Nedir Bu Tanrı Parçacığı?

Evrenin başlangıcı kabul edilen Big Bang’den (Büyük Patlama) sadece saniyenin milyonda biri kadar süre sonra, ilk parçacıkların henüz hiçbir şeyin var olmadığı boşluğa saçıldığı kabul edilir. Salt enerjiden oluşan bu parçacıkların bir kütleleri yoktur. “Peki maddenin neden kütlesi vardır?”

Bu sorusunun kilit unsuru onlarak ilk kez 1960’lı yıllarda, parçacıklara kütle kazandıran bir mekanizmanın olduğu fikri ortaya atıldı. Peter W. Higgs adlı kuramsal fizikçinin parçacıkların kütlesinin kökenini açıkladığı çalışma ile ortaya çıkan bu varsayımsal mekanizmaya Higgs bozonu adı verildi. Peki her şeyden önce bozon neydi?

Standart Model

Yüzlerce yıldır maddelerin yapı taşlarını anlamaya çalışıyoruz, bu amaçla ilk kez 1970 yılında büyük ölçüde oluşturulan parçacık fiziğinin “Standart Model”ine göre bazı temel parçacıklar ve 4 temel kuvvetten meydana geliyor.

Bu 4 kuvvet: Çekim kuvveti, elektromanyetik kuvvet, güçlü ve zayıf çekirdek kuvvetleridir. Bahsettiğimiz temel parçacıklar ise fermiyon ve bozon olarak ikiye ayrılır. 12 adet fermiyondan 6 tanesi atom çekirdeğinin içinde bulunan proton ve nötronun yapıtaşı olan kuarklardır. Geriye kalan diğer 6 tanesi de leptonlar olarak adlandırılır. Bunlar elektron ve protonun nötrona dönüşmesi sırasında ortaya çıkan, ışık hızına yakın hızdaki elektron nötrinolarından oluşur.

Fermiyonların tersine, farklı bozonlar aynı kuantum konumunu işgal eder. Böylece, aynı enerjiye sahip bozonlar uzayda aynı mekanı işgal edebilirler. Bu nedenle her ne kadar parçacık fiziğinde her iki kavram arasındaki ayrım kesin belirgin değilse de, fermiyonlar genelde madde ile bileşikken, bozonlar sıklıkla güç taşıyıcı parçacıklardır.

Bozon, parçacık fiziğinde, Satyendra Nath Bose ve Einstein’nın ortak geliştiği kurama uyan; 0, 1, 2 gibi tam sayılı açısal momentuma sahip parçacıklardır. Zaman geçtikçe önemi anlaşılarak, toplum tarafından “Tanrı Parçacığı” adı verilen Higgs bozonu, parçacık fiziğinin standart modelindeki beş temel bozondan sadece biridir.

Standart Model’in Eksik Halkası

Elimizdeki en geçerli teori olan Standart Modelin, maddenin yapı taşı olan temel atomaltı parçacıkları ve bu parçacıkların birbiriyle olan etkileşimlerini açıklayan matematiksel bir modeldi ancak pek çok matematiksel hesaba göre yaptığı çıkarımlarda son derece başarılı olmasına rağmen, evrene saçılırken yalnızca enerjiden ibaret olan kimi atomaltı parçacıkların neden kütlesi olduğunu açıklayamıyordu.

Peter W. Higgs  tarafından tüm bu parçacıklara sahip oldukları kütleyi kazandıran bir mekanizmanın olduğu fikri ortaya atıldığında, Higgs bozonu Standart Modeli onaylayacak yapbozun kalan tek önemli parçası oldu.

Varsayımsal bir madde olan Higgs mekanizması elektromagnetik ve zayıf etkileşimi birleştirmede başarılı bir şekilde kullanıldı. Standart Model’de evreni oluşturan parçacık ve kuvvetlerin hiyerarşisini bütünüyle açıklayabilecek potansiyelde bir köşe taşıydı ancak bir türlü bulunamamıştı.

Teoriyle ilgili olası matematiksel açıklamalar yapılmış olsa da bilim insanları 45 yıl boyunca bu parçacığın izini sürdü. Ta ki CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı projesine kadar.

CERN’deki Arayış

Bilim adamlarının Higgs bozonunun varlığı hakkında çok güçlü savları oldukları halde bunu kanıtlamak kolay olmayacaktı. Çünkü Bozonlar, büyük patlama sonrasında açığa çıktıkları için artık mevcut değillerdi.

Bu nedenle büyük patlama olayını laboratuvar koşullarında canlandırabilmek için çok büyük bir düzenek oluşturuldu. 2000 yılında Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi’nde (CERN) yapılan ilk deneyde, bilim adamları ilk kez bozonu görüntülediklerini iddia etti. Ancak aynı koşullar altında tekrar aynı sonuçların elde edilebileceğinden emin olunması gerekiyordu.

Teknik ve finansal kaynağın edinilmesi yıllar sürdüğünden, deneyin ancak 2005 Temmuz’da tekrarlanabildi. Bu deneyde Higgs bozonu olma ihtimali bulunan 60 adet parçacık tespit edildi.

Higgs bozonunu gerçekten saptayabilmek için CERN’de İsviçre - Fransa sınırında, daha önce kullanılmış olan LEP tünelinde bir düzenek hazırlandı. Sözü geçen tünel yerin 100 metre altındaydı, uzunluğu 27 kilometre ve çapı 3,8 metreydi. 2008 yılında devreye giren proje, yüksek enerjili parçacık fiziği deneyleri yapılmasına imkân verecekti.

Tanrı Parçacığının 60 olası parçadan hangisi olduğunu bulmak için, büyük patlama yeniden canlandırlırken bu kez dairesel bir parçacık hızlandırıcısı - çarpıştırıcısı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nı (LHC) kullanılacaktı.  Ancak 2008 yılında ilk çalıştırıldığında arızalandı. Arızanın düzeltilmesinin ardından deneye ancak 2009 yılının sonunda dönülebildi.

LHC, teorik olarak öncelikle protonları, ardından kurşun (Pb) iyonlarını ışık hızına çok yakın bir hıza ulaştıracak sonra da deneylerin merkezlerinde çarpıştıracaktı. İki proton demetinin birbirlerine çok yakın ama aksi yönde dönmelerini sağlamak için ise süper iletken elektromıknatıslar kullanıldı.

Daha önce böyle bir deneyin sonuçlarının neler olabileceğini bilmeyen kesimlerce, çarpışmalar nedeniyle bazı mikro kara delikler oluşacağı zannedildi ve hatta gizemli cisimlerin dünyayı yok edeceği, solucan delikleri ile zamanda yolculuğun mümkün olabileceği düşünüldü. Bilim adamlarının aksi yönde açıklamalarına rağmen ünlü astrofizikçi Michael Gamabunta bile bu karadeliklerin büyüyerek dünyayı yok edeceğini söylemişti. Elbette bunların hiçbiri olmadı.  

3 yıl kadar süren deneyler sırasında çoğu kez başka atomaltı parçacıkları Higgs bozonu sanıldı ya da gerçek Higgs bozonunun keşfine çok yaklaşıldı. Aralık 2011’de yapılan deneylerin ardından, standart modelin eksik kalan parçasını tamamlayabilmek için çalışan 4000 fizikçi ve mühendis, somut kanıtları oldukları iddiasıyla Higgs bozonunu bulduklarını söylediler. Gerçek  2012 yılında 3 yıl boyunca elde edilen tüm verilerin incelenmesi ile anlaşıldı.

Bir parçacıkla etkileşime girdiği anda yok olan Higgs bozonu, CERN’deki bilim insanları tarafından, yok olduktan sonra ortaya çıkan mikro hareketle saptanabildi. Teoride Higgs bozonu ile aynı davranışı sergileyen parçacık, Tanrı parçacığı böylece bulunmuş oldu. 

Standart Model Tamamlandı

Higgs bozonunun bulunmasıyla hem 48 yıllık teori deneysel olarak da kanıtlanmış oldu, hem de 60’lı yıllarda ortaya attığı fikri ile Peter W. Higgs ve Belçikalı kuramsal fizikçi François Englert, 2013 yılı Nobel ödülünün sahibi oldu.

Higgs bozonunun bir diğer adı da ‘Higgs alanı’. Higgs mekanizması bu alanda gerçekleşiyor ve parçacık alandan geçerken etkileşime giriyor. Etkileşimin ardından alan ortadan kaybolurken, parçacık ise kütle kazanıyor. Bu kütle sayesinde atomlar oluşuyor ve nihayetinde biz oluşuyoruz.

Evrenin başlangıç koşullarında bir ‘süper simetri’ olduğuna inanılıyor. Bu simetrinin ancak Higgs bozonunun katkısıyla bozulabileceği düşünülüyor. Higgs bozonu olmasaydı, o zaman evrendeki varlığımızı açıklayacak, parçacıkların neden ve nasıl kütle sahibi olduğuna açıklık getirecek başka bir teoriye ihtiyaç duyacaktık.

Bu buluşun şu an için günlük hayatımızı nasıl etkileyeceğini tahmin etmek zor. Ancak 1897′de elektron keşfedildiğinde, elektronu bulmamızın o zamanlar ne işimize yarayacağını bilemiyorken bugün her gün kullandığımız elektronik cihazların olmadığı bir hayat düşünemiyoruz. Şu an bile evreni yapılandıran modelin temeli olan Tanrı parçacağı, gelecekte günlük hayatımıza girecek bir çok yeni teknolojinin kapısını aralayabilir.