Tanrı parçacığı olarak da bilinen Higgs Bozonu nedir? Nasıl oluşur, özellikleri nelerdir? Tanrı parçacığının keşfedilmesi ve bilime öğrettikleri.
Tanrı Parçacığı (Higgs Bozonu)
Fizikçi Peter Higgs 1964’te bir gün Kuzey İskoçya’da yürüyüş yaparken parçacıkların kütleli olmasına yol açan şeyi keşfetti. Ona göre bu, kendisini “büyük fikri”ydi. Parçacıklar günümüzde Higgs alanı olarak bilinen bir kuvvet alanının içinde hareket ederken yavaşladıkları için daha kütleli görünürler. Bu kuvvet alanının taşıyıcısı olan Higgs bozonuna Nobel Ödüllü fizikçi Leon Lederman “Tanrı Parçacığı” adını takmıştır.
Nesnelerin neden kütlesi vardır? Bir kamyon her biri görece ağır atomlardan oluştuğu için ağırdır. Çelikte demir atomları vardır ve demir periyodik tablonun aşağılarında yer alır. Peki, atomların neden ağırlığı vardır? Sonuçta büyük bölümleri boşluktur. Neden bir proton elektrondan ya da nötrinodan ya da fotondan daha ağırdır?
Her ne kadar 1960’lı yıllarda dört temel kuvvet yani etkileşim iyi biliniyor olsa da bunların hepsi birbirinden farklı taşıyıcı parçacıklara dayanıyordu. Fotonlar elektromanyetik etkileşimlerdeki bilgiyi taşıyorlardı; gluonlar güçlü çekirdek kuvvetiyle kuarkları bir arada tutuyorlardı; W ve Z bozonları da zayıf çekirdek kuvvetini taşıyordu. Ama fotonların kütlesi yokken W ve Z bozonları protondan yüz kat daha kütleli parçacıklardı. Bu parçacıklar neden bu kadar farklıydılar? Elektromanyetik ve zayıf çekirdek kuvvetlerinin elektrozayıf kuvvet olarak birleştirilebildiği göz önüne alınırsa, bu uyuşmazlık kendini daha da gösterir. Ama bu teori zayıf çekirdek kuvveti parçacıklarının, yani W ve Z bozonlarının kütlesi olması gerektiğini söylemez. Kütlesiz fotonlar gibi de olabilirler. Büyük birleşik kuram için yapılan, temel kuvvetler arasındaki daha başka birleştirme girişimleri de aynı sorunla karşılaşmıştır. Kuvvet taşıyıcıların kütlesi olmamalıdır. Neden hepsi foton gibi değildir?
Ağır çekim
Higgs’in büyük fikri, kuvvet taşıyıcılarının bir kuvvet alanından geçerken yavaşlatılıyor olduğuydu. Artık Higgs alanı olarak anılan bu alan Higgs bozonu denen bozonların aktarımıyla çalışıyordu. Bardağa bir boncuk bıraktığınızı düşünün. Bardak suyla doluysa, boş yani hava dolu olduğu duruma göre boncuğun dibe inişi daha uzun sürer. Sanki boncuk suyun içindeyken daha kütleli gibidir – boncuk sudayken yerçekiminin onu kendisine çekmesi daha uzun sürer. Aynı şeyi suyun içinde yürürken bacaklarınızda da hissedersiniz – ağırlaşırlar ve yürüyüşünüz yavaşlar. Eğer bir bardak şerbete bırakılırsa, boncuğun dibe ulaşması daha da uzun sürer. Higgs alanı da aslında benzer bir şekilde yani tıpkı yoğun bir sıvı gibi davranır. Higgs kuvveti diğer kuvvetleri taşıyan parçacıkları, onlara birer kütle vererek yavaşlatır. Fotonlara göre W ve Z bozonları üzerindeki etkisi daha güçlüdür ve onların daha ağır görünmelerine yol açar.
Higgs alanının etkisi, bir metalin artı yüklü çekirdeklerinin oluşturduğu kristal kafes yapısının içinde bir elektronun ilerleyişine oldukça benzer. Elektron bütün artı yüklerce çekildikçe azar azar yavaşlar. Dolayısıyla bu iyonların çevresinde bulunmadığı duruma göre kütlesi artmış gibi görünür. Burada etkili olan kuvvet fotonlar aracılığıyla işleyen elektromanyetik kuvvettir. Gerçekte Higgs alanı da benzer şekilde işler ama onda kuvveti taşıyanlar Higgs bozonlarıdır. Bunu birçok Higgs’in bulunduğu bir kokteyle katılan bir film yıldızının ilerleyişi gibi düşünebilirsiniz. Film yıldızı salonun bir ucundan diğerine gitmekte zorlanır çünkü kendisiyle sürekli yapılan kısa sosyal etkileşimler onu yavaşlatır.
Higgs bozonun kütlesi
Diğer kuvvet taşıyıcısı olan bozonlara kütlelerini Higgs bozonu veriyorsa, Higgs bozonunun kendi kütlesi nedir? Ve kendine nasıl kütle kazandırıyordur? Bu da bir yumurta-tavuk durumu değil midir? Ne yazık ki eldeki teoriler parçacık fiziğinin standart modeli için Higgs bozonunun gerekli olduğunu öngörseler de onun kütlesine ilişkin bir şey söyleyemiyorlar. Bu nedenle fizikçiler onu görmek istiyor. Ama bunun ne kadar zor olacağını yani kendisini ne zaman ortaya çıkaracağını bilemiyorlar. [2012’de CERN’de yapılan deneyde saptandı.] Onun özelliğindeki parçacıklar üzerindeki araştırmalardan, kütlesinin deneysel olarak ulaşılan enerji düzeylerinden büyük olması gerektiği biliniyor. Yani çok ağır ama tam olarak ne kadar ağır olduğunu bulana dek beklemeliyiz. [Higgs bozonu yaklaşık 125 GeV yani 133 proton kütlesindedir.]
Kesin kanıt
Higgs parçacığını aramak için kullanılacak yeni makine İsviçre’de CERN’de (Conseil Européen pour la Recherce Nucléaire – Avrupa Nükleer Araştırma Konseyi) inşa edilen Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC – Large Hadron Collider) aslında Cenevre yakınlarında kurulan dev bir parçacık fiziği laboratuvarıdır. Yerin 100 m altında, en büyüğü 27 km uzunluğunda olan halka şeklinde tünelleri vardır. LHC’de dev mıknatıslar protonları bu hat boyunca hızlandırarak bir ışın haline getirir. Halka şeklindeki dev tünelde ilerlerken bu ışının hızı sürekli artar. Önce ters yönde ilerleyen iki ışın oluşturulacak; sonra hızları en üst düzeye ulaştığında bu ışınlar birbirine doğru yönlendirilerek protonların kafa kafaya çarpışması sağlanacaktır.
Ulaşılan çok yüksek enerjiler sayesinde çarpışma sırasında bir dizi ağır parçacık geçici olarak ortaya çıkacak ve bunlar -ve bunların bozunmasıyla ortaya çıkacak yan ürünleri de- dedektörlerce kaydedilecektir. LHC’nin amacı başka milyarlarca parçacığın bırakacağı izin arasından Higgs parçacığına ilişkin ipuçları bulmaktır. Fizikçiler neyi aradıklarını iyi biliyorlar ama onu yakalamak yine de oldukça zor. Eğer ulaşılan enerji düzeyi yeterince büyük olursa, Higgs bozonu arka arkaya dönüşecek bir dizi parçacık şeklinde yok olmadan önce saniyenin çok küçük bir bölümü için ortaya çıkabilir. Bu nedenle Higgs’in kendisini gözlemektense fizikçiler onun varlığını gösterecek kesin kanıtlar arayacak ve sonra bütün parçaları birleştirip onun var olduğu sonucuna ulaşacaklar.
Simetri kırılması
Higgs bozonu ne zaman ortaya çıkabilir? Ve buradan fotonlara ve diğer bozonlara nasıl ulaşırız? Higgs bozonu çok ağır olması gerektiğinden yalnızca aşırı yüksek enerjilerde ve Heisenberg belirsizlik ilkesi nedeniyle de çok kısa bir süre için ortaya çıkabilir. Teoriye göre Evren’in oluşumunun en başında bütün temel kuvvetler tek bir süper kuvvet şeklinde birleşik haldeydi. Evren soğudukça dört temel kuvvet, simetri kırılması denen bir süreçle birbirinden ayrıştı.
Her ne kadar simetri kırılması kulağa akılda canlandırması zor bir şeymiş gibi gelse de aslında basittir. Bir zamanlar simetrik görülen bir sistemden simetrinin kalktığı noktaları ifade eder. Örneğin peçetelerin ve çatal bıçakların aynı şekilde yerleştirildiği yuvarlak bir masa düşünün. Simetriktir yani nereye oturursanız oturun masa aynı görünür. Ama bir kişi peçetesini alırsa, simetri kaybolur ve o noktaya göre nerede bulunduğunuzu söyleyebilirsiniz. Yani simetri kırılması olmuştur. Tek başına bu olayın bazı zincirleme etkileri olabilir – yani şöyle olabilir: Herkes ilk olaya uymak için sol taraftaki peçetesini alabilir. Eğer ilk öteki taraftaki peçete alınsaydı o zaman tersi durum gerçekleşecekti. Ama örüntüyü başlatan şey rastgele bir olaydır. Benzer şekilde Evren soğudukça birtakım olaylar temel kuvvetlerin teker teker ayrışmasına yol açmıştır.
