Son birkaç yıldır bilim hayranıysanız, büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndan (LHC) ortaya çıkacak heyecan verici sonuçlardan haberdar olursunuz. 2012'de Higgs bozonu, kütle temel kütlenin verilmesinden sorumlu olan atom altı parçacık atomaltı parçacıklar.
Bugün, fizikçiler, Higgs destanına ekleyecekleri heyecan verici başka bir duyuruya sahipler: Higgs bozonlarının ilk maddeyi, bir anti-madde çifti alt kuarklarına çürüten ilk gözlemlerini yaptılar. Şaşırtıcı bir şekilde, Higgs bozonları en çok bu şekilde bozulur.
Yeni duyuru, teorik tahminler ile deneysel veriler arasında güçlü bir anlaşma olduğunu gösteriyor ki bu da Higgs bozonunun neden var olduğunu açıklamaya çalışan daha temel fiziğin fikirlerine sıkı kısıtlamalar getirebilir.
1960'larda araştırmacılar, elektromanyetizma gücü ile bazı radyoaktif bozunmalardan sorumlu olan zayıf nükleer kuvvet arasındaki bağlantıyı araştırıyorlardı. Her ne kadar iki kuvvet birbirinden farklı görünse de, ikisinin de artık elektro-kuvvet kuvveti olarak adlandırılan ortak ve daha temel bir güçten doğdukları ortaya çıktı.
Ancak, bir sorun vardı. Teorinin en basit tezahürü, tüm parçacıkların sıfır kütleye sahip olduğunu öngörmüştür. 1960'larda bile, fizikçiler atom altı parçacıkların kütleye sahip olduğunu biliyordu, bu da potansiyel olarak ölümcül bir kusurdu.
Birkaç bilim adamı grubu bu soruna bir çözüm önermiştir: Bir alan evrene nüfuz eder ve buna Higgs alanı denir. Temel atom altı parçacıklar bu alanla etkileşti ve bu etkileşim onlara kütlelerini verdi. [Higgs Boson'u Bulmanın 6 Sonuçları]
Alanın varlığı ayrıca, İsviçre'de Avrupa Nükleer Araştırma (CERN) Laboratuvarı'nda çalışan araştırmacılar tarafından 2012 yılında keşfedilen Higgs bosonu olarak adlandırılan bir atom altı parçacığın varlığını da ima etti. (Açıklama: Ben ilk keşif yanı sıra bugün duyuru yapan araştırma gruplarından biri üzerinde bir ortak çalışanıyım.) Higgs alanının tahminleri için, İngiliz fizikçi Peter Higgs ve Belçikalı fizikçi François Englert fizikte 2013 Nobel Ödülü paylaştı.
Higgs bozonları, neredeyse ışığın hızına hızlanan parçacık çiftleri arasındaki yüksek enerjili çarpışmalarda yapılır. Bu bozonlar çok uzun sürmez - sadece yaklaşık 10 ^ eksi 22 saniye. Bu yaşam süresine sahip, ışık hızında ilerleyen bir parçacık, bir atomun büyüklüğüne bir mesafe kat etmeden çok önce bozulur. Bu nedenle, Higgs bozonlarını doğrudan gözlemlemek imkansızdır. Bozulma ürünlerini gözlemlemek ve onları ana bozonun özelliklerini bulmak için kullanmak mümkündür.
Higgs bozonlarının bir kütlesi 125 gigaelectron volt (GeV) veya bir protondan 133 kat daha ağır olan bir kütleye sahiptir. İyileştirilmiş kuramdan hesaplamalar, Higgs'in aşağıdaki yüzdelerde aşağıdaki parçacıkların çiftlerine bosonsdecey olduğunu tahmin etmektedir: alt kuarklar (yüzde 58), W bozonu (yüzde 21), Z bozonu (yüzde 6), tau lepton (yüzde 2.6) ve fotonlar ( Yüzde 0,2). Daha egzotik konfigürasyonlar kalanı oluşturur. Bugünün duyurusunun önemli sonuçlarından biri, tahminin dipnotlar için doğru olduğunu doğrulamaktı. [Garip Kuarklar ve Muons, Aman Tanrım! Doğanın En Küçük Parçacıkları Disekte Edildi]
Fizikçiler, 2012 yılında Higgs bozonunun keşfini duyurduğunda, Z bozonlarına, W bozonlarına ve fotonlarına çürümelerine, ama dipnotlara değil, çürümelerine güveniyorlardı. Nedeni gerçekten çok basit: Bu çürümüş bozulmaları tanımlamak çok daha kolay.
LHC'de bulunan çarpışma enerjilerinde, Higgs bozonları her 1 milyarda bir çarpışmada yapılır. LHC'deki muazzam çarpışmalar, kuvvetli nükleer kuvvetin (en uzak) atom altı kuvvetlerin en güçlüsü olan etkileşimi ve atom çekirdeğini bir arada tutmaktan sorumludur.
Sorun, kuvvetli kuvveti içeren etkileşimlerde, alt kuarkların madde-antimadde çiftinin üretiminin oldukça yaygın olmasıdır. Böylelikle, Higgs bozonlarının alt kuarklara indirgenmesiyle dip kuarkların üretimi, daha sıradan işlemlerle yapılan alt kuark çiftleri tarafından tamamen harcanmıştır. Buna göre, Higgs bozonlarının çürümesi yoluyla alt kuarkların üretildiği olayları tanımlamak imkansızdır. Kübik zirkonya dolu 50 galonluk bir davulda tek bir elmas bulmaya çalışmak gibi.
Higgs bozonlarının alt kuarklara dönüştüğü çarpışmaları izole etmek zor ya da imkansız olduğu için, bilim adamlarının başka bir yaklaşıma ihtiyacı vardı. Bu yüzden araştırmacılar farklı bir olay sınıfı aradılar - bir Higgs bozonunun bir W veya Z bozonuyla aynı zamanda üretildiği çarpışmalar. Araştırmacılar bu sınıf çarpışmaları "ilişkili üretim" olarak adlandırıyorlar.
W ve Z bozonları zayıf nükleer kuvvete neden olmaktan sorumludur ve ayrı ve kolay tanımlanabilir şekillerde bozulabilirler. İlişkili üretim, non-termik Higgs üretiminden daha az sıklıkla meydana gelir, fakat W veya Z bozonlarının varlığı, araştırmacıların Higgs bozonu içeren olayları tanımlama becerilerini büyük ölçüde artırır. Higgs bozonunun ilişkili üretim tekniği, Şikago'nun hemen dışında bulunan Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'na öncülük etmiştir.Tesisin düşük enerjili parçacık hızlandırıcısı nedeniyle laboratuvar, Higgs bozonunu keşfettiğini iddia edemedi, ancak araştırmacıların bilgisi bugünün duyurusunda önemli bir rol oynadı.
LHC hızlandırıcısı, Higgs bozonlarını (Kompakt Muon Solenoidi (CMS) ve A Toroidal LHC Aparatı'nı (ATLAS) gözlemleyebilen iki büyük parçacık fiziği detektörüne ev sahipliği yapmaktadır. Bugün, her iki deneysel işbirliği, Higgs bozonlarının ilgili üretiminin gözlemlenmesini, Higgs bozonlarının belirli bir alt-kuvveti olan madde-antimadeni çiftine indirgemesini açıkladı.
Bu çürüme modunun basit gözlemi bilimsel bilginin önemli bir ilerlemesi olsa da, çok daha önemli bir sonuca sahiptir. 1964'te önerilen Higgs alanının daha temel bir fikir tarafından motive edilmediği ortaya çıkıyor. Subatomik partiküllerin davranışını, Band-Aid'in bir parçası olarak tanımlayan Standart Model'e eklenmiştir. (Higgs alanı önerilmeden önce, Standart Model kütlesiz parçacıkları önceden tahmin etmiştir. Higgs alanı Standart Modele ek olarak eklendikten sonra artık parçacıklar kütleye sahiptir.) Bu nedenle, bozunma olasılıklarının tahminlerini araştırmak çok önemlidir. Altta yatan bir teoriye bağlantı bulmak için Ve 1960'lı yıllardan beri geliştirilen ve belki de birden fazla Higgs bozonunun var olduğunu tahmin eden daha yeni ve kapsamlı teoriler var.
Bu nedenle, Higgs bozonlarının diğer parçacıklara dönüşme hızını anlamak ve öngörülen bozunma oranları ile karşılaştırmak çok önemlidir. Anlaşmayı açıklamanın en kolay yolu, öngörülen oranla bölünmüş gözlemlenen bozulma oranını rapor etmektir. İkisi arasında daha iyi bir anlaşma, 1'e yakın bir oran ortaya çıkaracaktır. CMS deneyi, tahmin edilen gözlemlenen oranların 1.04 artı veya eksi 0.20 olduğu ve ATLAS ölçümünün benzer olduğu (1.01 artı veya eksi 0.20). Bu etkileyici anlaşma, Higgs fenomenleri için daha temel bir kökene doğru bir yön göstermese de, mevcut teorinin bir zaferidir.
LHC Aralık ayı başlarında çalışmaya devam edecektir. Daha sonra yenileme ve yükseltme için iki yıl boyunca operasyonları durduracaktır. 2021 İlkbaharında, önemli ölçüde geliştirilmiş yeteneklere sahip operasyonlara devam edecektir. Hızlandırıcı ve dedektörlerin 2030'ların ortasından veri almaya devam etmeleri ve şimdiye kadar kaydedilmiş olandan 30 kat fazla veriyi kaydetmeleri bekleniyor. Bu veri artışı ve gelişmiş yeteneklerle, Higgs bozonunun hala anlatacak hikayeleri olması oldukça olasıdır.
Aslen Canlı Bilim'de yayınlandı.
Don Lincoln bu yazıya WordsSideKick.com’ın katkılarıyla katkıda bulundu. Uzman Sesler: Op-Ed & Insights.