Bilim ve Teknoloji Fizik ve Uzay Bilimleri

Higgs Bozonu

29 Mayıs 202112 Kasım 2021 admin 0 yorum cern, higgs bozonu, standart model

Higgs bozonu[1], parçacık fiziğinin standart modelinde yer alan temel parçacıklardan biridir. İlk kez 1960’larda var olduğu öne sürülen bu parçacığın gerçekten var olup olmadığı parçacık fiziğinin en temel sorusu olarak görülürdü. 2010’larda Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi’nde (CERN) yapılan deneyler sırasında özellikleri Higgs bozonuna benzeyen bir parçacığın gözlemlenmiştir. Sonra bu parçacığın var olduğunu öne süren araştırmacılardan ikisi, Peter Higgs ve François Englert, Nobel Fizik Ödülü’yle onurlandı.

Kütle çekimi dışında kalan üç temel etkileşimi (güçlü etkileşim, zayıf etkileşim ve elektromanyetik etkileşim) bir araya getiren kuram, parçacık fiziğinin standart modeli olarak anılıyor. Her ne kadar eksiklikleri olduğu düşünülse de standart model bugün pek çok fiziksel olguyu başarıyla açıklanmaktadır. Ancak kuram henüz geliştirilme aşamasındayken pek çok zorlukla karşılaştı. Özellikle elektromanyetik etkileşim ve zayıf etkileşimi bir araya getirme çabaları hep aynı noktada tıkanıyordu. Elektro zayıf kuramın arzu edilen simetrilere sahip olabilmesi için ya kütleli olduğu bilinen pek çok parçacığın kütlesiz olması ya da var olmayan kuvvetlerin ve kütlesiz parçacıkların kurama eklenmesi gerekiyordu. Bu önemli sorunun aşılması Nobel ödüllü fizikçi Yoichiro Nambu’nun simetri kırılması üzerine yaptığı çalışmalardan yararlanılarak mümkün oldu.

1964 yılında üç ayrı araştırma grubu neredeyse eşzamanlı olarak (önce ağustos ayında François Englert ve Robert Brout, sonra ekim ayında Peter Higgs, daha sonra kasım ayında Gerald Guralnik, Carl Hagen ve Tom Kibble) simetri kırılmasından yararlanarak kütleyle ilgili sorunların aşılabileceğini gösterdi. Araştırmacılara göre bugün Higgs alanı olarak anılan bir alan tüm uzayı kaplıyor ve çeşitli temel parçacıkların kütle kazanmasına sebep oluyordu. Takip eden yıllarda bu çalışmalardan yola çıkılarak tutarlı bir kuram oluştu. Her ne kadar bu yıllarda Higgs alanının varlığına dair deneysel bir veri yoktur. Buna rağmen fiziksel olguları tahmin etme konusundaki başarısı kuramın doğru olduğunu düşündürüyordu.

Temel Parçacığı Gözlemlemek

Higgs alanının varlığını doğrulamanın en basit yolu bu alandan kaynaklanan temel parçacığı (Higgs bozonunu) gözlemlemeye çalışmaktır. Ancak spini ya da elektrik yükü olmayan Higgs bozonu, çok kısa sürede bozunduğu için parçacık dedektörleriyle doğrudan belirlenemez. Deneyler sonucunda elde edilen veriler kullanılarak, meydana gelen süreçler sırasında Higgs bozonuna benzeyen bir parçacığın oluşup oluşmadığı tahmin edilmeye çalışıldı. Ayrıca Higgs bozonunun kütlesi standart model tarafından belirlenmeyen, deneylerle ölçülmesi gereken bir parametre olduğu için Higgs bozonunun hangi enerji aralığında aranması gerektiği de önceden bilinemez. Tüm bu zorluklar sebebiyle Higgs bozonunun varlığının doğrulanması ancak yıllar süren çalışmalar sonucunda mümkün oldu.

Higgs bozonuyla ilgili ilk deneyler 1990’larda CERN’de oldu. Sonuçlar, eğer böyle bir parçacık varsa kütlesinin 114,4 GeV/c²’den küçük olamayacağını gösteriyordu. Daha sonraları Tevatron’da yapılan deneyler, kütlenin 147-180 GeV/c² aralığında da olamayacağını gösterdi. Higgs bozonunun varlığına işaret eden ilk sonuçlar, 2010’larda CERN’de yapılan deneyler sırasında elde edildi. Araştırmacılar 2013 yılının Mart ayında kütlesi yaklaşık 125 GeV/c² olan bir parçacık gözlemlediklerini ve detaylı analizlerin bu parçacığın bir Higgs bozonu olduğunu gösterdiğini açıkladı.

Standart Model Nedir?

Doğada bilinen dört temel etkileşim vardır: kütleçekimi, elektromanyetik etkileşim, güçlü etkileşim ve zayıf etkileşim. Bunlardan ikisi (kütle çekimi ve elektromanyetik etkileşim) hepimizin günlük hayatta aşina olduğu etkileşimlerdir. Güçlü ve zayıf etkileşim ise atom altı ölçekte etkindir. Kuarkların[2] bir arada durarak parçacıklar oluşturmasını sağlayan güçlü kuvvettir. Zayıf kuvvet ise özellikle parçacıkların bozunma sürecinde etkindir. Bu dört etkileşimin üçünü (elektromanyetik, güçlü ve zayıf etkileşim) tek bir çatı altında bir araya getiren kurama standart model denir.

Standart model çok sayıda bilim insanının katkılarıyla 20. yüzyılın ikinci yarısında oluştu. Önce 1961’de Shelden Glashow elektromanyetik ve zayıf etkileşimleri birleştirmeyi başardı. Daha sonra 1967’de Steven Weinberg ve Abdus Salam parçacıklara kütle kazandıran Higgs mekanizmasını Glashow’un kuramı ile birleştirerek elektrozayıf kuramı bugünkü haline getirdi. Glashow, Weinberg ve Salam bu çalışmaları için 1979 yılında Nobel Fizik Ödülünü aldı. Güçlü etkileşim ise 1970’lerde kuarkların varlığının doğrulanmasından sonra pek çok bilim insanının katkılarıyla son halini aldı. Standart modelin yaptığı pek çok tahmin yıllar içinde doğrulandı. Örneğin 1995’te bulunan üst kuarkın ve 2000’de bulunan tau[3] nötrinosunun varlıkları standart model tarafından öngörülmüştü.

Standart model, çok başarılı ve kendi içinde tutarlı bir kuram olmasına rağmen hâlâ geliştirilmesi gerektiği düşünülüyor. Örneğin kütleçekiminin standart model ile nasıl birleştirileceği henüz bilinmiyor. Ayrıca neden madde miktarının antimadde miktarından fazla olduğunun açıklanabilmesi için de standart modelin genişletilmesi gerekebilir. Çünkü bilinen hiçbir mekanizma ile bu durumun nedenleri -en azından şimdilik- açıklanamıyor. Benzer bir durum karanlık madde problemi için de söz konusu. Karanlık maddenin kaynağı, henüz bilinmeyen ve standart modelde yer almayan parçacıklar olabilir.

Higgs Bozonu Nedir?

Higgs Bozonu, bir hikaye sonucu ve keyfi olarak popüler magazinde Tanrı Parçacığı ismini almıştır. Sadece fizikteki Standart Model adlı yapbozun bir parçasıdır. Ve maddenin temel ölçekteki yapısını açıklamayı amaçlayan, daha önceden öngörülmüş bir kavramdır.

Madde neden bir kütleye sahiptir? Diğer deyişle maddenin ne kadar ağır olacağına karar veren şey nedir? Bu sorular, bütün uzaya dağılmış Higgs Alanı’nın ve bu alanın aracısı ve bir kuantum parçacığı olan Higgs Bozonu ile cevaplanmıştır.

Eskiden beri böyle bir alanın olması sadece bir varsayımdan ibaretti. Fakat bugün Cern’deki modern araştırmalar sonucunda Higgs Bozonu’nun varlığı çok yüksek ölçüde doğrulanmıştır.

Parti Benzetmesi – Higgs Alanı İçin Basit Bir Açıklama

Bir miktar davetlisi olan bir parti alanı düşünelim. Misafirler geldiğinde parti alanının her tarafına yayılırlar ve eğlenirler. Benzer şekilde Higgs Alanı da uzayda her yere yayılmıştır. Şimdi popüler bir artistin parti alanına girdiğini düşünelim. Misafirler derhal bu ünlü artistin etrafına doğru koşuşacak ve artistin rahatça yürümesi imkansız hale gelecektir. Böylece artist, Misafir Alanı tarafından yavaşlatılmış olacaktır.

Şimdi, benzer yolla Higgs Alanı’na giren ve bozonların etrafını derhal sardığı elektron gibi bir parçacığı düşünelim. Higgs Alanı’na giren her parçacığın bu tarz bir etkileşimle yavaşlaması, o aşamada, alanda ona kütle kazandırılmasından dolayıdır. Higgs Alanı’nın parçacığın üzerine ne kadar yoğunlaştığına bağlı olarak ve yoğunlaşmayla orantılı şekilde parçacık kütle kazanmaktadır. Bu buluşla birlikte, etrafımızdaki şeylerin nasıl kütle kazandığını anlamış oluyoruz. Eğer Higgs Alanı olmasaydı, maddesel evrenimizi oluşturan maddenin dokusu var olamazdı.

Ayrıca foton gibi bazı parçacıkların Higgs alanıyla etkileşmemesidir. Bilimciler tarafından fotonun ve bu parçacıkların kütlesiz olma sebebi olabileceği yorumlanır.

Fermiyonlar, Bozonlar Ve Higgs

Parçacık Fiziği görünen evrendeki her şeyin sadece 12 parçacıktan oluştuğunu keşfetmiştir. 6 kuark (yukarı, aşağı, tılsım, dip, tuhaf) ve 6 lepton (elektron, elektron nötrinosu, müon, müon nötrinosu, tao, tao nötrinosu). Buna ek olarak, evrende sayıları gizemli şekilde az olan bir grup anti parçacık (aynı kütleli fakat farklı yüklü) da vardır. Atom çekirdeğini oluşturan proton ve nötronlar yukarı ve aşağı kuarklardan oluşur. Elektronlar sayesinde çeşitli atomların birbirlerine bağlanmasıyla çok daha kompleks yapıların oluşumu mümkünleşir. Maddenin dokusunu oluşturan tüm bu 12 parçacık fermiyonlar olarak adlandırılır.

Ayrıca kuark ve leptonlar evrenin yapı blokları gibidir. Çeşitli ölçeklerde ve doğanın 4 temel kuvveti (Gravitasyon, Güçlü, Zayıf ve Elektromagnetik kuvvet) sayesinde evreni tüm kompleksliğiyle oluştururlar. Gravitasyon hariç tüm bu kuvvetler, kendilerine aracılık eden bozon isimli ikinci grup parçacıklardan oluşur. Bozonlar birbirine çok bitişik şekilde büyük miktarlarda yığılma yeteneğine sahiptirler. Fotonlar, parçacıklar arasındaki elektromagnetik kuvvete, gluonlar da kuarklar arasındaki güçlü kuvvete, W ve Z bozonları ise zayıf kuvvete aracılık ederler.

Tüm bu bozonlar, ilgili alanlardaki kuantum uyarılmalarıdır. İlgili alanlar ufak bir dalgalanma gösterdiğinde bir bozon ortaya çıkar.

Higgs Bozonu Nasıl Üretilmiştir?

Higgs Bozonu da Higgs Alanı’nın uyarılmasıyla ortaya çıkar. Peter Higgs tarafından 1964’te teorik fizikteki kısmi bir problemi çözmek adına önerilmiştir. O zamanki teoriye göre elektromanyetik ve zayıf kuvvetin iş yapması için parçacıkların kütlesiz olması gerekiyordu fakat gerçekte kütleye sahiptiler. Bu yüzden Higgs mekanizması ve Higgs Alanı kavramı teorinin temel iskeletini korumak adına ve matematiksel metod yaratmak için önerilmiştir. Bu alanın çok düşük düzeyde uyarılması, teorik olarak Higgs bozonunun oluşumunu gerektiriyordu. Böylece bir şekilde Higgs Alanı ve bu alanla ilişkili olan Higgs Bozonu’nun varlığı teori tarafından öngörüldü. Sonuç olarak Higgs mekanizması elektromagnetik ve zayıf etkileşimi birleştirmede başarılı bir şekilde kullanıldı ve Standart Model’de evreni oluşturan parçacık ve kuvvetlerin hiyerarşisini bütünüyle açıklayan bir köşe taşı oldu.

Bu yüzden doğada Higgs Bozonu’nun buluşu, Standart Modeli onaylayacak yapbozun kalan tek önemli parçasıydı. 40 yıllık özenli araştırmalardan sonra, Cern’de Tevatron ve Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın uluslararası işbirliğiyle oluşturulması sonucu Higgs Bozon’unun keşfi yakın zamanda gerçekleştirilmiştir.

Nedir Bu Tanrı Parçacığı? (Higgs Bozonu)

İlk olarak bu parçacığa neden Tanrı parçacığı dendiğini açıklayalım. Higgs parçacığının varlığını Peter Higgs gençlik yıllarında öne sürmüştür. Ve oluşturduğu teori çok tutarlıdır ancak CERN gibi parçacık hızlandırıcılarda gözlemlenemez. Bu uzun yıllar boyunca böyle devam eder. Ve en sonunda Nobel ödüllü bir fizikçi bu konu hakkında bir kitap yazmaya karar verir. Ve kitabın başlangıcında ”Goddamn Particle” diye atıfta bulunur. Tespit edilmesinin zorluğuna gerçekte Türkçe karşılığı “Allah’ın belası’dır.”. Ancak bu günümüze “God Particle” yani tanrı parçacığı olarak gelmiştir.

Şimdi bu parçacığın nasıl tespit edildiğini bir kenara bırakalım. Ve kuantum alan teorisine yönelelim tabii tespit edilme işlemini daha sonra açıklayacağız.

Kuantum Alan Teorisi

Kuantum alan teorisi bizlere doğada parçacıkların olmadığını hatta kuantum fiziğinin mihenk taşlarından biri olan dalga-parçacık ikililiğindeki dalgalarında gerçekte var olmadıklarını söyler. Sadece evreni saran alanların gerçek olduğunu söylemektedir. Ve bu alanların uyarılmasına karşın ürettiğimiz enerjiye oranla bu alanları uyararak istediğimiz temel parçacığı yaratabileceğimizi söylüyor. Yani kısacası dalgalar yok, parçacıklar yok sadece bunların ait olduğu bütün evreni saran alanlar var. Enerjiyle alanların uyarılıp uyarılan alanlara istediğimiz parçacığı üretecek kadar enerji verirsek bu alanın o parçacığı üretebileceğini düşünebilirsiniz.

Higgs parçacığının tespit edilmesi çok zaman aldı. Çünkü bu parçacığı yaratmak için 126 Gev luk bir enerjiyle higgs alanını uyarmamız gerekiyordu. Ve bu 2012 yılında CERN Large Hadron Collider’da ışık hızının %99.9 una yakın hızlarda giden iki protonun çarpıştırılmasıyla gerçekleşti. Yeterli enerjiyi verirseniz daha fazla tanrı parçacığı üretebilirsiniz. Zaten bu deney 2012 yılında 7-8 tera elektron voltluk (TeV) bir enerjiyle gerçekleşti. Ve daha o zamanlardan fizikçiler 2015 yılında parçacık hızlandırıcısının enerji seviyesini 13 TeV’a çıkaracaklarını söylüyorlardı.

Higgs Alanı

Şimdi gelelim Higgs alanına ve bunun bizim evrenimizdeki önemini açılamaya:

higgs alanı bütün temel parçacıklara kütlelerini kazandıran mükemmel bir alandır. Bu alan olmasaydı elektronlar, kuarklar vb. parçacıklar kütlesiz olacaklardır. Bu da gezegenlerin, galaksilerin hatta evrenin oluşması için bir engel oluşturur. Şanslıyız ki evrenimizi tamamen saran görünmez alanlar var ve bunlardan birisi bize kütlemizi veriyor.

Peki higgs alanı bu parçacıklara kütlelerini nasıl veriyor? Çok ünlü birisi 100 kişinin bulunduğu bir salona giriyor. Ve ünlü olduğundan dolayı bütün dikkatler onda toplanıyor. Etraftaki kalabalık ona yaklaşıp imza almak fotoğraf çektirmek falan istiyor. Ancak bu ünlü arkadaşımız salonun bir ucundan diğer ucuna ulaşmak ve salondan çıkmak istiyor. Etrafı tamamen insanlarla çevrildiği için salonun içinde zor hareket eder. Ve bu ona kendisini daha kütleli hissettirir.

Bunu parçacıklarla tekrar canlandıralım. Odaya bir tuhaf kuark girdi ve hareket etmek istiyor. Ama etrafı higgs alanıyla çevrili olduğu için bir dirençle karşılaşıyor. Ve bu etki onun daha yavaş hareket etmesini ve daha ağır olmasını sağlıyor. Fakat başka bir odaya bu sefer üst kuark girerse higgs alanı bu parçacıkla çok daha fazla etkileşime girecektir. Ve daha fazla kütlesi varmış gibi hissettirecektir. Yani tuhaf kuarka bir odadaki sıradan bir dizi oyuncusu derseniz üst kuark Hollywood yıldızlarının en popüleri olur. Kısacası higgs alanı bu parçacıklara karşı bir direnç oluşturup kütlelerini bu yolla verir.

Peki neden Tanrı parçacığını keşfetmek bu kadar uzun bir süremizi aldı? Onu keşfetmek için gereken enerji miktarından dolayı 0.003 GeV/c*2 kadarlık bir enerjiye ihtiyacımız vardır. Veya elektronu oluşturmak için 0.000511 GeV/c*2 lik bir enerjiye ihtiyacımız vardır. Ancak higgs parçacığı-Tanrı parçacığı için higgs alanının 126 GeV/c*2 lik bir enerjiyle uyarılması gerekir. Bu da tespit edilmesini diğer parçacıklara göre olasılıksal olarak daha düşük yapar).

Şunu söylemeden de geçmeyelim temel anti parçacıklara da kütlelerini higgs alanı verir. Yani pozitronlar, antiprotonlar vb. hepsi higgs alanıyla etkileştiği için belirli bir kütleye sahiptir.

Standart Model

Yüksek Enerji Parçacık Fiziği maddeyi oluşturan temel parçacıkları ve onların birbirleriyle olan etkileşimlerini inceleyen alandır. Bu alanla ilgili bildiklerimizi zarafetle özetleyen Standart Modeldir. Üç gruba ayrılmış maddenin temel yapıtaşlarının birbirleriyle olan etkileşimlerini açıklar.

Elektromanyetik, zayıf ve güçlü kuvvetler değişim bozonları tarafından iletilirler. Ve korunum yasalarıyla ilintili bazı temel simetriler tarafından teoride ortaya çıkarlar. Sonsuz menzilli elektromanyetik kuvvet kütlesiz foton tarafından taşınır ve elektrik yükü korunur. Kısa menzilli güçlü kuvvet ise kütlesiz gluonlar tarafından taşınır. Bu kuvvetin olduğu etkileşimlerde renk yükü korunur.

Yüksek enerjilerde elektromanyetik kuvvet ile zayıf kuvvet, birleştirilmiş elektro zayıf kuvvet olarak tanımlanır. Kütleli W ve Z bozonları zayıf kuvvetin kısa menzilli yapısıyla uyumludur. Bizden gizlenmiş olan zayıf yük ise elektrik yükünden farklı olarak korunmaz.

Parçacıkların kütlelerinin çok küçük olması durumu, kütle çekimini diğer bu üç kuvvetin yanında ihmal edilebilir kılar.

Leptonlar

Leptonlar serbest parçacıklardır. Yüklü olmaları durumunda (e^–, μ^–, τ^–) hem elektromanyetik hem de zayıf kuvvetler vasıtasıyla etkileşiler. Nötr olurlarsa (nötrinolar: ν_e, ν_μ, ν_τ) sadece zayıf kuvvet yardımıyla etkileşiler. Kuarklar ise var olan bütün etkileşimlere duyarlıdır. Doğada serbest kuark gözlemlemek imkansızdır. Sadece, kuarkların bileşiminden oluşan ve en iyi bilinenleri proton ve nötron olan hadronları gözlemleyebiliyoruz.

Parçacıkların kütleli olmaları elektrozayıf simetriyi kıracaktır ve eldeki teoriyi öngörülemez kılmaktadır. Bunu durumu önlemek için, Higgs mekanizması boşluğu sadece zayıf yük taşıyan bir alanla doldurur. Ve simetriyi anlık olarak kırar. Zayıf yüke sahip parçacıklar Higgs alanıyla etkileşmelerinden dolayı yavaşlarlar. Ve bu etkileşimden kütle kazanırlar. Higgs bozonunun kütlesi, m_H, Higgs mekanizması tarafından öngörülememektedir.

Uzun zamandır beklenen Higgs bozonunun keşfedilmesi Temmuz 2012’de ATLAS ve CMS deneylerinin işbirliği ile açıklanmıştır. Higgs Bozonu yaklaşık 125 GeV’lik bir kütleye sahiptir.

CERN’deki bilim adamları Higgs bozonunun gerçekten Higgs mekanizması tarafından öngörülen özellikleri sağlayıp sağlamadığını üzerine hala çalışmaktadırlar. “Z-Yolunu” takip ederek tıpkı bilim adamlarının birkaç yıl önce bulduğu gibi Higgs bozonunu bulma fırsatına sahipsiniz!

[1] Bozon: Temel ya da tam veya sıfır spinli parçacık. Bütün kuvvet parçacıkları bozondur(spin 1). 0 spinli birçok parçacı biliniyordu ama Higgs bozonu 0 spinli tek temel parçacıktır.

[2] Kuark – antikuark : Kuvvetli etkileşimlere duyarlı parçacık ve antiparçacık. Kuarklar protonların ve nötronların temel unsurlarıdır. Toplamda altı kuark vardır; her biri iki kuarlık üç grup: birinci grupta yukarı ve aşağı kuarklar, ikinci kuarklar, ikinci grupm tılsım ve garip kuarklar ve üçüncü grupta üst ve alt kuarklar bulunur.

[3] Tau: Elektrona benzeyen ama kütlesi onun 3.500 katı olan temel parçacık.