1970’li yıllarda parçacık fiziğinde heyecan fırtınası esiyordu. Kuramsal fizikçiler, ABD ve Avrupa’daki hızlandırıcılarda bulunan beklenmedik parçacıkları açıklamaya çalışırken, deneysel fizikçiler de kuramın öngördüğü çeşitli parçacıkların peşine düşüyordu. Sonuç olarak parçacıkların ve etkileşimlerin Standart Modeli ortaya çıktı. Bu kuram özünde, maddenin en temel taneciklerinin ve onların etkileşmelerini sağlayan kuvvetlerin bir kataloğuydu.
Her ne kadar Standart Model atomaltı dünyayı oldukça iyi bir şekilde betimlese de, parçacık kütleleri gibi bazı önemli özellikler kuramdan değil, deneyden geldi. “Standart Model’i yazıp baktığınızda tam bir karmaşa ile karşılaşırsınız. Bir sürü parametre vardır ve hepsi de keyfi görünür. Bunun nihai kuram olduğuna beni ikna edemezsiniz!” diyor parçacık fizikçisi John Ellis.
Böylece nihai kuramı, her şeyin kuramını yani Büyük Birleşik Kuramı yaratma çalışmaları başladı. BBK, evrende varolan tüm maddeyi ve gerçekleşen tüm olayları açıklayan, temel doğa kuvvetlerini zarifçe birleştiren bir çerçeve olmalıydı. Elektromanyetik kuvvet, zayıf çekirdeksel kuvvet, güçlü çekirdeksel kuvvet ve kütleçekimin birleştirilmesi sonucunda BBK elde edilecekti. Fakat kütleçekim kuvvetinin diğer üç temel kuvvetten farklı bir yapısı vardı ve kütleçekimin kuantum kuramı bir türlü kurulamıyordu.
İlk önce elektromanyetik kuvvet (atomların yapısını ve ışığın davranışlarını açıklar) ile zayıf çekirdeksel kuvvet (parçacık bozunumlarını açıklar) birleştirildi. Daha sonra da elektrozayıf kuram, güçlü çekirdeksel kuvvetle (kuarkların bağlanışını açıklar) birleştirilerek, üç temel kuvvet bire düşürülebildi.
Her kuvvet farklı davrandığı için, bunların tek bir kuramda birleştirilmesi kolay bir iş değildi. Elektromanyetizma uzun menzilli, zayıf kuvvet kısa menzilli, güçlü kuvvet ise enerji yüksekse zayıf, enerji düşükse güçlü oluyordu. Tüm bu davranışların aslında tek bir şeyin farklı durumlardaki görünümleri olduğu anlaşılmıştı.
Elektrozayıf kuram, elektromanyetizma ile zayıf kuvveti birleştirerek, her ikisinin de sadece (erken evrende ya da parçacık hızlandırıcılarda rastlanan) çok yüksek enerjilerde bulunan tek bir etkileşim olduğunu ortaya koydu. Elektrozayıf ölçek adı verilen belli bir eşiğin üstünde bu iki kuvvet arasında fark yoktu. Enerji bu eşiğin altına düştüğünde ise birlik bozuluyor ve ortada iki ayrı kuvvet varmış gibi görünüyordu.
1970’lerin ortalarında, daha önce elektrozayıf kuramın yaptığı gibi, güçlü kuvvetin öngördüğü yeni parçacıkları kapsayacak BBK’lar geliştirildi. Aslında ilk BBK parçacık kütleleri arasında, fizikçilerin deneysel olarak algılanmadan önce ikinci en ağır parçacık hakkında öngörü yapmasını sağlayan bir ilişki ortaya koymuştu. California Üniversitesi’nden Mary Gaillard, alt kuark (İng. bottom quark) keşfedilmeden önce kütlesini hesapladıklarını hatırlıyor. Fermilab’daki fizikçiler bu parçacığı 1977 yılında keşfetti.
BBK’lar ayrıca protonların da daha hafif parçacıklara bozunması gerektiğini öngördü. Tek sorun şuydu: Deneylerde böyle bir bozunum görünmüyordu.
Proton Sorunu
BBK’lar, protonları oluşturan kuarklar da dahil, tüm kuarkların daha zayıf parçacıklara değişebileceğini öngörüyordu. Protonların, evrenin yaşından daha uzun ömürleri olan kararsız parçacıklar olduğu söyleniyordu. Böylesine nadir rastlanan proton bozunumunu gözlemleme şansını arttırmak için fizikçilerin atomlarla dolu dedektörler inşa etmesi gerekti.
Japonya’da yapılan ilk Kamiokande deneyinde hiç proton bozunumu gözlenememişti. Dolayısıyla protonların, ilk BBK’nın öngördüğü proton ömrünün de üstünde ömre sahip olabilecekleri düşünülmeye başlandı. Daha uzun proton ömrü öngören daha karmaşık BBK’lar oluşturuldu. Bu kuramlarda daha karmaşık etkileşimler ve ek parçacıklar bulunuyordu.
Modern BBK’ların çoğu süpersimetri ile buluşuyor. Süpersimetri (SÜSİ), uzayzamanın yapısına ilişkin bir kuram olup, parçacık fiziği ile derinden ve sıkı sıkıya bağlıdır. Standart Model’de bulunan üç etkileşimin (elektromanyetik, zayıf ve güçlü kuvvetlerin) gücünü ayarlamak için SÜSİ ek etkileşimler kullanır. Böylece BBK ölçeği olarak bilinen bir yüksek enerji düzeyinde bu kuvvetler birleşir.
“Süpersimetri, sanal kuantum etkilerinden ötürü proton bozunumuna ilişkin daha fazla parçacık verir,” diye anlatıyor fizikçi JoAnne Hewett. Bu da protonun ömrünü, önceki deneylerin sınayabileceğinin daha ötesine uzatmış oluyor. Yine de SÜSİ temelli BBK’ların bir takım sorunları var.
“Bu kuramlar karmakarışık,” diyor Gaillard. Örneğin bu kuramlar Higgs benzeri başka parçacıklar da öngörüyor ve bunların Standart Model’deki Higgs bozonundan farklı davranışları olabileceğini söylüyor. Bu nedenle, Gaillard ve diğer fizikçiler BBK’lara 1970’lerde ve 80’lerde olduğundan daha az ilgi gösteriyorlar. İşin en kötü yanı da henüz hiç süpersimetrik parçacığın bulunamamış olması.
Ellis şöyle değerlendiriyor: “Büyük Birleşik Kuram’a ilişkin temel felsefik itki orada durmaya devam ediyor; her zaman olduğu kadar önemli. Ben SÜSİ’yi ve BBK’ları seviyorum.” Hewett BBK’ların henüz ölmediği konusunda hemfikir. “Bir proton bozunumunun gözlemlenmesinin, tüm insanların dünya hakkındaki düşüncelerini etkileyeceğinden kesinlikle eminim. Herkes bizim protonlardan oluştuğumuzu anlayabilir ve hey, şu işe bakın ki onlar bozunuyor,” diyor.
Japonya’da yapılması planlanan Hyper-K ve ABD’deki DUNE deneyleri, proton bozunumu arayışını çok daha duyarlı bir şekilde gerçekleştirebilecek. Bozunan bir proton görmek, doğa kuvvetlerinin birleştirilmesi ve BBK’mıza güvenip güvenemeyeceğimiz konusunda çok önemli bir adım olacak.
Kaynak: Symmetry Magazine, “A GUT feeling about physics”
< http://www.symmetrymagazine.org/article/a-gut-feeling-about-physics >