Fiziğin Kutsal Kasesi: Higgs Bozonunun Kısa Tarihi

Bu ay, neredeyse 50 yıldır fark edilmeyen bilimin gerçek “Kutsal Kâsesi” olan Higgs bozonunun keşfinin 10. yıl dönümü. Ama bu parçacık nedir ve neden bu kadar önemli? Keşfinden bu yana geçen on yılda bize ne öğretti ve daha da önemlisi önümüzdeki on yılda bize ne öğretebilir?

Bu diyagram CERN’deki Higgs bozonu üretim sürecini göstermektedir. ATLAS işbirliği

Standart Parçacık Modeli, Evrenin 12 temel madde parçacığından, kuvvet etkileşimlerini taşıyan dört parçacıktan ve her şeyi birbirine bağlayan son parçacık olan Higgs bozonundan oluştuğunu öngörür. Uzun bir süre boyunca, Higgs yapbozun son eksik parçasıydı ve bu büyük bir problemdi çünkü onsuz resmin geri kalanı anlamsızdı.

Varlığı ilk olarak geçen yüzyılın 60’larında “adaşı” Peter Higgs ve bağımsız olarak François Engler ve Robert Brutus ekibi tarafından tahmin edildi. Fizikçiler, temel parçacıkların nasıl kütle kazandığı sorusuna cevap vermeye çalıştılar. Bunun, Evrenimize nüfuz eden kuantum alanıyla etkileşimlerinden kaynaklandığı sonucuna vardılar. Bu modele göre, sözde Higgs alanı da kendi parçacığına sahip olmalıdır. Higgs bozonu kavramı böyle doğdu.

Ancak, bunu tahmin etmek başka, tespit etmek başka bir şeydir. Modele göre, Higgs bozonu neredeyse anında diğer parçacıklara bozunur ve gözlemciler için çok küçük bir pencere bırakır. Ek olarak, teoride bir parçacığın kütlesi 10 ila 1.000 gigaelektronvolt (GeV) arasında değişebilir. Bu nedenle, onlarca yıldır Higgs parçacığını aramak imkansız bir görev olarak kabul edildi.

Açılış

CERN Genel Müdürü Rolf Heuer (solda), 4 Temmuz 2012’de Higgs bozonunun keşfinin duyurusu için François Engler ve Peter Higgs’i tebrik ediyor. CERN

1980’lere kadar teknolojinin nihayet yükselmeye başlaması değildi. Fizikçiler, yüksek enerjili parçacıklar çarpıştığında Higgs parçacıklarının oluştuğunu fark ettiler. Bozonların ömrü son derece kısa olsa da, imzaları Higgs’in bozunmasıyla üretilen parçacıkları inceleyerek belirlenebilir.

Her zamankinden daha büyük güçlerde çalışan bir dizi çarpıştırıcının yaratılması sayesinde bile, Higgs bozonu önümüzdeki birkaç on yıl boyunca fark edilmeden kaldı. Bununla birlikte, her başarısız deney, olası enerji aralığını daraltmaya yardımcı oldu, böylece CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısının (LHC) ilk çalışma yıllarında zaten 115-130 GeV’ye düşürüldü.

Özellikle dikkat, LHC bilim adamlarının Higgs bozonu teorisiyle tutarlı olan fazla sayıda olayı fark ettiği 125 GeV civarındaki bölgeye odaklandı. CERN, elde edilen verilerin 2012’nin sonuna kadar “bir cevap vermesi gerektiğini” umuyordu: Higgs bozonunun varlığını ya onaylayın ya da çürütün.

Gerçekten de 4 Temmuz 2012’de parçacık fizikçileri yeni bir parçacığın tarihi keşfini duyurdular. İki bağımsız CERN ekibinden, ATLAS ve CMS’den elde edilen veriler aynı sonuca vardılar – “yaklaşık 125.3 GeV kütleye sahip bir parçacık ve Higgs bozonunun karakteristik diğer birçok özelliğini buldular.”

Diğer deneyler de bunun uzun zamandır aranan Higgs bozonu olduğunu doğruladı. Bu keşif Peter Higgs ve François Englert’e 2013 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırdı.

Bununla birlikte, bu keşif o zamanlar ne kadar etkileyici olsa da, son zamanlarda Higgs bozonunun fizik için keşfi yeni bir şey getirmediği için o zamandan beri oldukça “sıkıcı” hale geldiğine dair artan bir konuşma var. Peki onun “doğumundan” bu yana geçen on yılda gerçekte ne oldu?

On yıl sonra…

Higgs bozonunun oluşumu ile Büyük Hadron Çarpıştırıcısında parçacık çarpışmasının modeli. ATLAS/CERN

İlk birkaç yıl boyunca bilim adamları, Standart Model tarafından öngörülen tüm özelliklere ne kadar iyi uyduğunu görmek için yeni parçacığı dikkatle incelediler. Örneğin, dönüşü sıfır olmalı ve diğer parçacıklarla etkileşim şekli, davranışını karşı parçacıklarla yansıtmalı. Ve ortaya çıktığı gibi, her iki durum da modelin beklentilerini karşıladı.

LHC’deki deneyler ayrıca Higgs bozonunun ana tahminlerinden birini doğruladı – diğer Standart Model parçacıklarının kütlelerini Higgs alanı ile etkileşime girerek elde ettikleri. Bu da Higgs’in bazı temel kuvvetlerdeki rolünü doğrular – örneğin, Higgs bozonu olmasaydı, Güneş’e güç veren nükleer füzyon reaksiyonu gibi şeyler için yeni bir açıklamaya ihtiyacımız olurdu.

LHC’nin çalışmasının ikinci aşamasında yaklaşık sekiz milyon Higgs bozonu üretildi ve ATLAS ve CMS yakın zamanda bu çalışmalara dayalı yeni veriler yayınladı. Çeşitli süreçler sonucunda ne sıklıkla doğduğu, hangi parçacıklara bozunduğu ve diğer parçacıklarla etkileşiminin ne kadar güçlü olduğu hakkında bilgiler içerir. Bilim adamlarının gerçekleştirdiği hemen hemen her deneyde, Higgs alan kuantumu, Standart Modelin tahminleriyle eşleşti.

Önümüzdeki on yıl

Büyük Hadron Çarpıştırıcısının 3 boyutlu görüntüsünün kesiti. CERN/Maxilien Brice

Standart Model ile oldukça etkileyici bir eşleşmeye rağmen, Higgs bozonuna daha yakından bakmak, bu kavramın ötesinde yatan fiziği çözme biletimiz olabilir.

Örneğin karanlık maddeyi ele alalım. Bu gizemli maddenin evrene nüfuz ettiğine ve güçlü yerçekimi etkileşimi nedeniyle galaksiler ve kümeler gibi yapıları bir arada tuttuğuna inanmak için sebepler var. Şimdiye kadar, deneysel olarak bulunamamıştır, çünkü esas olarak karanlık madde, sıradan madde ile nadiren etkileşime girer. Bununla birlikte, Higgs bozonunun karanlık madde ile etkileşime girme olasılığı, karanlık madde ile sıradan baryonik madde arasındaki, bildiğimiz gibi, sıfıra eğilimli olan etkileşim seviyesinden çok daha güçlüdür.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısının kompakt müon solenoidi (CMS) genel amaçlı temel parçacık detektörü. CERN

Yeni Higgs boyutlarını çevreleyen bir başka ilginç bilmece, evrenin ilk göründüğü kadar istikrarlı olmayabileceğidir. Şu anda, sözde sahte boşluk durumunda var olabilir, ancak her an Evren (veya çoğu) aniden mutlak bir boşluk durumuna çökebilir. Tüm maddeleri tamamen silebilir veya eğer şanslıysak, mevcut doğa yasalarını yeniden yazabilir.

Evrenin hala var olduğu gerçeği, bizim bilmediğimiz diğer kuvvetlerin etkisi nedeniyle, modellerimizin önerdiğinden daha kararlı olduğunu göstermektedir. Higgs bozonu bu tür kuvvetleri tespit etmeye yardımcı olabilir.

Ayrıca, kozmosun varlığının başlangıcında kendini neden yok etmediğine dair uzun süredir devam eden başka bir gizem için bazı ipuçları sağlayabilir. Mevcut modellerimiz, Big Bang’de madde ve antimaddenin eşit miktarlarda üretilmesi gerektiğini, ancak öyle olsaydı milyarlarca yıl önce çökmüş ve yok olurdu. Görünüşe göre bu gerçekleşmedi, bu da bilinmeyen bir nedenle antimaddeden biraz daha fazla maddenin yaratıldığını gösteriyor. Belki Higgs, teraziyi tam olarak lehimize neyin çevirdiğini anlamamıza yardımcı olabilir.

Higgs bozonunun adını taşıyan fizikçi Peter Higgs, 2008 yılında Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nı ziyaret ediyor. CERN/Maxilien Brice

Bu temel soruların cevapları yakın gelecekte bulunabilir. Temmuz ayının başlarında, LHC üçüncü kez ve önceki tüm deneylerin sonuçlarından çok daha yüksek enerjilerde başlatıldı. Ve 2029’da, büyük bir teknolojik yükseltmeden sonra tesis, bilim adamlarının fiziği hiç olmadığı kadar derinlemesine araştırmalarına yardımcı olacak Yüksek Parlaklıklı LHC (HL-LHC) olarak yeni bir hayata başlayacak. Ve Higgs bozonu bu deneylerde merkezi figür olacak.

Kaynaklar: CERN, Max Planck Enstitüsü, APS Fizik, The Conversation
bir. (
2. (
3. (
dört. (
5. (

Similar Posts

Leave a Reply

Your email address will not be published.