12 Ağustos 2022, Cuma
01.07.2022 04:30

En ünlü parçacık Higgs'in 13.8 milyar yıllık öyküsü

Hatalı kullanımla "Tanrı Parçacığı" adıyla anılan Higgs Bozonu, öngörülmesinden 48 yıl sonra, 2012'de doğrulanabildi. Hemen herkes bu kavramı duymuş olsa da kimse kolay kolay ne olduğunu tarif edemez. İşte öncesiyle sonrasıyla o parçacık...

4 Temmuz 2022 geliyor! Yok, doğum günüm olduğundan söylemedim; Higgs Bozonu’nun keşfinin 10'uncu yılını kutlayacağız! Bilirsiniz, popüler medyada “Tanrı Parçacığı” adıyla popülerleştirilmiş olan, fiziğin şu meşhur konusu... Hikayesine birazdan yer vereceğim bu tuhaf isimlendirme bir yana, Higgs Bozonu’nun keşfi, bilimin geleceği öngörme gücünü destansı bir şekilde gösteren harika bir başarı! Buna rağmen hemen herkes “Tanrı Parçacığı” lafını öyle veya böyle duymuş olsa da kimse kolay kolay bunun ne olduğunu tarif edemez. Etmeye kalkanlar da büyük oranda hatalı bir şekilde, “maddeye kütlesini kazandıran parçacık” diyerek ezbere kaçar. Gelin, şu işin aslını bir öğrenelim.

Higgs Bozonu İsveçre'deki CERN laboratuvarındaki büyük hadron çarpıştırıcısı sayesinde bulundu.

Evren’deki her şeyi (en azından kütleçekim kuvveti hariç her şeyi), parçacıklar ve bunlar arasındaki etkileşimler olarak tarif etmek mümkün. Buna “Temel Parçacıkların Standart Modeli” veya kısaca “Standart Model” diyoruz.

Standart Model

Fiziğin kalbinde yer alan Standart Model’in 3 büyük ayağı var: Madde, anti-madde ve etkileşimler. Madde, belli bir kütleye, elektrik yüküne, spin ve renk gibi kuantum mekanik bazı niteliklere sahip olan şeylere verdiğimiz isim. Anti-madde, maddeyle her açıdan aynı olan ama sadece elektrik yükü zıt olan yapılar. Bunların birbiriyle etkileşimi sonucunda müthiş bir enerji saçılımı ve patlama yaşanıyor. Şu anda girmeyeceğim nedenlerle, Evren’in neredeyse tamamının maddeden oluştuğu ve çok az bir kısmının anti-madde içerdiği düşünülüyor.

Madde ve anti-maddeyi de iki ana gruba ayırıyoruz: Kuarklar ve leptonlar. Kuarkları, “atom altı parçacık” adıyla duymuş olabilirsiniz ama bunlar var olan tek atom altı parçacıklar değiller. Maddenin yapısına katılan 6 kuarkın da komik isimleri var: “yukarı”, “aşağı”, “tuhaf”, “cazibeli”, “üst” ve “alt”... Anti-maddeyi oluşturan kuarklar ise bu isimlerin başına “anti-” ön ekini alarak oluşuyorlar: “anti-yukarı” veya “anti-cazibeli” gibi...

Tüm bu parçacıklar maddeyi ve antimaddeyi oluşturmada kritik bir öneme sahipler. Mesela atom çekirdeğinde bulunan “proton” ve “nötron” sadece kuarklardan oluşuyor. Bir protonu oluşturmak için 2 “yukarı” ve 1 “aşağı” kuarka ihtiyacınız var. Nötron içinse 2 “aşağı” ve 1 “yukarı” kuarka... Bu kuarklar Güçlü Çekirdek Kuvveti denen bir kuvvet sayesinde birbirine yapışıyorlar ve bunlardan oluşan sisteme, içeriğine bağlı olarak “proton” veya “nötron” diyoruz.

Leptonlar ise kuarkların aksine, Güçlü Çekirdek Kuvveti’nden etkilenmeyen atom altı parçacıklar. Leptonların en meşhuru “elektron”. Proton ve nötronun aksine elektron, daha küçük parçalardan oluşmuyor (zaten elektron, protondan da nötrondan da aşırı küçük). Maddenin yapısına katılan diğer leptonlar muon, tau, elektron-nötrin, muon-nötrino ve tau-nötrino olarak isimlendiriliyor. Anti-maddenin yapısına katılan leptonlar da kuarklarda olduğu gibi “anti-” ön ekiyle türetiliyorlar: anti-müon veya elektron-antinötrino gibi (sadece elektronun antimadde karşılığı, tarihsel nedenlerle, “anti-elektron”dan ziyade, genelde “pozitron” olarak adlandırılıyor).

İşte bu 24 parçacık, Evren’deki bütün maddeyi, anti-maddeyi ve bu ikisinin yapısını izah etmekte kullanılabiliyor.

Ancak tabii Evren’de sadece “yapı” yok, bir de “davranışlar” var. Bu davranışların hepsi 4 temel kuvvete dayanıyor: Kütleçekim Kuvveti, Elektromanyetik Kuvvet, Güçlü Çekirdek Kuvveti ve Zayıf Çekirdek Kuvveti. İşte bu davranışları izah etmek için de Standart Model’in üçüncü ayağı gerekiyor: Etkileşimler. Bunlara “kuvvet taşıyıcılar” veya bilimsel adıyla “bozon” da deniyor.

Peter Higgs

İşte burada karşımıza ilk defa “bozon” sözcüğü çıktı. Kuşkusuz bu bozonların en meşhuru “foton”. Evet, ışığı oluşturan paketçikler aynı zamanda Standart Model’deki temel parçacıklardan biri. İlk etapta bunların “etkileşimler” veya “kuvvet taşıma” ile ilgisini göremeyebilirsiniz; örneğin fotonlar, Elektromanyetik Kuvveti taşıyan parçacıklar. Bunun haricinde Güçlü Çekirdek Kuvveti’ni taşıyan “gluon”lar, zayıf nükleer kuvveti taşıyan “W bozonu” ve “Z bozonu” var. Tüm bunlar, “vektör bozonları” olarak bilinen bir bozon grubunu temsil ediyor.

Biraz fizik bilenler “vektör”lerin (yani bir büyüklüğü ve yönü olan özelliklerin) olduğu yerde, “skaler” (yani bir büyüklüğü olan ama yönü olmayan) özellikler olacağını da kestirebilir. Bugüne kadar bu şekilde skaler olduğu bilinen tek bir bozon keşfedildi: Higgs Bozonu. Yani sözde “Tanrı Parçacığı”.

Adı nereden geliyor?

Bu temel parçacık fiziği girizgahından sonra şu meşhur takma adın nereden geldiğini de aradan çıkaralım: Higgs Bozonu’na karşılık gelen parçacığın varlığı, ta 1960’lı yıllarda çok sayıda bilim insanı tarafından öngörülmüştü. İşte o kişilerden biri de bozona sonradan adı verilecek olan Peter Higgs idi. Gerçi halen hayatta olan Peter Higgs, bozonu nadiren bu isimle anıyor. Genelde “skaler bozon” veya “insanların Higgs Bozonu dediği parçacık” gibi isimler kullanıyor. Bunun potansiyel bir nedeni, Higgs Bozonu’nun keşfine verilen 2013 Nobel Ödülü’nün yarattığı tartışmalar olabilir.

Nobel’i Peter Higgs ile François Englert aldı. Ama 1964'te Higgs mekanizmasını öngören 3 farklı makale yayınlanmıştı ve bunları toplamda 6 kişi yazmıştı. Sorun şu ki Nobel, kurallar gereği en fazla 3 kişi arasında paylaştırılabiliyor.

İşte Higgs Bozonu’nun belirgin bir şekilde öngörülmesinden ta 48 yıl sonra, ancak 2012 yılında doğrulanabilmesinin nedeni, doğada kolay kolay rastlanmıyor oluşu. Higgs Bozonu bir parçacık hızlandırıcısında yapılan çarpışma testlerinde nadiren (yaklaşık 10 milyar çarpışmada 1) oluşuyor ve oluştuktan sonra da müthiş bir hızla bozunuyor. Dahası, Higgs Bozonu’nun imzasını taşıyan başka türden etkileşimler de mümkün; yani bilim insanlarının, gözledikleri şeyin “Higgs Bozonu” olduğundan emin olması çok ama çok zordu.

İşte bu bulunması aşırı zor parçacığı bulmanın yollarından biri, giderek daha büyük parçacık hızlandırıcıların yapılmasıydı. Avrupa’nın parçacık hızlandırıcı konusundaki üstünlüğünü Amerika’ya taşımak isteyen Nobel Ödüllü teorik fizikçi (ve Fermilab’ın o zamanki direktörü) Leon Lederman, 1993 yılında The Goddamn Particle (yani “Tanrı’nın Belası Parçacık”) adını verdiği bir kitap yazdı. Ancak kitabı yayınlayacak olan Dell Yayınevi’nin editörleri, başlığı çok uzun ve tartışmalı buldular; çünkü “goddamn” sözcüğü, Hristiyanlar arasında bir günah olarak görülüyordu. Bu nedenle kitabın başlığı, biraz da yaratacağı sansasyondan faydalanma amacıyla “The God Particle” (yani “Tanrı Parçacığı”) olarak kısaltıldı.

Günümüzde bilim çevrelerinde bu isim kullanılmıyor, hatta kötü bir tercih olduğu, insanları yanlış yönlendirdiği ve abartılı bir iddiada bulunduğu için bilim iletişimine de zarar verdiği düşünülüyor. Ama olan oldu: Medya, Higgs Bozonu’nu “Tanrı Parçacığı” olarak halka pazarladı, satışlarını yaptı, bilimi kötüye kullanarak kârına kâr ekledi.

Ne olursa olsun, aradan geçen onlarca yıl ve harcanan milyarlarca dolardan sonra, nihayet Higgs Bozonu’nun keşfi 4 Temmuz 2012'de ilân edildi ve artık böyle bir bozon olduğunu biliyoruz. Higgs Bozonu “maddeye kütlesini kazandıran parçacık” olarak özetleniyor ama dediğim gibi bu tam olarak doğru değil. Bunu kavrayabilmek için öncelikle “fiziksel alan” kavramını anlamamız gerekiyor.

Fizikte bir “alan”, uzay-zaman dokusunu kaplayan bir niceliktir. Zaten yazı başında sözünü ettiğim “parçacıklar” da bu alanlar içinde meydana gelen dalgalanmalara verdiğimiz bir isim. Örneğin “foton” dediğimiz şeyin elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı olduğunu söyledim ama aslında “foton”, zaten elektromanyetik alanda meydana gelen dalgalanmaların ta kendisi! Yani elektromanyetik alan olmasaydı, “foton” diye de bir şey olamayacaktı.

Kütle güçle orantılı

Aynı şey Higgs Alanı için de geçerli. Higgs Bozonu, Higgs Alanı içinde yaşanan her türlü dalgalanmaya verilen bir isim. Diğer parçacıklar (ve hatta Higgs Bozonu’nun kendisi de), Higgs Alanı ile etkileştiğinde “kütle” dediğimiz özelliği kazanıyorlar. Bir parçacık bu alanla ne kadar güçlü bir şekilde etkileşiyorsa, o kadar büyük kütleye sahip oluyor.

Bu tanımdaki sorun şu: Eğer “madde” derken kastedilen, Standart Model’de sözünü ettiğim atom altı parçacıklarsa, evet, Higgs Bozonu (veya Higgs Alanı) onlara kütlesini kazandıran şey. Ama eğer “madde” derken kastedilen, atom altı parçacıkların bir araya gelmesiyle oluşan daha büyük yapılarsa (mesela “proton”), o zaman “maddeye kütlesini kazandıran parçacık” lafı hatalı oluyor.

Çünkü mesela protonların kütlesinin sadece yüzde 10’u Higgs mekanizmasından geliyor; geri kalan yüzde 90’ının Higgs Bozonu ile hiçbir alakası yok. Kütlenin bu ezici çoğunluğu, kuarkların, az önce sözünü ettiğim Güçlü Nükleer Kuvvet nedeniyle birbiriyle etkileşmesinden kaynaklanıyor.

Neden önemli, sırada ne var?

Higgs Bozonu’nun keşfinin ne kadar kritik olduğunu daha iyi anlamak isterseniz, şunu düşünün: Evren’in başlangıcında “Higgs Alanı” diye bir şey yoktu; dolayısıyla “kütle” de yoktu. Bütün parçacıklar ışık hızında savruluyordu. Ama Higgs Alanı oluştu, parçacıklar bu alanla etkileşmeye başladı ve böylece ilk kez kütle kazandılar. Bu ilk kütlenin kazanımı, artık ışık hızında gidememek anlamına geliyordu. Böylece bildiğimiz madde oluşabildi. Dolayısıyla yıldızların, gezegenlerin ve yaşamın varlığını Higgs Bozonu’nun bu etkisine borçluyuz.

Ama sadece bu da değil: Higgs Bozonu’nun Standart Model tarafından öngörülüp de onlarca yıl sonra bile olsa keşfedilebilmesi bilimin, özellikle de parçacık fiziğinin müthiş öngörü gücünün açık bir ispatı oldu. Yani medeniyetimizin bilime olan güvenini katlayarak artırdı. Ayrıca bu bozonun keşfi, kendisinden önce gelen alternatiflerden bir kısmını eleyerek, Evren’in yapısını ve dokusunu daha iyi anlayabilmemizi sağladı. Böylece insanlığı gerçeğe bir adım daha yaklaştırmış oldu.

Önümüzdeki yıllarda Higgs Bozonu, Evren’in yüzde 27’sini, Evren’deki kütleninse yüzde 85’ini oluşturan karanlık maddenin sırlarını aydınlatma konusunda da karşımıza çıkacak. Çünkü karanlık madde, Evren’deki kütlenin sadece yüzde 15’ini oluşturan “bildiğimiz madde” ile sadece kütleçekim yoluyla etkileşiyor – ve maddeye, özellikle de atom altı parçacıklara kütlesini kazandıran mekanizma Higgs Bozonu ise bu durumda karanlık maddeyi anlamak konusunda anahtarımız da Higgs Bozonu olabilir.

Hele ki Standart Model’in kütleçekimini hâlâ açıklayamadığı gerçeğini de düşünecek olursak, bu düğümü çözecek olan şey Higgs Bozonu olabilir. Eğer bu sırrı çözebilirsek, Her Şeyin Teorisi veya Büyük Birleşik Teori gibi isimlerle adlandırılan, Evren’in tamamını (her türlü maddeyi, enerjiyi ve etkileşimi) kâğıt üzerinde birkaç santimetre uzunluğunda bir denklemle açıklamamız mümkün olabilir. Ve belki de insanlığın gerçek doğum günü olacak olan o gün, gerçek bir kutlamayı hak edecek.