Higgs Bozonu

HİGGS BOZONU?

Diğer adıyla Tanrı Parçacığı! Bilim insanlarının başarısız olduğu bir kısım bu. İsimlendirme… Ama başarısız olduğu bir kısım daha var. Meraksız kalmak.

Yıllardır bilim insanlarının merakla akıllarında bir yönden bir yöne zıplayan bir soru vardı: Kütle nereden geliyordu?

Evet, bir cisme bakıp, “Bunun kütlesi vardır.” deriz. Kütle ise bir kuvvetten dolayı ivmelenmeye karşı dirençtir. Yani eylemsizliği vardır. Nasıl’ını anladık, peki Neden’ini neden anlayamıyoruz? Neden kütle olduğunu anlamamız lazım!

Kütle kazanmak aslında bir enerjinin bir maddeye dönüşmesi diyebiliriz. Enerjiye kütle kazandırırsın ve ta da, IKEA’dan aldığın mobilyalar karşına –belki- çıkıverir.

Peter Higgs çok ilginç bir fikir ile geliverdi ve “Diğer bütün parçacıklardan önce ortaya çıkmış gizemli bir parçacık. Diğer bütün parçacıkları bir arada tutuyordu ve bu parçacığın ömrü aşırı kısadır.” dedi Bu parçacığa “Higgs Bozonu” olarak adlandırdı. Tabi başka ne diyebilirdi ki?

Peki, bu Higgs Bozonu tam olarak neydi, tahmin ediyorum ki Higgs’in bu kavramı biraz kafa karıştırıcı.

Gelin örneklendirme yaparak gidelim.

Kendinizi birden bir bahçede buldunuz, kuşlar şarkı söylüyor, karıncalar ölümüne bir dünya savaşı veriyor ve o da ne! Çılgın saçlı ve deney gözlüklü bir adam çiçeklerin orada elinde el bombasıyla size bakıyor ve sinsice gülüyor. El bombasının pimini çektikten sonra el bombasını hızlıca havaya atıyor ve siz de bombanın düşüşüne bakıyorsunuz. (Bu deneyi evde denemeyin, bahçede de denemeyin) Bomba yere düşmeden birkaç saniye önce patlıyor ve etraftaki çiçeklerin hepsi yok oluyor ama bir tane çiçek, patlamanın dibinde olmasına rağmen sanki hiçbir şey olmamışçasına dimdik duruyor? Nasıl yani, Tanrı’nın çiçeği filan mı? Hayır, cevap basitti: Momentumu sıfırdı!

Şimdi biraz geçmişe, evrenin ilk 10^-43 saniyesine gidelim, Planck Zamanı’na.

Evren aşırı hızlı şekilde -ışık hızı desek yeridir- dönüyordur, tabi bu dönmenin nasıl bir şey olduğunu zavallı zihinlerimiz algılayamaz. (Evren çok boyutlu bir dönmeye sahip olduğundan hiçbir zaman da anlayamayacağız.) Basitçe size “dönmek” diyeceğim. Evren dönerken bir bakıma her yeri aynı anda, aynı spin ile döner ama aynı çiçek örneği gibi momentumun sıfır, bir bakıma da dönmenin olmadığı kısımlar da vardır.

1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1

(0 spinliler ve 1 spinliler, örnek)

Hayır, yukarıda gördüğün şey evrenin sırrını bilgisayar koduyla verilmiş hâli değil, bir örnek. 1’lere evrenle aynı anda dönen kısımlar, yani momentumu olan kısımlar diyelim; 0’a ise dönmenin olmadığı, yani momentumun SIFIR olduğu kısımları olarak gösterelim. Tabi bunlar Planck ölçeğinde olan şeyler. Bu sıfırlar, diğer bir deyişle “Higgs Alanları’nın” temsilcileridir. 1’ler ise hacmi, kütlesi olmayan “saf enerjiyi” temsil etmekte.

Düşünelim şimdi, momentumu olan hareketli bir cisim, duran bir cisme çarparsa ne olur? Yavaşlar tabi, bu deneyi evde de yapabilirsiniz. Elinize iki top alın, birini bir kenara koyun ve biraz uzaklaşarak diğer topa hızlandırarak ona doğru atın. Duran top, gelen toptan dolayısıyla momentum kazanacak ve hareketlenecek, diğer çarpan ise yavaşlayacak. (Bu deney, bomba deneyinden daha güvenlidir)

Şimdi bu bildiğimiz bilgiyi dönen, hareketliler (1) ve momentumu sıfır olan alanlar (0) üzerinde düşünelim.

Tahmin edeceğiniz gibi etkileşim sonucu yavaşlar:

0+1/2= 1/2

Gördüğünüz gibi 1 spinli bir alan Higgs Alanı sayesinde yavaşlar ve ona en başta da bahsettiğim ve ivmelenmeye karşı “direncin” kendisi olan Kütle kazanılmış olur. (Kısacası Higgs Alanı saf enerjiyi kütleye çeviriyor.)

Parçacıkların ½ spinli olma sebebi budur. İstediğiniz parçacığa bakın, hepsi ½ spin ile –veya katlarıyla, 3/2, 5/2…- döner. Ama mesela sorabilirsiniz: Bu Higgs Alanı’ndan etkilenmeyen bazı 1’ler, saf enerjili şeyler yok mudur?

Elbette, fotonlara bakabilirsiniz. Fotonun spinlerine(dönüşlerine) baktığımızda “1” olarak görürüz. Kendileri Higgs Alanı’yla bir etkileşimde bulunmamıştırlar, yani bir yavaşlama gerçekleşmemiş ve “kütle” kazanmamışlardır. Yavaşlama olmadığından ışık hızındadırlar, ışığın kütlesi de yoktur.

Evet, fermiyonlara ve leptonlara kütleyi nasıl kazandırdığını anladık. Peki, neden zayıf kuvvet bozonları olan W^–, W⁺ ve Z⁰ bozonlarında kütle vardı. Size ilginç bir gerçek söyleyeceğim, Higgs bozonu da bir bozondur, hatta Higgs alanının ortaya çıkmasında, daha doğrusu bir cevap olarak çıkmasındaki soru, evrenin ilk zamanlardaki Elektromanyetik kuvvet ile Zayıf nükleer kuvvetin bir ve doğal olarak “Elektrozayıf” olarak adlandırılıyor olmasıydı. Elektromanyetiğin kuvvet etki mesafesi sonsuzdu ama zayıf kuvvetin etki mesafesi sınırlıydı (ki adın da anlayacağınız üzere “zayıf” kuvvet) Bu zayıflığın sebebi W^–, W⁺ ve Z⁰bozonlarının kütleye sahip olmasıydı. Eğer foton ve zayıf kuvvet bozonları beraber bu yola adım atmışlarsa neden foton kütlesiz de zayıf kuvvet bozonları kütleliydi? Aralarındaki bu düzeni, bu “simetriyi” bozup da onları iki ayrı sevgili yapan neydi? Higgs ve ekibi bu sorunun üzerine yoğunlaştılar ve cevabın “kendiliğinden simetri bozulması” olacağını sundular. –ki bu sunuş neden zayıf ayar bozonlarının kütleleri olduğunu açıklayacaktı- Peki ne bu kendiliğinden simetri bozulması? Bir kalemi alın ve ucundan dik tutmaya çalışın, doğal olarak düşecektir ve “asimetrik” duruma geçecektir veya bir tepenin üzerine bir top koyarsanız eninde sonunda –ne kadar mükemmel olsa da- bazı özel mekanizmalardan dolayı düşecektir. Bu elektrozayıf zamanında simetrinin bozulup Zayıf kuvvet bozonlarına kütle kazanmasına sebebiyet olan şahıs Higgs Alanıydı. Bu simetri bozulması sonucunda arta kalan şey ise Higgs bozonundan başka bir şey değildi.

En basitçe özetlersek; bu elektrozayıf etkileşimleri açıklayan ayar teorisi, kendiliğinden simetri bozulması sonucunda olarak açıklanmış ve bu asimetri dolayısıyla da Zayıf kuvvet bozonları kütle kazanmıştır. Aynı 1 0 örneğine benzer olduğu gibi, sen evrendeki minik asimetriler sonucu varsın!

Sorulacak önemli bir soru da şu: Miktar nasıl ayarlanıyor, yani kabaca örnek verirsek; neden bazı parçacıkların kütleleri diğerinden daha fazla, neden eşit değiller ki?

Hiç pamuk şeker yediniz mi? Elbette yemişsinizdir, yemediyseniz de bir an önce yiyin. Hayat çok kısa. Peki, hiç pamuk şeker nasıl yapılır onu gördünüz mü? O pamuk şeker çubuğun etrafına dolanır ve güpgüzel bir pamuk şeker ortaya çıkar.

Şimdi yapmanız gereken şey o çubuk yerine Higgs Alanı’nı; biriken güzel pamuk şekerler yerine de evrenle etkileşime girmiş, Higgs Alanı’nın, evrenle aynı spin ile dönen saf enerjiyle etkileşimi sonucu yavaşlamış ve bunun sonucu kütle kazanmış 1/2’leri koyalım. Hayal edebileceğiniz gibi, kütle kazanmış ½ spinliler, Higgs Alanında toplaşır. Ne kadar fazla Higgs Alanı’yla etkileşim olursa, o parçacığın kütlesi doğal olarak daha fazladır ve hızı yavaştır; ne kadar az etkileşim olursa da o kadar az kütleye sahip ve yavaş diyebiliriz.

Böylece Higgs Alanı’nı oluşturan atomik ölçekte bile minicik kalan Higgs Bozon’ları evrenin temelini atıyordu. Etrafında toplananlar ilk kuarkları, ilk leptonları ve ilk protonları oluşturdu. Ne kadar ilginç değil mi? Tabi bu 1 ve 0 ile verdiğim örnek aşırı basite kaçıyor ama bu yakın tarihin en güzel ürününü anlamak için kullanabileceğim en iyi yöntem. Anlatmak istediğimi okura, yani bu yazıyı okuyan sizlere verebildiğimi varsayıyorum.

Şimdi kütlenin nasıl kazanıldığını, miktarının nasıl ayarlandığını ve neden parçacıkların ½ spin ile döndüğünü ve fotonların 1 spin ile döndüğünü anladık… Peki… Bu ½ spin tam olarak ne?

Açıklamak gerekirse parçacıklar yaptıkları dönüşlere göre davranışları değişir. Spin demelerinin sebebi bir açısal momentuma, uzayda bir yönü sahip olduğu ve manyetik alanla etkileşime girdiğinden dolayıdır. Hayır, tabi ki bir topaç gibi dönmüyorlar. Dediğim gibi açısal momentum vesaire gibi şeylerden anlıyoruz döndüğünü, çünkü dönen cisimler de bu özelliklere sahip. Bu dönmeyi hayal etmek baya zordur, çünkü küçüklerin dünyasındaki parçacıklar aynı şekilde birer dalgadır. Bu dalga daha çok bir alan gibidir. Bu alanı şöyle düşünün: Öğretmen sizi A sınıfındaki Ahmet’i çağırmak için görevlendirir. Siz sınıfa girmediğiniz sürece Ahmet’in nerede olduğunu bilemezsiniz. Arka sırada, ön sırada, tahtanın veya bir dolabın içinde ya da öğretmen masasın üstünde olabilir. Yani kısaca Ahmet o anda her yerdedir ama siz sınıfa girdiğinizde o her yerde olma durumu –simetri- bozulacak ve Ahmet’in nerede olduğunu göreceksiniz. Bunu elektrona uygulayalım. Elektron siz ölçmediğiniz ya da gözlemlemediğiniz sürece her yerdedir ve bir dalgadır ama gözlemlediğinizde hangi spinde olduğunu ve parçacık gibi davrandığını ölçebilirsiniz. (Elektron bir Ahmet değil ve elektronun nerede olduğunu bilemeyiz sadece ihtimaller vardır. Bu konuyu kuantum kısmında derince ve güzelce anlatacağım, şimdilik küçük bir örnek ile kafanızda şekillendirmek istiyorum.) Aynı şekilde daha demin anlattığım zayıf kuvvetlerin kütle kazanmasında da bu olay geçerli. Simetri bozuluyor ve Higgs alanı; Higgs Bozonu veya Higgs parçacığı olarak gözlemlenebiliyor.

Peki, ne kadar emindik? Higgs Bozonu’nundan bahsediyorum.

Higgs’in savunduğu bu Tanrı Parçacığı; kütlesi olmayan, aşırı küçük –öyle böyle değil, çok küçük- ömre sahip ve aşırı küçük parçacığın var olduğuna ne kadar emindik?

Bu “eminlik” arayışı öyle illet bir şeydi ki bu parçacığa “Goddamn Particle” çevirisiyle “Tanrı belası parçacık” dediler, sonra argo kullanımının yanlış olduğunu anlayarak “God Particle” “Tanrı parçacığı” olarak bıraktılar.

Bilim insanları bu parçacığı bulmaya öyle hevesliydiler ki koskoca obur devletleri milyonlarca para harcamaya ikna etmeyi başardılar ve milyarca dolarlık bir fon oluşturdular. Amaçları bu parçacığı bulmaktı. CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda, ATLAS adı verilen süper bir dedektör oluşturuldu. Ama öyle böyle büyük ve süper bir dedektör, anlatmaya sözler yetmez. Bu koskoca ATLAS’ın tek bir vazifesi vardı: O Tanrı belası parçacığı bulmak. 2012 yılında ise meyvesi verilmişti. Higgs Bozonu’yla ilgili ilk tutarlı kanıtlar gün yüzüne çıkmıştı. Üzerine yapılan onlarca çalışmadan sonra da 2013 yılında gerçekten Higgs Bozonu denen parçacığın varlığı kanıtlanmıştı. Ömrü aşırı kısaydı ama vardı.

Bilim insanları milyarlarca dolar harcanmış bu projenin sonucunun meyvesini süs olarak saklamayacaklardı tabi ki. Higgs Bozonu’nun enerjiyi kütleye çevirdiğini artık biliyoruz. Ya peki, Higgs Bozonu’nu manipüle etmenin bir yolunu bulabilseydik, elimizde ne olurdu?

Resmen sınırsız bir enerji kaynağı! Neden o obur devletler birden gözlerini Higgs Bozonu’na çevirdi zannediyorsunuz?

Eğer Higgs Bozonu’nun ve Higgs Alanı’nın doğasını kavrayabilirsek, manipüle edebilirsek… İşte, o zaman herhangi bir maddeden saf ve sınırsız enerji elde edilebilir. İşte Higgs Bozonu bu yüzden önemli. Evrenin en en en ilk saniyelerinde, yıllardır dillerimizden düşmeyen “kütleyi”, saf enerjiden elde etmiş bir alan, şu an sıkıntımız olan “enerji” problemini çözebilir gibi gözüküyor. Ama kim bilir belki de bu sınırsız enerji fikri felakete sürükleyebilir. Felaket ve Ütopya kapılarının önünde bekleyen ne bilim ne de diğer şeyler oldu. İnsanın kendisi onları kullandı ve kapıyı kendileri seçti. Bakalım Higgs Bozonu kullanarak, insanlık olarak hangi kapıyı seçeceğiz?