Higgs Parçacığı Nedir ve Nasıl Çalışır?

Higgs parçacığı nedir ve yaklaşık 50 yıl aradıktan sonra 2012’de CERN parçacık hızlandırıcısında nasıl keşfedildi? Peki neden kütleniz var ve tartılıp kilonuzu ölçebiliyorsunuz? Bu soruları yanıtlamak için önce doğadaki proton ve elektron gibi parçacıkların kütlesi nereden geliyor diye sormak lazım. Parçacık fiziğinin kullanım kılavuzu olan Standart Modeldeki eksik parçayı tamamlayan Higgs parçacığının heyecanlı keşif öyküsüne hoş geldiniz. Bu yazıda Higgs parçacığı ile Higgs alanının ne olduğunu öğreneceğiz. Higgs alanı nasıl çalışır diye sorarak kütlenin en derin kökenini inceleyeceğiz.

Higgs parçacığı ve maddenin kütlesi

Baştan söyleyelim: Atom çekirdeklerinin ana bileşeni olan protonların kütlesinin sadece yüzde 1’i onları meydana getiren kuarklardan geliyor. Bu yüzden maddeye asıl kütlesini kazandıran Higgs parçacığı ve Higgs alanıyla ilgili olan Higgs mekanizması değildir. Higgs mekanizması temel parçacıklara kütlesini kazandırır (ancak nötrinolar kütlesini başka şekilde kazanıyor). Peki protonların kütlesi nereden geliyor?

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

 

Protonlar ve tanrı parçacığı

Protonlar üçer kuarktan oluşuyor ve bunları birbirine gluon denilen kütlesiz parçacıklar bağlıyor. Protonların kütlesinin sadece yüzde 1’i kuarklardan geliyor; ancak kuarklar protonun içinde neredeyse ışık hızında ileri geri hareket ediyor. Işık hızına yakın hızda hareket ettiği için de kuarkların kütlesi artıyor. Ayrıca protonların kütlesinin yaklaşık yarısı gluonlardan geliyor.

Gluonlar kütlesiz parçacıklar ama genel görelilik teorisindeki E=mc² denkliği yüzünden gluonların enerjisi de protonların kütlesini artırıyor; çünkü kütle enerjiden türeyen bir özelliktir ve enerjiyi kütle olarak yazabiliriz. Oysa Higgs parçacığı ve Higgs alanı olmasaydı protonların kütlesi de olmayacaktı! Sonuçta kuarklar kütlesiz olsaydı protonlar en az yüzde 60 daha hafif olurdu. Bu da galaksiler, yıldızlar, gezegenler ve bizler olmak üzere bildiğimiz anlamda maddenin oluşmasını önlerdi.

Üstelik kuarklar kütlesiz olsaydı gluonlar onları protonları oluşturacak şekilde birbirine bağlayamazdı. Böylece bütün evren radyasyondan, yani fotonlar gibi kütlesiz parçacıklardan oluşurdu. O yüzden Higgs alanı ve bu kuantum enerji alanına ait olan Higgs parçacığına varlığımız borçluyuz. Teşekkürler Higgs! Siz de Tanrı Parçacığı diyerek Higgs’i ödüllendirdiğimizi düşünebilirsiniz ama bu isim maalesef acar bir gazetecinin uydurması:

Bilim insanları kendi arasında Higgs’e tanrının belası parçacık diyordu. Sonuç olarak 50 yıl aradıktan sonra 4 Temmuz 2012’de CERN parçacık hızlandırıcısının Büyük Hadron Çarpıştırıcısında (LHC) Higgs’i zar zor keşfettiler. Oysa aradan geçen 8 yılda temel parçacıkların kütlesinin nereden geldiği medyada hâlâ yanlış anlatılıyor. Bu yazıda doğrusunu göreceğiz. 😊

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Higgs parçacığı nasıl keşfedildi?

Higgs’i anlamak için neden zor keşfedildiğini sormak lazım: Fizikçi Peter Higgs bu parçacığın varlığını 1964’te öngördü ve 2012 yılında keşfedildikten sonra François Englert’le birlikte 2013 Nobel fizik ödülünü aldı. Oysa Standart Modeldeki bütün diğer parçacıklar 1980’lere dek keşfedilmişti. Peki Higgs neden bu kadar gecikti? Bunun iki sebebi var:

Öncelikle Higgs parçacığı 172 GeV (gigaelektronvolt) enerjiye sahip üst kuarktan sonra evrende bilinen en ağır temel parçacıktır. 125 GeV’lik süper ağır Higgs parçacığını CERN parçacık hızlandırıcısında protonları çarpıştırarak üretmek çok zordur. Ancak, Higgs’i keşfetmenin uzun sürmesinin asıl nedeni enerji değildir. Aslında CERN LHC hızlandırıcısı Higgs’i keşfedecek kadar güçlüdür.

Oysa Higgs adeta parçacıklarla kuantum enerji alanlarının arasında gizlenen bir hayalet parçacıktır ve iyi saklandığı için onu bulmak çok zordur. Bunun da üç nedeni var ve bu nedenler temel parçacıkların kütlesini nasıl kazandığını gösteriyor:

1) Temel parçacıklara kütlesini kazandıran şey Higgs parçacığı değil, Higgs alanıdır. 2) Higgs alanı bir kuantum enerji alanı olup bu alandaki titreşimler Higgs parçacığını oluşturur. 3) Temel parçacıklara kütlesini Higgs mekanizması kazandırır ve Higgs parçacığı Higss alanından türeyen bu mekanizmayla ilişkilidir ama kütlenin ana sorumlusu değildir. Ancak, Higgs alanının bir becerisi daha var:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Higgs parçacığı ve radyoaktivite

Higgs parçacığı radyoaktif atomlar ve kararsız parçacıkların bozunarak daha hafif atomlarla daha kararlı parçacıklara dönüşmesini sağlayan zayıf nükleer kuvvetin “zayıf” olmasından da sorumludur. Zayıf kuvveti taşıyan parçacıklar W^+- ve Z bozonlarıdır. Bunlar Higgs alanıyla etkileşime girerek kütle kazanan bozonlar olup bu nedenle uzayda yavaş giderler. Bu da zayıf kuvvetin “zayıf” olmasına yol açar.

Zayıf kuvvet o kadar zayıf olmasaydı plütonyum gibi ağır metaller kurşun vb.’ne o kadar hızlı dönüşürdü ki evrende radyoaktif atomların oluşması ve üretilmesi bile imkansız olurdu. Dolayısıyla Higgs alanı hem kütle hem de radyoaktivitenin sebeplerinden biri olarak çok marifetli bir kuantum alanıdır. Peki kütle neden elektrik yükü gibi parçacıkların bütünleşik bir özelliği de değil de parçacıkların kuantum enerji alanlarıyla etkileşime girmesiyle ortaya çıkan bir özelliktir? Bunun nedeni Higgs alanıdır:

Nitekim fizikçiler standart modeli geliştirirken elektron gibi parçacıkların aslında kütlesiz olması gerektiğini fark ettiler; ama elektronun ölçülen kütlesini denklemlere evrensel sabitler gibi elle ekledikleri zaman Standart Model çöküyordu. İşte bu kütlenin sadece E=mc² yüzünden değil, başka sebeplerle sonradan ortaya çıkan bir türedi özellik olduğunu gösteriyordu.

Böylece Peter Higgs 1964 yılında Standart Modele Higgs enerji alanı ve onun temsilcisi (titreşimi) olan Higgs parçacığını ekledi. Bu da temel parçacıkların kütlesinin nasıl belirdiğini standart modelde göstermemizi sağladı. Öyleyse parçacıklar kütlesini nasıl kazanıyor? Her parçacık Higgs mekanizmasının ayrı bir versiyonu ile kütle kazanıyor. Biz mekanizmanın genel mantığını kavramak için elektron ve kuarkların nasıl kütle kazandığını görelim:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Higgs parçacığı ve Higgs alanı

Higgs alanı büyük patlamadan bu yana uzay boşluğunu, evreni dolduran bir skalar kuantum enerji alanıdır. Skalar alan olarak boş uzayda (vakumda) potansiyel enerjisi 0’dan büyüktür ve bu nedenle iş yapma kapasitesi vardır. İş yapmaktan kasıt da temel parçacıklara kütlesini kazandırıyor olmasıdır. Ayrıca skalar alan olarak boş uzaydaki enerji değeri bütün evrende aynıdır. Bu nedenle Higgs alanının şiddetini Dünya’da ölçerseniz Merkür’de de aynı olduğunu bilirsiniz.

Bunu anlamak için skalar alanları elektromanyetik alanla karşılaştırabilirsiniz. Dünya’nın manyetik alanı Venüs’ten güçlü ve Güneş’in manyetik alanı da Dünya’dan güçlüdür. Demek ki yine bir kuantum alanı olan elektromanyetik alan skalar alan değildir. Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, bu kadar ayrıntıya ne gerek var?” Higgs alanı skalar olmasaydı madde kütlesini kazanamazdı da ondan!

Örneğin elektronları ele alalım. Elektronlar sol elli veya sağ elli olabilir; yani uzaydaki hareket yönüne göre saatin ters yönünde ve saat yönünde dönüyor olabilir. Dahası elektronlar Higgs alanıyla etkileşime girdiği için sağ veya sol elli olur. Gerçi evrende sadece sol elli elektronları görürüz ama bunun sebebini ayrıca anlattım. Bizim için asıl olanı ise hem sağ elli hem de sol elli elektronların kütlesiz olmasıdır. 😮 Peki elektronlar kütlesini nasıl kazanıyor?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Higgs parçacığı ve elektronlar

Elektronların elektrik yüküne bağlı olan ve hiperyük denilen bir özelliği vardır. Hiperyük bozuk para gibidir. Bakkala verip para üstü alabilirsiniz. 😊 Hiperyük sahibi bütün parçacıklar da Higgs alanıyla hiç durmadan hiperyük değiş tokuşu yapar. Neden sürekli yapıyorlar derseniz: Higgs alanı skalardır, başka bir ifadeyle sanal parçacıklarla doludur.

Sanal parçacıkların sayısı ise sonsuzdur ve hiperyük alışverişi sırasında sayıları artmaz veya azalmaz. Özetle elektronlarla Higgs alanı arasındaki hiperyük alışverişi Higgs alanının toplam enerjisini değiştirmez. Bu da hiperyük alışverişinin kesintisiz olarak sürmesini sağlar. Şimdi diyeceksiniz ki o zaman elektronlar Higgs alanı ile Higgs parçacıklarını değiş tokuş ederek kütle kazanıyor. Hayır:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Higgs mekanizması farklı çalışıyor

Elektronlar Higgs alanı ile hiperyük sahibi olup zayıf kuvveti taşıyan Z bozonu alışverişi yapar. Bu bağlamda sol elli elektronun hiperyükü 1 (buna zayıf izospin veya zayıf eşyönlü fırıl denir) ve sağ elli elektronun hiperyükü de 0’dır. Sol elli elektron Higgs alanına Z bozonu ile hiperyük verince (-1 olarak gösterilir) zayıf izospini 0 olur (sağ elli olur); çünkü enerjinin korunumu yasası uyarınca hiperyük toplamı da korunur. Bu durumda sol elli elektron için Higgs alanı hiperyük etkileşimi 1 – 1 = 0 olur.

Üstelik elektron hiperyükü verir vermez hemen geri alır. Bunun nedeni hem Higgs alanının skalar olması hem de toplam hiperyükün (artı/eksi) korunuyor olmasıdır. Şimdi, elektronlar ışık hızıyla dönme yönünü değiştirir ve ışık hızıyla sağ ya da sol elli olur. Ancak, dönme yönü değişimi elektronun boş uzayda zikzak çizmesine karşılık gelir ve bu da elektronun uzayda bir Planck anında aldığı yolu uzatır.

İşte bu elektronun kütle kazanmasına yol açar! Neden derseniz: Işık hızı ışığın 1 Planck anında aldığı mesafedir (Planck uzunluğu). Oysa elektron ışık hızında dönme yönünü değiştirmeye ek olarak uzayda ışık hızında gidiyor olsaydı onun için zaman hiç geçmeyecekti; çünkü foton gibi kütlesiz parçacıklar için zaman akmaz. Öte yandan elektron için zaman akmasaydı sağ ve sol el arasında geçiş yapamazdı!

Neden öyle derseniz

Dönme yönünü değiştirmek saatin tik taklarına karşılık gelip zamanın akmasını gerektirir. Bu aşamada diyebilirsiniz ki “Ama hocam siz elektronların nasıl kütle kazandığını anlatmadınız. Bunun yerine yalnızca sağ ve sol elli olma geçişleri yaparken kütlesiz olmalarının imkansız olduğunu gösterdiniz.” Doğru; çünkü elimizde yerçekimiyle kuantum fiziğini birleştiren kuantum kütleçekim alanı yok. Parçacıkların kütle kazanmasını ancak bu kadar açıklayabiliyoruz. Buna Higgs mekanizması diyoruz:

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

 

Higgs parçacığı ve ışık hızı

Artık bu mekanizmanın Higgs parçacığıyla ilişkisini anlatabiliriz: Öncelikle elektron ile Higgs alanı arasındaki etkileşimle elektronun dönme yönünü değiştirmesine kiral simetrinin spontan kırılımı diyoruz. Elektronun hiperyük sahibi Z bozonu alışverişiyle Higgs alanının titreşmesine yol açması da bu alanın titreşimi olan Higgs parçacığının ortaya çıkmasına yol açıyor. Bu sebeple Higgs parçacığı Higgs mekanizmasıyla ilişkilidir ama parçacıkların kütle kazanmasıyla doğrudan ilişkili değildir.

Peki Higgs parçacığı nasıl keşfedildi?

Bu çok zor oldu. Gördüğünüz gibi elektronlar Higgs alanıyla çok hızlı etkileşim kuruyor. Bu da ışık hızında gerçekleşen Z bozonu alışverişiyle oluyor. Higgs parçacığı da bu alışverişin Higgs alanıyla etkileşime girmesinden oluştuğu için kısa ömürlü (kararsız) oluyor. Bu nedenle çekilgen Higgs parçacığını yakalayıp gözlemlemek yaklaşık 50 yıl sürdü.

Üstelik 125 GeV kütlesi olan Higgs parçacığının bozunup bir elektron ve pozitron üretebilmesine, dolayısıyla bir elektronla pozitronun da birleşerek Higgs parçacığı üretebilmesine karşın CERN parçacık hızlandırıcısında Higgs’i sadece kuarkları birleştirerek üretebildik. Bunu nasıl yaptığımıza gelince:

Kuarklar da birleşerek Higgs üretebiliyor ve Higgs bozununca kuark üretebiliyor fakat Higgs gözlemlerini açıklamak için şuna dikkat etmemiz gerekiyor: En ağır parçacıklar Higgs alanıyla en güçlü etkileşime giren parçacıklardır. Keza termodinamik optimizasyon nedeniyle Higgs parçacıkları da en sık olarak en ağır parçacıklara bozunur. Standart modelde en ağır tekil parçacık üst kuarktır. Higgs bir üst kuark ve bir anti üst kuark üretebilir ki bunlar çarpışıp Higgs oluşturabilir.

Yalnız bir sorun var: Protondan yaklaşık 170 kat ağır olan üst kuarklar da çok kararsızdır ve doğada serbest halde bulunmazlar. Bu yüzden CERN’de onları bulmak ve yeterince hızlı bir şekilde çarpıştırarak Higgs üretmek imkansızdır. Bu yüzden fizikçiler kuarkları birbirine bağlayarak protonları oluşturan, aynı zamanda güçlü nükleer kuvvetin taşıyıcısı olan kütlesiz gluonlardan yardım aldılar. Peki nasıl?

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Gluonlar ve Higgs parçacığı

Gluonlar ışık hızında gider ve kütle enerji denkliğini kullanarak bunları çarpıştırıp Higgs oluşturabilirsiniz fakat gluonlar da doğada serbest bulunmaz. Neyse ki CERN LHC hızlandırıcısı protonları çarpıştırarak çalışıyor ve protonların içinde çok sayıda gluon bulunuyor. Demek ki protonları ışık hızına yakın hızda çarpıştırırsak gluonları da çarpıştırıp bazılarının Higgs üretmesini sağlayabiliriz.

Nitekim 2012 yılında öyle yaptık ve nihayet Higgs parçacığını gözlemledik. Böylece temel parçacıklara kütlesini kazandıran Higgs alanının varlığını da kanıtlamış olduk; çünkü kuantum fiziğinde bütün parçacıklar kendisiyle ilişkili olan enerji alanının içinde yüzer. Higgs için bu Higgs alanıdır.

Keşfin hemen ardından Higgs’in kütlesine bakarak bunu elektronun kütlesiyle karşılaştırdık. Böylece elektronun Higgs alanıyla ne hızda etkileşime girdiğini ölçtük ve sonuçta Higgs alanının boş uzaydaki şiddetini hesapladık. Higgs alanının vakum beklenti değeri 246 GeV’dir. Şunu da ekleyelim: Higgs alanı skalar olduğu ve sanal parçacıklarla dolu olduğu için sürekli aktiftir.

Bu da parçacıkların Higgs alanı ile hiç dirençle karşılaşmadan, sürekli etkileşime girmesini sağlar. Öyleyse Higgs alanı elektriği direnç göstermeden ileten süperiletkenler gibi çalışır ve Z bozonlarına 80 GeV kütle kazandırarak zayıf kuvvetin boş uzaydaki zayıf enerji değerini oluşturur. 125 GeV kütleye sahip Higgs parçacığı da son derece kararsız olup 1,56 x 10^-22 saniyede bozunur. Peki nötrinoların neden kütlesi var?  Onu da şimdi okuyabilir, maddenin kökeni parçacık mı, yoksa enerji mi diye sorabilir ve saç telinden ince parçacık hızlandırıcılarına hemen göz atabilirsiniz. Keyifli okumalar.

Kütleniz nereden geliyor?

¹On the nature of the HiggsBoson
²HiggsBoson Studies at Future Particle Colliders
³An Updated Historical Profile of the Higgs Boson