Higgs Bozonu Evrenin Kara Delik Olmasını Engelledi

Higgs bozonu evrenin kara delik olmasını nasıl engelledi? Higgs parçacığı, nötrinolar dışında, temel parçacıklara kütle kazandıran Higgs mekanizmasından sorumludur. Aynı zamanda tüm evreni saran Higgs alanıyla birlikte evrensel yerçekimi sabitinin değerini belirleyen parçacıktır. Higgs bozonu olmasa kütleli parçacıklar ve dolayısıyla galaksileri, yıldızları, gezegenleri ve insanları oluşturan madde ortaya çıkmazdı. Yeni bir teoriye göre Higgs bozonu, evrenin daha oluşur oluşmaz kendi ağırlığıyla içe çöküp kara deliğe dönüşerek yok olmasını önlemiş olabilir. Dahası kainatta birden fazla evren olduğunu söyleyen çoklu evren teorisini kanıtlayarak karanlık maddeyi açıklayabilir! Bu teoriyi hemen görelim.

Büyük patlama ve Higgs bozonu

Önceki kara delik yazımı okuyanlar evrenin ciddi bir “kendi içine çöküp kara delik olma” problemi olduğunu bilir; çünkü evren bugünkü kütlesiyle sadece bir bezelye veya greyfurt tanesi çapındayken oluştu. Dolayısıyla da hemen kara delik olacak kadar küçük ve ağırdı. Bilim insanları evreni oluşturan sıcak büyük patlamayı tetikleyen soğuk büyük patlamaya karşılık gelen kozmik enflasyon teorisi gibi kuramlar geliştirerek bu sorunu aşmaya çalıştılar. Şimdi anlatacağım yeni Higgs bozonu teorisi de bunlardan biridir.

Bu teori, “Higgs parçacığı neden daha ağır veya daha hafif değil, tam evrenimizi oluşturacak değerde” sorusundan yola çıkarak geliştirilmiştir. Teorik fizikçiler burada bildiğimiz tüm parçacıkların özelliklerini tanımlayan standart modelde bir takım değişiklikler yapmak istiyor. Elbette bugüne dek kuantum fiziğiyle bağdaşmayan ama evrendeki dördüncü kuvvet olan yerçekiminin nasıl işlediğini gösteren genel görelilik teorisini de standart modelle birleştirmek istiyorlar. Güçlü nükleer kuvvet ve kuantum elektrodinamiğinde ve birçok başka makalede anlattığım gibi bu uzun bir konudur.

Oysa bu yazıda sadece Higgs’in büyük patlamayla olan ilişkisine odaklanacağız. Yine de bu teoriyi geliştirmeye esin kaynağı olan alanlardan biri de atom çekirdeklerini bir arada tutan güçlü çekirdek kuvvetidir. Bu kuvvet bir lastik gibi esnektir. Çekirdekte birbirine yakın duran proton ve nötronları çok sıkı tutmaz. Sadece bunlar birbirinden uzaklaşmaya çalışırken güçlenir. Aynısını bunları oluşturan kuarklara da yapar. Böylece kuarklar, örneğin bir proton çapı içinde birbirine yapışmadan hızla hareket eder. Kütle enerjiden türediği için proton ve nötronun kütlesini tam gerektiği kadar artırırlar.

Ne eksik ne fazla…

Aksi halde ve adı üstünde, evrendeki en güçlü kuvvet olan “güçlü kuvvet” bütün atom çekirdeklerini ve onları oluşturan protonlarla nötronları mikroskobik kara deliğe çevirirdi. Onlar da anında buharlaşarak yok olurdu. Evrende geriye sadece fotonlar ve radyasyon kalırdı. Bildiğimiz evrenin oluşmasını ise güçlü nükleer kuvvete esnekliğini veren simetrilere borçluyuz:

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

 

Güçlü kuvvet ve simetriler

Bu yazıyı anlamak için fizikteki simetri kavramına girmemiz gerekecek. Evrendeki bütün parçacıklar, enerji ve radyasyon belirli simetrilere uyar. Simetriler parçacıkların özgürlük dereceleri ve hareket eksenleridir. Sonuçta her şey uzayda hareket eder. Simetriler de bir parçacığın kaç boyutta ne hızda hareket edeceği, ne frekansta titreşeceği gibi izinleri belirler. Bu da parçacıklara kütle ve spin gibi ölçebildiğimiz fiziksel özellikler kazandırır. Simetri türlerini göreceğiz tabii ama evrendeki 4 fizik yasası/kuvveti/etkileşim hep bu “uzamsal” simetrilere bağlıdır.

Hatta bazıları, zaman kristalleri üzerinden zamansal simetriler de var diyor ama bu ayrı konu. 😉 Ayrıca büyük patlama sırasında simetriler bozuldu, teknik terimle simetriler kırıldı. Evrenin fiziksel özellikleri faz geçişiyle ve geri alınamayacak şekilde değişti. Böylece evreni yöneten dört fizik yasası tek bir kuvvetten ayrışarak ortaya çıktı. Böylece bildiğimiz uzay ve zaman oluştu. İşte yeni teori, Higgs’in standart modele katkısı bağlamında, büyük patlama sırasında simetrilerin hangi ara parçacıklar üreterek ne sırayla ve nasıl kırıldığı konusunu güncelliyor. Böylece evrenin neden daha doğarken çöküp kara deliğe dönüşmediğini açıklamaya çalışıyor. Pekala yeterince giriş yaptık. Şimdi teoriyi anlatalım:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Higgs bozonu ve fizik yasaları

Bütün fiziksel etkileşimler sanal ya da gerçek parçacıklarla gerçekleşir. Örneğin elektronlar birbirini sanal fotonlarla iter. Keza aşırı enerji yüklenen elektronlar gerçek fotonlar yayarak enerji kaybeder. Radyo dalgaları da gerçek fotonlardan oluşur. Kısacası ve bir anlamda madde ile enerji büyük patlamadan beri hep eşleniktir. Büyük patlamadan kalan kozmik mikrodalga artalan ışımasının (CMB) evren 380 bin yaşındayken uzaya yayılması ve fotonların boş uzayda gitme olanağına kavuşmasına rağmen bu böyledir.

Demek istiyorum ki

Parçacıklara kütle kazandıran Higgs bozonunu standart modele eklemek ve bu sayede yerçekimiyle kuantum fiziğini birleştirmek istiyorsanız bunu ancak fiziğe yeni parçacıklar ekleyerek yapabilirsiniz. Öyle ki modelinizde öngörülen parçacıkların gerçekten var olduğunu deney ve gözlemlerle kanıtlamanız gerekir. Buna devam etmeden önce Higgs parçacığını 1960’larda öngördüğümüzü ve 2012’de CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) ilk kez gördüğümüzü belirtelim. Detaylar önemli değil. LHC’nin dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcısı olduğunu bilmemiz yeterli. Yeri gelmişken medyanın Higgs parçacığında eksik bıraktığı özelliği de ekleyelim:

Higgs bozonu sadece parçacıkların kütle kazanmasını sağlayan mekanizmayı çalıştırmaz. Aynı zamanda radyoaktif bozunumdan sorumlu zayıf çekirdek kuvvetiyle elektromanyetik kuvvetin de (ısı, ışık, radyo dalgaları, mikrodalgalar vb.) birbirinden ayrılmasını sağlamıştır ki elektrozayıf kuvveti yazdım. Şimdi diyeceksiniz ki ama hocam, neden bu kadar kasıyoruz? Kasıyoruz; çünkü parçacık fiziğinde utanç verici bir durum var. Standart modelde öngörülen Higgs’i bulduk ama bunun kütlesi gibi özelliklerini iyi bilmiyoruz. Birden fazla Higgs türü olup olmadığını, diğer parçacıklarla nasıl etkileşim kurduğunu da pek bilmiyoruz. Tamam, Higgs mekanizması var ama bu kabataslak bir bilgi. Higgs’i çözmeliyiz!

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Higgs bozonu ve kuantum kütleçekim

Higgs bozonu ile standart modele ince ayar yapıp kuantum kütleçekim kuramı geliştirme rüyası bir yana, en azından bildiğimiz kadarıyla Higgs’in diğer parçacıklarla nasıl etkileştiğini bilmeliyiz. Bozon derken madde parçacıklarına hadron, enerji parçacıklarına bozon deriz. Foton ve gluon hep bozondur. Higgs’in “bozonluğu” biraz karmaşık ama bu yazının konusu değildir. Zaten Higgs bozonu ile büyük patlamada evrenin nasıl oluştuğunu açıklamak önce Higgs’i çözmek gerektiğinden ikisi de aynı kapıya çıkıyor.

Yeni Higgs teorisini geliştirmekteki en büyük motivasyonumuz ise “neden öyle?” sorusudur. Bugün evreni dinamik teorilerle açıklıyoruz ama fizik yasalarının neden öyle olduğunu bilmiyoruz. Bu yasaların evrenimizi açıklaması için gereken “zayıf enerji koşulunu” karşılamak için denklemlere elle evrensel sabitler ekliyoruz. Bunlar doğada ölçtüğümüz sabitlerdir ama örneğin 26 temel sabitten biri olan evrensel yerçekimi sahibinin neden 6,67408 × 10^-11 m3 kg^-1 s^-2 olduğunu bilmiyoruz.

Higgs’i sınıftaki yaramaz bir öğrenci gibi tüm diğer parçacıklardan ayrı olarak duvarın dibine dikmek yerine (parçacık tablosuna bakın!) standart modele tam olarak entegre etmek istiyoruz. Higgs’in çirkin ördek yavrusu ve cezalı çocuk olmasını istemiyoruz. Böylece kuantum kütleçekim kuramı geliştirerek en azından 26 sabiti türettiğimiz daha da temel 4 sabitin bir-ikisinin neden öyle olduğunu öğrenebiliriz. Öyleyse Higgs bozonu çok ağır bir parçacık olmasına karşın neden en ağır parçacık değildir? O unvan üst kuarka aittir. Peki Higgs neden göreli hafif bir bozon? İşte bu bağlamda simetrilere geri dönelim:

İlgili yazı: Interstellar Filmi Ne Kadar Gerçekçi?

 

Higgs bozonu ve simetriler

Fizikçiler bazı yüksek enerjili fiziksel etkileşimleri (örneğin büyük patlama sırasında üretildiğini düşündükleri enerji düzeyini) hesaplamak için bazı simetriler kullanır. Örneğin 1) Yük simetrisi vardır. Bir fiziksel etkileşime kapılan parçacıkların elektrik yükünü tersine çevirirseniz etkileşim değişmez. Mesela pil doluyorsa yükler tersine dönünce boşalmaz (eğer protonlar eksi yüklü ve elektronlar da artı yüklü olursa ki antimadde budur!). 2) Zaman simetrisi vardır. Yerçekimi zaman geriye aksa da aynı şekilde çalışır. Zaman geriye akıyor diye antiyerçekimi olmaz. 3) Parite veya Türkçesiyle dönüşümçarpanı simetrisi vardır. Bu bildiğiniz uzamsal simetriye çok benzer. Aynadaki görüntünüzün elleri ters görünebilir. Sağ yerine sol gözükebilir ama ayna görüntünüz sizinle aynı fizik yasalarına uyar.

Bunu güçlü çekirdek kuvvetine bağlarsak hem yük simetrisine hem de dönüşümçarpanına uyduğunu görürüz. Oysa dediğim gibi güçlü çekirdek kuvvetini betimlemekte kullandığımız denklemler bu simetriye uymaz (matematikte simetriye bir örnek 2 x 3’ün 3 x 2’ye eşit olmasıdır). Özetle doğada güçlü nükleer kuvvetin neden böyle iki bireşimli bir simetriye (bakışıma) sahip olduğunu bilmiyoruz. Bu soru evrensel sabitler neden öyle sorusuyla aynı sorudur. Bunu evrensel sabitler yazısına ek olarak antropik ilke ve fizikte tanrı var mı yazılarında yazdım. Sorunun bir çözümü kıyamet argümanından türer:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Higgs bozonu ve kozmoloji

Kıyamet argümanına göre evrenimiz özel bir evren değildir. Nasıl ki sizin ilk doğan veya son doğan insan olma şansınız gerçekleşmeyecek kadar düşük bir olasılıktır, bu da aynen öyledir. Evrenimiz özel değilse evrensel sabitler rastgele belirlenmiştir. Oysa bunların ince ayarını azıcık bozsak, yani sabitlerin değerini az değiştirsek evren yok olurdu. Bunda sıra dışı bir şey yok hocam diyebilirsiniz. Evrensel sabitler öyle olmasa bizim evren de böyle olmazdı. Evet ama o sabitlerin başlangıçta, büyük patlama sırasında neden öyle olduğunu açıklamamız lazım.

Fizikte tanrı ve Higgs bozonu

İslam, Hıristiyanlık ve Musevilikteki tanrı bunun bir açıklamasıdır. Varlık felsefesi başka bir açıklamasıdır. Fizikteki açıklamalardan biri de çoklu evrendir… Kozmik enflasyon yüzünden kainatta sonsuz sayıda köpük evren vardır. Her birinde de belki sonsuz sayıda bizimki gibi gözlemlenebilir evren vardır. İllaki bu evrenlerden birinin, bizim evrenimizin evrensel sabitleri insan yaşamına uygun olacaktır. Bu size mantıklı gelebilir ama bilim felsefesi açısından çoklu evren çok sorunlu bir açıklamadır.

Sonuçta evren sonlu karmaşıklıktadır. Çoklu evren ise sonsuz karmaşıklıktadır. Sonlu bir şeyi sonsuz bir şeyle açıklamak sanat, sanat içindir. Kozan Kozandır demek gibidir. Beni tanımıyorsanız Kozan Kozandır demek bir şey anlatmaz. Mesela atları ve beni tanıyorsanız Kozan at değildir filan dersiniz. Bu yüzden elimizde birçok çoklu evren teorisi var ama bunları bu evrene bakarak kanıtlayamıyorduk. Evrenin dışını göremediğimiz için de tıkanıp kalıyorduk. Hani şu simetri kırılması, faz geçişi meselesi (detayları şurada). Yeni Higgs teorisi ise bu sorunu çözebilecek yeni nesil teorilerden biridir.

Higgs bozonu kuramına benzer yeni nesil kozmoloji teorileri evrenimizde test edebileceğimiz bilimsel öngörülerde bulunur: Büyük patlamadan kalan ilkin kütleçekim dalgaları gibi… Bu dalgaların şiddeti, titreşim modları her teoride farklıdır ki böylece birçok teoriyi test edebiliriz (belli bazı sicim teorisi kozmolojileri dahil ama hepsi değil!). Hatta bir evreni diğer evrenden ayıran asıl şey Higgs kütlesi olabilir. Higgs bozonu çok ağır olan evrenler hemen çöküp kara delik olur örneğin… Böylece bu evreni sonsuz sayıda evrenle açıklamaktan kullanırız. Bakın burası çokomelli; çünkü Hawking vefat etmeden önce bu varsayım üzerinde çalışıyordu:

İlgili yazı: Renk Körlüğünü Düzelten Gözlük EnChroma

 

Higgs bozonu ve karanlık madde

Diyelim ki kainatta sonsuz sayıda evren var ama bunların büyük kısmı Higgs yüzünden ölü doğuyor ve hemen kara deliğe dönüşüyor. Mikroskobik kara delik olarak da anında buharlaşıp yok oluyor. Demek ki kainattaki evrenler içinde ancak sonlu sayıda evren, insan yaşamına uygun doğru Higgs kütlesine sahip olabilir. Bu da belirli bir x kütlesi ise ve sayılar da sonsuz olduğuna göre x kütlesi olmayan sonsuz Higgs kütlesi vardır fakat bunlar BİZİM evrenimizin nasıl oluştuğunu açıklamakta bizi hiç ilgilendirmez.

Oysa bunun için Higgs kütlesi neden bizde öyle sorusunu yanıtlamamız gerekir. İşte Fransa’daki Saclay Teorik Fizik Enstitüsü’nden İtalyan araştırmacılar Raffaele Tito D’Agnolo ve Daniele Teresi¹ bunun yanıtını bulmak için yeni bir Higgs bozonu teorisi geliştirdiler. Yerçekimiyle kuantum mekaniğini birleştirmek için güçlü çekirdek kuvvetini değiştirdiler. Öyle ki bu kuvvetin doğada görülen ayrık yük ve dönüşümçarpanı simetrilerinden kendi birleşik simetrisiyle nasıl türediğini gösterdiler. Bunun için de standart modele iki yeni parçacık eklediler. Çokomelli dedik ya, bu parçacıklardan biri, geçenlerde aramızdan ayrılan fizik devi Weinberg’in öngördüğü axion parçacığına çok benziyor.

Belki de odur ki öyleyse karanlık maddeyi de bulduk demektir; çünkü axion bir karanlık madde parçacığıdır! Karanlık madde evrendeki maddenin yüzde 85’ini oluşturduğu için bir taşla iki kuş vururuz. Ne kuşu? Koca bir pterodaktil vururuz! Hem karanlık maddeyi açıklamak hem de kuantum kütleçekim kuramı geliştirmek ve bu sırada gizemli Higgs bozonu sorununu çözmek… Ne diyelim? Kimse bilim insanları kılıbık pısırık tipler sanmasın. 😊

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Nasıl test ederiz?

Axionu değil ama hafif olan diğer kardeşini, LHC’nin üretebileceği kadar hafifse önümüzdeki birkaç yılda test edebiliriz. Axionu da Süper Derin Soğutuculu Karanlık Madde Araştırması detektöründe saptayabiliriz. Ayrıca yeni Higgs teorisine göre nötronların içindeki kuarkların elektrik yürü asimetrik olarak, yani her yönde eşit değil de bir noktada birikecek şekilde dağılmıştır. Asimetri oranı standart modelde öngörülenden farklıdır. Nötron ölçümleri bu farkı ortaya çıkarabilir. Özetle bu teorinin yanlış olduğunu kanıtlayamasak da en azından amacına ulaşıp ulaşamayacağını 20 yılda çözeriz.

Sonuçta fizikte artık o kadar çok şey biliyoruz ki test etmesi 50 yıl sürecek öngörülerde bulunabiliyoruz. Yine de bir teorinin işe yarayıp yaramadığı 20 yıla anlaşılır. Böylece siz de bilimsel araştırmaların nasıl yürütüldüğü ve teorik fiziğe dair iyi bir fikir edindiniz. Doğada üç kuruşa beş köfte olmadığını, her teorinin öyle 15 dakikada kanıtlanamayacağını ve her şeyi açıklayamayacağını gördünüz.

Siz de steril nötrinolar karanlık madde mi diye sorabilir ve karanlık madde var ama bildiğiniz gibi değil diye şaşırabilirsiniz. Gravitonlar Karanlık Maddeyi Açıklayabilir mi ve karanlık madde teorileri neden modifiye yerçekimine karşı diye merak edebilirsiniz. Hızınızı alamayarak karanlık madde yıldızları varsa nasıl oluşuyor sorusuna dalıp beşinci kuvvet: karanlık enerji evreni yok edecek mi ve kozmolojik sabit karanlık enerji mi sorularından çıkabilirsiniz. Hatta kendinizi cesur hissediyorsanız karanlık enerji yoksa cüsseli kütleçekim var mı sorusunu da araştırabilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın! 😊

¹Sliding Naturalness: New Solution to the Strong-CP and Electroweak-Hierarchy Problems