştirecek ipuçlarını verebilirdi.”
“Süpersimetriyi tümüyle devre dışı bırakmadık, ama en popüler versiyonların devre dışı kaldığını kesin olarak gösterdik. Yeni bir fizik olması gerektiğini biliyoruz, fakat görünüşe bakılırsa sandığımızdan daha garip olacak.”
İlgili yazı: Dünyanın 1000 çekirdekli ilk işlemcisi KiloCore çip
Peki şimdi ne olacak?
Doğrusu kimse CERN’ün bu tür bir parçacık etkileşimini görebileceğini sanmıyordu. Bunun için 30 yıl sonra çalışmaya başlayacak süper güçlü yeni parçacık hızlandırıcısını beklemek gerekeceğini düşünüyorlardı. En azından bu deney LHC’nin fizikte şaşırtıcı devrimler yapabilecek kapasiteye sahip olduğunu gösterdi.
Aslında süpersimetrinin sadece en basit ve pürüzsüz versiyonlarının yanlış olduğu anlaşıldı. Elimizde fizikteki geçerli teorilerle tam uyumlu olmayan süpersimetri versiyonları da var. 2020’ye kadar belki bunlardan biri doğru çıkar. Ancak bu gidişle süpersimetri tümüyle çöpe gidecekmiş gibi görünüyor.
Bilgi Üniversitesi ne diyor?
Konuyla ilgili olarak görüşünü aldığım Bilgi Üniversitesi Yüksek Enerji Fiziği Uygulama ve Araştırma Merkezi Müdürü ve CERN – ATLAS Deneyi Ulusal Koordinatörü Prof. Dr. Serkant Ali Çetin, “Fizikte bazen önemli olan güçlü hızlandırıcılar değil, hassas hızlandırıcılardır” dedi.
Serkant Çetin, yeni teoriler keşfetmek kadar mevcut teorileri test edip eksiklerini gidermenin de önemine dikkat çekti. Kendisiyle ve CERN Bilgi Transfer Ofisi Direktörü Dr. Giovanni Anelli ile yaptığım söyleşiyi Ağustos ayında Popular Science Türkiye dergisinde okuyabilirsiniz.
Kuarkları öğrenelim
1Determination of the quark coupling strength |Vub| using baryonic decays. The LHCb collaboration. Nature Physics 11, 743–747(2015) doi:10.1038/nphys3415
