Catalog

Yüzyılın Deneyi: Higgs Avı1 Prof. Dr. Z. Zekeriya Aydın (Ankara Üniversitesi) S on aylarda dünya basınında (ve dolayısıyla Türk gazete ve dergilerinde de) sık sık “Yüzyılın Deneyi”, “Büyük Hadron Hızlandırıcısında Higgs Bozonu Avı”, “Tanrı Parçacığı Bulundu mu?”, “Kütlenin Sırrı mı Çözülüyor?” gibi haberlere rastlanıyor. Profesyonel fizikçi olmayan sıradan kişiler, bu meselenin ilginç bir konu olduğunu hissediyorlar, fakat içeriğini ve neye yarayacağını anlayamadıkları için merakları da sürüyor. Aslında, tam onların anlayabilecekleri türden açıklamalar yapmak zor; gene de bunu denemek gerekiyor – en azından konuya merak duyup bu konuları popüler düzeyde izleyenler için. Konunun uzmanı olmayanlar, bilimsel gelişmeleri izlemek istiyorlarsa, sürekli olarak popüler bilim kitapları okumalıdırlar. TÜBİTAK’ın Popüler Bilim Kitapları Dizisi arasında “İlk Üç Dakika”, “Fizik Yasaları Üzerine”, “Maddenin Son Yapıtaşları”, “Süpersimetri”, “Evrenin Zarafeti” ve “Evrenin Dokusu” ilk akla gelenler. Fizik, Kimya ve Biyoloji’yi içeren Temel Bilimlerdeki araştırmalar artık öyle bir düzeye çıktı ki, bunların birindeki araştırmaları diğerindekilerin anlaması bir yana, birindeki altdalların birbirlerini bile tam anlamaları zor. İşte bu noktada her daldaki popüler bilim kitaplarının önemi iyice ortaya çıkıyor. Bu arada, popüler kitap yazmanın çok zor bir iş olduğunu, yukarıda biriki örnek diye verdiğim popüler kitapların yazarlarının fizik ve kozmolojide hep öncü araştırmalar yapmış kişiler olduklarını belirtmekte yarar var. Fiziğin, en büyükten en küçüğe doğru, evrenin yapısını ve doğanın işleyiş yasalarını anlamayı amaç edindiğini herkes bilir. Evrenin her yerinde – çok dağınık da olsa – esas olarak madde var; madde deyince de aklımıza ilk olarak KÜTLE geliyor. Bu nedenle temel sorulardan biri, doğal olarak “Kütlenin kaynağı nedir?” sorusudur. Kütle kavramı, Newton’dan beri eylemsizlik kütlesi, gravitasyonel kütle, bunların eşdeğerliliği, özel görelilikte enerjikütle ilişkisi ve nihayet uzayzamanın eğriliği olarak 400 yıldır tartışılmaktadır. Bunlarla ilgili, popüler sayılabilecek çok ayrıntılı enfes bir yazıyı Ref. 1’de bulabilirsiniz Cenevre’de bulunan “Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi” CERN’deki “Büyük Hadron Hızlandırıcısı’nda (LHC) çalışan araştırıcılar, Aralık 2011’de, fizikte 1960’lardan beri kurulmakta olan Standart Model’in öngördüğü Higgs bozonu ile ilgili çalışmaların son durumu hakkında bilgiler verdiler; ama Higgs’in varlığına dair bazı ipuçları bulunmuş olsa da, henüz bir keşif yapılmış olmadığını belirttiler. Bu keşfin yapılması çok önemli. Çünkü Higgs parçacığı/parçacıkları gözlenirse, Standard Model tam olarak doğrulanmış; temel parçacıkların kütlelerinin ve dolayısıyla evrenimizdeki kütlenin kaynağı da anlaşılmış olacak!.. Bütün bunların ne demek olduğunu anlamak için, ta gerilere, 1960’lı yıllara gitmemiz gerekiyor. Temel Parça cıklar (ya da Yüksek Enerji) Fiziği, maddenin en altdüzeydeki yapısını anlamayı amaçlar; yani maddenin en temel yapıtaşlarının ve bu yapıtaşları arasındaki kuvvetlerin neler olduklarını. Kısacası “en küçüğün fiziği”ni… Doğada santimetrenin on katrilyonda birinin (10–13) altındaki boyutlara sahip yapıları incelemeye çalışır. Evrenin şu andaki çizgisel boyutu olan 1028 cm ile karşılaştırıldığında, madde içinde, evrenin tüm hacmine göre 10123 kez (evet, on üzeri yüz yirmi üç kez) daha küçük bir hacme bakmaya çalışıyoruz demektir !!!... Bunu ve benzeri her türlü karşılaştırmayı gözümüzde canlandırabilmek için, evrenimizdeki değişik büyüklükte olan sistemleri, bu sistemleri bir arada tutan kuvvetleri ve bunları görmek için kullanılan gözlem aletlerini, hiyerarşik bir sırada, tablo halinde vermekteyiz (Tablo 1). İçinde bulunduğumuz ve bir parçası olduğumuz doğanın NELERDEN YAPILDIĞI sorusu insan beynini öteden beri meşgul etmiştir. Bu soruya ilk yanıt, her şeyin ATEŞ, SU, HAVA ve TOPRAK’tan yapıldığını söyleyerek, Eski Yunan ve İyon filozoflarından gelmiştir. Bu gülünç teorinin kıymetli yanı, doğada gördüğümüz milyonlarca çeşit nesnenin çok az sayıda öğeden kurulmaya çalışılmasıdır. Hemen ardından, Democritos’un ilk atom teorisi gelmiş ve bu teori ancak iki bin yıl sonra bilimsel olarak doğrulanabilmiş, yani ancak 19. yüzyılda maddenin 92 cins farklı atomdan oluştuğu deneylerle anlaşılmıştır. Atomların boyutu santimetrenin yüz milyonda biri kadar, yani 0,1 nanometredir. Peki ama atomlar gerçekten iç yapısız kürecikler midir? Bunu anlamanın tek yolu, atomların içlerine “bakmak”, onların içlerini “görmek”tir. Ama bu nasıl yapılır? 20. yüzyılın hemen başlarında atomların bölünemez parçacıklar olmayıp, belirli bir iç yapıya sahip oldukları şöyle anlaşılmştır: Bazı maddelerin radyoaktif bozunumlarından ATOMUN İÇİNİ NASIL “GÖRÜYORUZ”? ortaya çıkan epeyce hızlı ve artı iki yüklü ?parçacıkları atom üzerine gönderilerek, bu ?parçacıklarının saçılmaları incelenmiş ve bazı ?parçacıklarının 180 dereceye kadar varan çok büyük açılarla saçıldıkları saptanmıştır. Bu deneyleri yorumlayan Rutherford, 1911 yılında, atomun artı yüklü protonlar ile eksi yüklü elektronların homojen dağılmış bir “çorbası” olmayıp, tüm artı yükün (yani, protonların) atomun merkezinde çok küçük bir bölgede toplandığı, eksi elektronların ise çok uzaklarda atomun kabuğunu oluşturduğu sonucuna varmıştır. Zira ?parçacıklarının çok büyük açılarla saçılabilmeleri için, gerçekten de çok şiddetli elektrik alanlarına gereksinim vardır; bu da ancak tüm protonların bir araya iyice sıkışmaları sonucunda elde edilebilir. Proton ve nötronların oluşturduğu bu çekirdeğin boyutu, atomun boyutunun yüz binde biri, ya da santimetrenin on trilyonda biri olarak alındığında, Rutherford saçılma deneylerinin sonuçları elde edilir. Böylece çok küçük boyutlu parçacıkların (atom ve atomaltı yapıtaşlarının) içlerini “görme”nin bir yolu bulunmuş oluyor: ÇARPIŞMA ve SAÇILMA DENEYLERİ. Bu deneylerde mermi parçacıklarının hızları (dolayısıyla enerjileri) ne kadar yüksek olursa, kuantum mekaniğinin temeli olan Heisenberg’in Kesinsizlik İlkesi uyarında, hedefin merkezine o kadar çok yaklaşabilirsiniz. 1930 başlarında ilk elektrostatik hızlandırıcıların ardından betatron, siklotron, sinkrotron, bevatron ve depolama halkaları gibi hızlandırıcı makinelerinin kurulması süreci, 1970’lerde çok yüksek enerjili yoğun elektron demetleri veren büyük hızlandırıcıların yapımına kadar geldi. Stanford Lineer Hızlandırıcı Merkezi, SLAC’da 22 GeV enerjili elektron demeti duran proton ve nötron hedeflere çarptırıldı; aynı şekilde, Hamburg’daki DESY hızlandırıcı merkezinde 30 GeV enerjili elektron demetiyle 820 GeV enerjili proton demeti kafa kafaya çarpıştırıldı. [ 1 GeV = 1 Gigaelektronvolt = 1 Milyar eV demektir; 1 eV = 1 elektron yükünün 1 voltluk gerilim altında kazandığı enerji olup, 1,6 x 10–19 Coul x 1 Volt = 1,6 x 10–19 joule = 1,6 x 10–12 erg’tir. E = m c2 bağıntısı uyarınca, eV/c2 ise kütle birimi olarak kullanılır; c = 1 birim sisteminde, eV hem kütle hem de enerji birimidir]. Yapılan bu Rutherfordtürü elektronproton ve elektronnötron saçılma deneylerinde bazı elektronların 180 dereceye kadar varan büyük açılarda saçıldıkları gözlendi. Böylece proton ve nötronun içinde bazı noktalarda aşırı şiddette elektrik alanları, dolayısıyla o noktalarda yoğun yük birikimleri olduğu anlaşıldı. Bu yük birikimleri proton ve nötronun da iç yapıları olduğuna, yani kuark adı verilen yapıtaşlarına karşılık geliyordu. 1974 ve daha sonraki yıllarda yapılan çok yüksek enerjili proton–proton, proton–karşıtproton ve elektron–pozitron çarpışma deneylerinde, yeni tür kuarkları içeren ağır parçacıklar (rezonanslar) keşfedildi. Bunlar yaratıldıktan sonra, 10–13 saniye kadar ya da daha kısa süre yaşayıp, daha kararlı parçacıklara bozunuyorlardı. 1. A. U. Yılmazer, Bilim Ütopya Dergisi, Sayı 167, 2008. CBT 1302/ 13 2 Mart 2012