- Ağustos 2, 2022
“Fiziğin Kutsal Kasesi” Higgs bozonu
Bilimin gerçek bir “Kutsal Kasesi” olan Higgs bozonu keşfinin 10. yıldönümü. Fakat bu parçacık tam olarak nedir ve neden bu kadar önemlidir? Keşfinden bu yana geçen on yılda bize ne öğretti? Daha da önemlisi, önümüzdeki on yılda bize ne öğretebilir?
Parçacık fiziğinin Standart Modeli, evrenin 12 temel madde parçacığından, dört kuvvet taşıyıcısından ve hepsini bir arada tutan son bir parçacık Higgs bozonundan oluştuğunu öngörür. Uzun bir süre boyunca Higgs bulmacanın son eksik parçasıydı. Bu bir problemdi çünkü onsuz resmin geri kalanı bir anlam ifade etmiyordu.
Varlığı ilk olarak 1960’larda adaşı Peter Higgs ve bağımsız olarak François Englert ve Robert Brout ekibi tarafından tanımlandı.
Fizikçiler, temel parçacıkların kütlelerini nasıl kazandıkları sorusunu yanıtlamak için çalışmalar yürütürken bunun, evreni kaplayan bir kuantum alanıyla etkileşime girdiklerinde meydana geldiğini hesapladı. Bu model, sözde Higgs alanının da kendi parçacığını meydana getireceğini öngördü ve Higgs bozonu kavramı doğdu.
Bunu tahmin etmek bir şeydi ama aslında onu bulmak başka bir şeydi. Model, Higgs bozonunun neredeyse anında diğer parçacıklara bozunacağını gösterdi ve bilim insanlarına onu gözlemlemek için çok küçük bir pencere verdi.
Daha da kötüsü, parçacığın kütlesi 10 ila 1.000 Gigaelektronvolt (GeV) arasında herhangi bir yerde olabilir. Bu nedenle, arama onlarca yıldır imkansız olarak kabul ediliyordu.
Fiziğin Kutsal Kase’si olan Higgs bozonunun tarihi
Teknolojinin nihayet yakaladığı 1980’lere kadar değildi. Fizikçiler, Higgs bozonlarının, parçacıkları yüksek hızlarda bir araya getirerek oluşturulabileceğini fark ettiler. Hızla yok olmalarına rağmen, Higgs’in bozunabileceği parçacıklar için ortaya çıkan parçacıklara bakarak imzaları tespit edilebilirdi.
Artan güçte çalışan bir dizi parçacık çarpıştırıcısına rağmen, Higgs bozonu önümüzdeki birkaç on yıl boyunca hala tespit edilebilmiş değildi. Her boş sonuç olası kütlelerin aralığını daraltmaya yardımcı oldu, böylece CERN’in Büyük Hadron Çarpıştırıcısının (LHC) ilk yıllarında 115 ile 130 GeV arasında küçüldü.
Dikkatler özellikle, LHC ekiplerinin Higgs bozonu ile uyumlu fazla sayıda olayı fark ettiği 125 GeV civarında odaklanmıştı. CERN, verilerin 2012’nin sonuna kadar “kesinlikle bir cevap vereceğini ” ve Higgs bozonunun varlığını ya da yokluğunu kesin olarak doğrulayacağını umuyordu.
Nihayetinde 4 Temmuz 2012’de parçacık fizikçileri Higgs bozonunun tarihi keşfini duyurdu. İki bağımsız CERN ekibinden alınan veriler aynı sonuca vardı.125.3 GeV civarında bir kütleye ve diğer Higgs benzeri özelliklere sahip yeni bir parçacık bulmuşlardı.
Daha sonraki deneyler, bunun uzun zamandır aranan Higgs bozonu olduğunu doğruladı ve orijinal teorik keşif için Peter Higgs ve François Englert’e 2013 Nobel Fizik Ödülü‘nü kazandırdı.
Duyuru o zaman kadar heyecan verici olsa da Higgs bozonunun o zamandan bu yana herhangi bir yeni fizik durumu ortaya çıkarmadığı için oldukça “sıkıcı” hale geldiği bildiriliyor.
Peki, keşfinden bu yana geçen on yılda neler oldu?
İlk birkaç yıl boyunca bilim insanları, Standart Model tarafından öngörülen tüm özelliklere sahip olup olmadığını kontrol etmek için yeni parçacığı inceledi. Örneğin, spininin sıfır olması ve parçacıklarla eşleşme şeklinin, karşıt parçacıklarla eşleşme şeklinin aynı olması gerekiyordu. Her ikisi de modelin beklediği gibi çıktı.
LHC deneyleri ayrıca Higgs bozonunun ana tahminlerinden birini, Standart Modeldeki diğer parçacıkların Higgs alanı ile etkileşime girerek kütlelerini kazandığını doğruladı. Bu da Higgs’in bazı temel kuvvetlerdeki rolünü doğruluyor. Örneğin Higgs bozonu olmasaydı, Güneş’e güç veren nükleer füzyon reaksiyonu gibi şeyler için yeni bir açıklamaya ihtiyacımız olurdu.
LHC’nin 2. çalışması sırasında yaklaşık sekiz milyon Higgs bozonu üretildi ve yakın zamanda bu verilere dayalı yeni çalışmalar yayınlandı. Bu, farklı süreçlerden ne sıklıkta üretildiğini, hangi diğer parçacıklara bozunduğunu ve ne sıklıkta olduğunu aynı zamanda diğer parçacıklarla etkileşimlerinin ne kadar güçlü olduğunu içerir. Bilim insanlarının yaptığı hemen hemen her deneyde Higgs, Standart Modelin tahminlerine uydu.
Gelecek 10 yıl
Şu ana kadar Standart Model ile oldukça dikkate değer bir anlaşmaya sahip olmasına rağmen, Higgs bozonunu daha ayrıntılı incelemek, bu çerçevenin ötesinde yatan fiziği çözme biletimiz olabilir.
Örneğin karanlık maddeyi ele alalım. Kanıtlar, bu gizemli maddenin evreni kapladığını ve güçlü yerçekimi etkisiyle galaksiler ve kümeler gibi yapıları bir arada tuttuğunu gösteriyor. Şimdiye kadar deneyler yoluyla doğrudan tespitten kaçınıldı, çünkü çoğunlukla karanlık madde normal madde ile nadiren etkileşime giriyor. Ancak Higgs bozonunun karanlık madde ile sonunda onu ışığa çekebilecek şekilde etkileşime girme şansı var.
Higgs’in yeni ölçümlerinin önerdiği bir başka garip bulmaca da evrenin göründüğü kadar istikrarlı olmayabileceğidir. Şu anda sahte vakum durumu olarak adlandırılan bir durumda mevcut olabilir, ancak her an evren veya onun büyük bölümleri aniden gerçek bir boşluk durumuna çökebilir. Bu, tüm maddeleri tamamen silebilir veya eğer şanslıysak, bunun yerine doğa yasalarını yeniden yazabilir.
Evrenin hala etrafta olması, diğer bilinmeyen güçler sayesinde, modellerimizin önerdiğinden daha kararlı olduğunu gösteriyor. Higgs bozonu bu güçleri ortaya çıkarmamıza yardımcı olabilir.
Ayrıca, kozmosun kendisini neden uzun zaman önce yok etmediğine dair uzun süredir devam eden başka bir gizem için yeni ipuçları sağlayabilir. Mevcut modellerimiz, Big Bang‘de madde ve antimaddenin eşit miktarlarda üretilmesi gerektiğini öne sürüyor. Ancak öyle olsaydı, milyarlarca yıl önce çarpışır ve her şeyi yok ederdi. Bu açıkça gerçekleşmedi, bu da bilinmeyen bir nedenden dolayı antimaddeden çok daha fazla maddenin yaratıldığını gösteriyor. Higgs, teraziyi lehimize neyin çevirdiğini bulmamıza yardımcı olabilir.
Bu derin soruların cevapları çok yakın olabilir. LHC Temmuz ayı başlarında, her zamankinden daha yüksek enerjilerde üçüncü seferine çıktı. 2029’da tesis, fiziği hiç olmadığı kadar derinleştirecek büyük bir teknolojik yükseltmeden sonra, Yüksek Parlaklıkta LHC (HL-LHC) olarak yeni bir hayata başlayacak. Higgs bozonu bu deneylerde merkezi bir figür olacak.