Bilim insanlarının bulduğu her yeni parçacık fiziği değiştirir ve bu iki türlü olur: Ya parçacık fiziğinin temeli olan standart modelde öngörülen ama yıllardır bulunamayan bir parçacığı nihayet gözlemlersiniz, ya da beklenmedik yepyeni bir parçacık bulursunuz. İşte bu fiziği kökten değiştirir. 1936’da kazara bulunan muon parçacığı öyle yaptı. Muonun nasıl oluştuğunu açıklamak için Standart Modeli geliştirdik. Peki muon parçacığı nedir ve nasıl çalışır?
Parçacık fiziği nedir?
Nasıl ki bir roman yazarsanız yarattığınız karakterler onlar hakkında ne yazacağınız konusunda size yol gösterir, parçacık fiziğinde de atomların beklenmedik davranışları bunları açıklayan yeni parçacıklar keşfetmek için esin kaynağı olur. Peki 1930’larda atomlar ve parçacıklar hakkında ne biliyorduk? Pek az şey! Atom çekirdekleri nötronlar ve protonlardan oluşuyor, elektronlar çekirdeğin çevresinde dönüyordu. Işık parçacığı fotonlar elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısıydı.
Radyo sinyalleri ve elektromanyetik alanlar fotonlar tarafından iletiliyordu. Elektronlar elektrik alanını ve manyetik alanı oluşturuyor, atomlarsa yapıtaşımız olan elementleri meydana getiriyordu. 1930’larda fizik hareketli ama basitti. Sonra muon geldi ve her şey değişti:
Perşembenin gelişi çarşambandan belliydi; çünkü fizikte fırtına öncesi sessizlik vardı. Argon ve potasyum gibi bazı elementlerde birtakım anormallikler görüyorduk. Argonun negatif elektronlar ve pozitif protonlarla birlikte 18 birim yükü vardı ama argon atomunun kütlesi 40 birimdi. Potasyum da 19 birim yük içeriyordu ama kütlesi 39 birimdi. Atom çekirdeklerinin elektrik yükü olmayan nötronlar içerdiğini keşfederek bu sorunu çözdük. Nötronlar izotopları da açıklamamızı sağladı:
Örneğin ağır su fazladan nötron içeren hidrojen izotopu döteryum içeriyordu (H2O yerine D2O). Tabii bir de Marie Curie’nin 20. yy başında keşfettiği radyumla hayatımıza giren radyasyon var: Radyoaktif elementler veya kararsız parçacıklar başka parçacıklara dönüşerek ya da başka parçacıklar yayınlayarak radyasyon yayar. Bu radyasyon türlerinden biri de beta bozunumudur. Atom yörüngelerindeki elektronlarla ilgili ünlü dışarlama ilkesini geliştiren Wolfgang Pauli bununla çok ilgilendi. Pauli beta bozunumunda enerjiyi ve dolayısıyla kütleyle momentumu korumak gerektiğini biliyordu.
Böylece kararsız atomların beta bozunumuyla hafif atomlara dönüşmesini açıklamaya çalıştı. Örneğin atom çekirdeğindeki protonlardan biri bir pozitron (antielektron) yayarak nötrona dönüşüyor ve bu da atomun bir nevi hafiflemesine yol açıyordu. Oysa pozitronun kütlesi proton ile nötron kütlesi arasındaki farkı açıklamaya yeterli değildi. Evrendeki hesabın çarşıya uyması için protonun pozitron yanında başka bir parçacık daha yayınlaması gerekiyordu. Pauli 24 yıl sonra keşfedeceğimiz nötrinoyu öngörmüştü!
Muon parçacığının gelişi
Anlattıklarımızdan fizikçilerin sürprizlere hazır olduğu sonucunu çıkarabilirsiniz ama kimse muon parçacığına hazır değildi. Muon, elektron gibi negatif yüklü ama ondan yüzlerce kat ağır bir parçacıktır. Bu yüzden de son derece kararsızdır ve bozunarak başka parçacıklara dönüşür. Muon fiziği altüst etti desek yeridir. Dünyalar yıkıcısı Donald Trump’ın parçacık fiziğindeki karşılığı muondur. 😊
1912 yılında maceracı fizikçi Victor Hess’in aklına yanına bir parçacık detektörü (algılayıcı) alarak balonla seyahate çıkmak geldi. Hayır, Jules Verne’nin 80 Günde Devrialem romanını okumamıştı. Aslında çağına bakarsak muhtemelen okumuştu ama ona yön veren bilimkurgu değildi. Elektroskop denilen bir cihazla (elektron ölçer) deney yapmak istiyordu. Elektroskop basit bir cihazdır. İki iletken metal folyo alırsınız, bunları bir iletkene bağlar ve havası alınmış kaba koyup üstünü kapatırsınız.
Elektroskoptaki folyolara zıt yükler yüklerseniz bunlar birbirini çeker, eş yükler yüklerseniz iter. Her durumda kadrandaki yelkovanı resimdeki gibi oynatır ve o da yük düzeyi ile türünü gösterir. Tabii elektroskopun yükünü boşaltarak topraklarsınız nötr olacaktır. Oysa Hess garip bir durumla karşılaştı: Elektroskopu mümkün olan en kusursuz vakumda bıraksa bile alet boşalıyordu. Hess’in aklına dahice bir fikir geldi ama önce balonla yükseğe çıkması gerekiyordu. Çıktı da!
Yüksek irtifada elektroskopun daha hızlı boşaldığını buldu. Ne kadar yükseğe çıkarsa elektroskopun elektrik yükü o kadar hızlı boşalıyordu. Hess’in dahice fikrine göre bunun sebebi uzaydan gelen ve maddenin içine nüfuz etme gücü çok yüksek olan (elektroskop kabına girip yükünü boşaltan) enerjik parçacıklardı. Tebrikler! Hess başka yıldızların güneş rüzgarı olan kozmik ışınları bulmuştu. Kozmik ışınlar atmosferi geçerken zayıflıyor ve bu da elektroskopa çarpıp yükünü boşaltmalarını yavaşlatıyordu. Yüksek irtifada ise hava incelerek kozmik ışınların etkisi artıyordu. Peki ya muon?
Kambersiz düğün olur mu? Hess’in muonu keşfetmesine az kalmıştı: Bu kez yeryüzünde elektrik yüklü bir saptama odası inşa etti. Böylece kozmik ışınlar odanın içinden geçerken bükülecekti. Bu oda elektroskopun mega boy versiyonuydu. Hess kozmik ışınların nasıl büküldüğüne bakarak hızı ve kütle-yük oranını ölçtü. Bilim insanları nötron içeren atomlardan ders almıştı. 😉 Hess kozmik ışınların büyük ölçüde yüksek hızlı protonlar ve elektronlardan oluştuğunu buldu.
Bilim insanları bu odayla antimadde parçacıklarını da keşfettiler. Sonuçta evrende antimadde çok nadirdir ve genellikle yüksek hızlı madde parçacıklarının bozunmasıyla ortaya çıkar. En yüksek hızlı parçacıklar kozmik ışınlar olduğundan işleri kolay olmuştur. Uzay yerine Dünya’ya baksalar antimaddeyi keşfetmeleri yıllarca gecikebilirdi ama 1933’te her şey değişti. Bu kez Paul Kunze bilinen kozmik ışınlara benzemeyen özelliklere sahip bir parçacık buldu. Elektron gibi negatif yüklü, ondan yüzlerce kat ağır ama antiproton kadar ağır olmayan yepyeni bir parçacık. Muonu işte böyle keşffettik.
Muonlar kısa ömürlü olduğu ve hızla başka parçacıklara dönüştüğü için kozmik ışınların küçük bir kısmını oluşturur. Zamanla yeryüzünde bile duyarlı çalışan yeni algılayıcılar yapınca gördük ki muonlar kozmik ışınların atmosferde saçılmasıyla oluşuyordu. Kozmik parçacıklar havayı oluşturan atomlara çarpıyor, bir parçacık çağlayanı oluşturuyor ve bu sırada muon yağmuru da oluşturuyordu. Yoksa muonların kısa ömrüyle yüzlerce ışık yılı uzaktaki yıldızlardan gelmesi imkansızdı.
Kozmik ışınlar atmosfere çarpınca parçacık-antiparçacık çiftleri oluşturur. Bunların içinde en yaygını kısa ömürlü ve kararsız pion parçacıklarıdır. Yüklü pionlar yalnızca birkaç nanosaniye var olduktan sonra (saniyenin milyarda biri) muonlara dönüşür. Elektrondan 206 kat kütleli muonlar da 2,2 mikrosaniye ile (saniyenin milyonda biri) kısa ömürlüdür ama pionlar daha uzun süre var olur. Öyle ki 15 dakikalık serbest ömrü olan nötrondan sonra en uzun ömürlü kararsız parçacıktır.
Gerisi çorap söküğü gibi geldi. Muonları ve diğer parçacıklarla etkileşimlerini açıklamak için yeni parçacıklar keşfetmek gerekiyordu. 1940’a gelirken standart modelin temelleri atılmaya başlamıştı. 1936’da Carl Anderson ve Seth Neddermeyer pozitif yüklü muonlar gözlemledi ve bu da antimuonlar olduğunu gösterdi. 1937’de of J.C. Street ve E.C. Stevenson iyonize radyasyonun atmosferden geçişini gösteren bulut odasında muonları gözlemlediler. Böylece muonların gayet yaygın olduğunu anladık.
Ne kadar yaygın derseniz
Gökyüzüne el avuç açarsanız elinizin içinden saniyede 1 muon veya antimuon geçer. Nitekim atmosferik saçılımın ardından deniz seviyesinde yeryüzüne ulaşan kozmik ışınların yüzde 90’ı muonlardır. Geri kalan az sayıdaki parçacık da başlıca nötronlar ve elektronlardan oluşur. Elbette zamanla kuarkları (kuarklar proton ve nötronları oluşturur), kuark-antikuark çiftleri olan mezonları, egzotik, ağır ve kararsız baryonları da keşfettik (proton ve nötronlar gibi üçer kuarktan ama farklı kuarklardan oluşurlar). İşte bütün muonlar bütün bu keşiflerin önünü açtı:
29 Mayıs 1919’daki tam güneş tutulmasında Merkür’ün yörüngesini kesin ölçerek Einstein’ın görelilik teorisini kanıtladık. Merkür yörüngesinde görelilikte öngörülen kaymalar vardı. Oysa göreliliği atomaltı düzeyde kanıtlamamızı sağlayan parçacıklar muonlar ve bunun nedeni de kısa ömürlü olmalarıdır. Muonun ömrü 2,2 mikrosaniyedir ve bu da atmosferde ancak 660 metre yol alabileceğini gösterir.
Oysa atmosfere çarpan muonlar neredeyse ışık hızında gidiyor. Bu yüzden zaman genleşmesi oluyor ve muonlar başka parçacıklara bozunmadan önce atmosferde 100 km yol alabiliyor. Zaten 100 km irtifada oluşan muonlar bu yüzden yeryüzüne ulaşabiliyor! Zaman genleşmesi olmasaydı uzayda ortaya çıkan muonlar yeryüzüne ulaşamaz ve onları keşfedemezdik. Einstein’ı yerçekimiyle tanırız ama ondan önce, 1905’te fotoelektrik etkiyi açıklayarak güneş enerjisinin önünü açmıştır. Bakmayın kuantum fiziği konusunda Bohr ve Heisenberg’le takışmasına, Einstein parçacık fiziğinin kurucularından biridir. 😉
Hocam muonların keşfiyle neden gerisi çorap söküğü gibi geldi derseniz bunun enerjinin korunumuna bağlı olduğunu belirteyim. Enerjiyi yok edemez ve yoktan var edemeyiz. Ayrıca kütle enerjiye denktir. Öyleyse muonların davranışlarını ancak yeni parçacıklar keşfederek açıklayabiliriz. Bu da bizi fizikte çok tartışmalı bir noktaya getiriyor: Gelecek Dairesel Çarpıştırıcı (FCC).
Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi’ni (CERN) 1954 yılında kurduk. CERN tarihin tümüyle sivil amaç güden en büyük projesidir. Higgs parçacığını keşfeden Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) 1998-2008 yıllarında inşa edildi. LHC anahtar teslim 10 milyar dolara mal oldu. Bu bütçeyi bulmak için de fizikçiler arasında sert tartışmalar geçti. Bugün bile LHC’nin birçok araştırmanın bütçesini yuttuğundan yakınınlar var. Oysa LHC Higgs bozonu ve yeni kuark kombinezonlarını bularak diyetini ödedi.
Muon hızlandırıcısı
Öte yandan fizikte ilerleme kaydetmek için 2026’dan sonra devreye girecek FCC gibi daha büyük, hızlı ve pahalı çarpıştırıcılara ihtiyacımız olduğunu sanmıyorum. Bunun yerine mikro hızlandırıcılar üretmek keşifleri hızlandırabilir. Bu tartışmaları ayrıca yazdım ama neden muon hızlandırıcısı inşa etmediğimizi anlamıyorum. Fizikte ilerleme kaydetmek istiyorsak mutlaka bir muon hızlandırıcısı gerekiyor. Bunun sebebi de parçacık hızlandırıcılarının nasıl çalıştığıyla ilgilidir:
1) Dairesel hızlandırıcılar doğrusal hızlandırıcılardan daha yüksek enerjiye ulaşır. 2) Dairenin çapı ne kadar büyükse üretilen enerji o kadar artar. 3) Ne kadar güçlü mıknatıslar kullanırsanız o kadar güçlü manyetik alan üretir ve yüksek enerjiye ulaşırsınız. 4) Elektron gibi düşük kütleli parçacıklar senkrotron radyasyonuna yol açar. Bu da parçacığın enerji kaybederek yavaşlamasına yol açar. 5) Bu yüzden çarpışınca yeni şeyler keşfetmemize yol açacak kadar ağır, elektrondan ağır ama yüksek hıza çıkacak kadar da hafif parçacıklar kullanırız. LHC bu yüzden elektron yerine protonları çarpıştırıyor.
Oysa protonların büyük bir dezavantajı var: Protonlar kuarklardan oluşan birleşik parçacıklar ve LHC’de kafa kafaya çarpıştığında üretilen enerjinin ancak küçük bir kısmı kuarklarla gluonlar halinde ayrışmalarını sağlıyor. Bu da LHC’de çok yüksek enerjilere ulaşsak bile bunlarla yeni parçacıklar keşfetmenin zorlaşmasına yol açıyor. Belki de yerçekimi ile kuantum fiziğini birleştirmemize yardım edecek süpersimetrik parçacıkları bu yüzden keşfedemedik. Gereken efektif enerjiye çıkamıyoruz.
Gerçi çok daha tutucu davranabiliriz. O zaman muon çarpıştırıcılarına neden gerek olduğunu anlarız. Süpersimetrik ve diğer yeni parçacıkları görmek için bırakın LHC’yi, FCC’nin bile üretemeyeceği kadar yüksek enerjilere çıkmak gerekebilir. Bu durumda FCC’ye ayrılacak para ziyan olur. Oysa muonlar protondan hafif olsa da temel parçacıktır, yani elektron gibi tek parçadır. Bunları çarpıştırınca kütlenin tamamı enerji olarak açığa çıkar. Böylece süpersimetrik parçacıkları keşfedebiliriz. Nasıl ki beta bozunumundaki eksik kütle nötrinonun keşfine yol açtı, muon çarpışmalarında da hesap tutmazsa süpersimetrik parçacıklar keşfedilebilir. Sonuçta fizik deneyseldir:
Teorileri test edemediğimiz sürece fizikte yol alamayız. Bakın muon derken neler öğrendik? Bilim tarihine göz attık ve parçacık fiziğinin özeti olan standart modeli gördük. Bilimsel deneylerin önemini kavradık ve bilimin nasıl işlediğini gördük. Bilim uzun yıllara dayanan işbirliği ve birçok kişinin emeğini gerektirir. Einstein bile Mach ve Newton olmasaydı göreliliği keşfedemezdi.