Katalog

Yüzyılın Deneyi: Higgs Avı3 Prof. Dr. Z. Zekeriya Aydın (Ankara Üniversitesi) Y azı dizisinin ilk iki bölümünde; çarpışma ve saçılma deneyleri ile atomaltı dünyasının “görülmesi”, maddenin yapıtaşları, temel kuvvetleri taşıyan aravektör bozonlar, zayıf etkileşmelerin yerel ayar kuramı, kendiliğinden simetri bozulması ile parçacıkların kütleli hale gelmesi ve Standard Model incelenmişti. SÜPERSİMETRİ: Bu arada kısaca bu konuya da değineyim; çünkü CERN’deki Büyük Hadron Hızlandırıcısı’nda yapılan ölçümlerde Higgs parçacığının aranmasının yanısıra, süpersimetrik parçacıkların (kısaca, sparçacıkların) da arandığından söz ediliyor. Biraz önce, maddenin yapıtaşlarının fermiyonlar ve bozonlar olmak üzere iki tür olduğunu söyledik. Fermiyonlar ve bozonlar gerek katıhal fiziği ile atom ve çekirdek fiziğinde ve gerekse Standard Model’de çok farklı şekilde davranırlar. Ama daha tam ve temel bir kuramda bunlar arasında da bir simetri olmalıdır düşüncesi süpersimetriyi oluşturur. İşte bu kuramın denklemlerinde fermiyonlarla bozonlar uygun şekilde yer değiştirdiklerinde denklemler değişmemelidir. 1980’lerin başında sırf bu düşüncelerle ortaya atılan süpersimetrinin (yoksa, fizikte ortaya çıkan yeni tutarsızlıkları halletmek için değil), daha sonraları Higgs fiziğini çok daha doğal olarak verdiğini, Standard Model’deki hiyerarşi problemi denen çok ciddi bir sorunu çözüme götürdüğünü ve kütleçekimi dahil tüm etkileşmelerin birleşmesine yol açabileceğini söyleyebiliriz. Süpersimetri, Standard Model’in bilinen temel parçacıklar spektrumunu ikiye katlamaktadır; yani bildiğimiz her parçacığa bir süpereş eklemektedir. Kurulan Minimal Süpersimetrik Standard Model (MSSM)’de eklenen Higgs alanları kendiliğinden simetri bozulmasıyla temel fermiyonlara ve aravektör bozonlara kütle verdikten sonra, geriye hâlâ 5 tane Higgs bozonu kalmaktadır. limitler koyabilir. Örneğin, LEP Higgs bozonu kütlesine 114 GeV/c2’lik bir alt limit koymuştur; hassas elektrozayıf veriler (SLC, LEP ve Tevatron’dan) ise 144 GeV/c2’lik bir üst limit vermektedir. 2000 yılının son aylarında, LEP elektronpozitron çarpıştırıcısı, yerini LHC’ye bırakmak üzere, kapatılacakken, LEP deneycileri can havliyle deneylerinde ulaşabilecekleri en uç nokta olan 114 GeV/c2 kütlesinde yüksüz Higgs bozonu olabilecek sinyallerin gözlendiğini duyurup CERN yönetiminden istatistiğin iyileştirilmesi için 2001 yılında da veri alımının sürdürülmesini istediler!.. Ama yönetim, LHC’nin başlamasını erteler endişesiyle bu isteği geri çevirmiş ve böylece Higgs bozonunun bulunması LHC Hızlandırıcısına kalmıştı. CBT 1304/ 13 16 Mart 2012 1983’te CERN’deki hızlandırıcısında protonkarşıtproton çarpışmalarında W± ve Zº arabozonları, Standard Modelin öngördüğü kütlelerde gözlendi. Daha sonraları gene CERN’deki Büyük ElektronPozitron (LEP) Hızlandırıcısı’nda ve Stanford’daki Stanford Doğrusal Çarpıştırıcısı’nda (SLC), W± ve Zº arabozonları dahil, Model’in zayıf sektörünün tüm parametreleri büyük kesinlikle ölçüldü. Artık tüm deneylerin dünya ortalaması, kütleler için MW = 80,448 GeV/c2 ve MZ = 91, 187 GeV/c2 olarak bulunmuş durumda. Şikago’daki FERMILAB Hızlandırıcı Merkezi’nde 1994 yılında 1,8 TeV enerjili protonkarşıtproton çarpıştırıcısında altıncı kuark (tkuarkı) da 174 GeV/c2 devasa kütlesiyle keşfedilmişti. Standard Model’in tek bilinmeyeni olarak, artık sadece Higgs parçacığı kalmıştı. Standard Model Higgs parçacığının kütlesini öngörememektedir; bu kütle ancak modeldeki keyfi parametreler cinsinden verilmektedir. Dolayısıyla Higgs kütlesine ancak deneyler bazı alt ve üst STANDARD MODELİN DENEYLE SINANMASI LHC, Avrupa Hızlandırıcı Merkezi CERN’de yerin kabaca 100 metre altında 27 km. çevreli çembersel bir protonkarşıtproton çarpıştırıcısıdır. Yapımı on yılı aşan LHC, normal veri alımına ancak 2009 yılı ortalarında başlayabilmiştir. İki yıllık veri alımı ve analizi sonunda 14 Aralık 2011 günü, basının da katıldığı bir seminerde, Higgs bozonu ile ilgili çalışmaların son durumu hakkında bilgi verilmiş; ATLAS ve CMS deney gruplarının veri analizleri Higgs’in varlığı hakkında önemli ipuçları vermiş olsa da, bunun henüz bir keşif sayılamayacağı ifade edilmiştir. Higgs parçacığı çok kısa ömürlü bir parçacık olup, çok sayıda bozunma kanalına sahiptir. ATLAS ve CMS dedektörlerinde Higgs’in kendisi doğrudan görülemiyor, çünkü hemen bozunuyor. Her bozunum kanalında ortaya çıkması beklenen daha uzunca ömürlü ve/veya kararlı parçacıklar saptanmaya çalışılmakta ve bunlardan gerisin geri gidilerek Higgs kurulmaktadır. Her iki dedektörde şimdiye kadar yapılan veri analizleriyle Higgs kütlesinin 115 ile 130 GeV/c2 aralığına kısıtlandığı ve özellikle 124126 GeV/c2 civarında hatırı sayılır bir fazlalık saptandığı söyleniyor. Anlaşıldığı kadarıyla, istatistiksel olarak kesin bir sonuca varabilmek için daha fazla veriye gereksinim var; bunun da biriki yıl içinde elde edilebileceği sanılıyor. Mart 2012’de daha yüksekçe bir enerjiyle (8 TeV) tekrar veri almaya başlayacak olan LHC’nin Higgs’e duyarlılığı da yüzde 30 artmış olacaktır. Deneyden alınması gereken oldukça çok sayıda niceliğin var olmasına karşın, Standard Model, çekirdeğin iyice içlerinden mikroelektroniğe, nanoboyutlardan masa ve sandalyelere, ve hatta büyük ölçeklerde (genel görelilik ile birlikte) en uzak gökadaya kadar her yanıyla doğanın son derece de doğru bir anlatımını vermektedir. Buradaki olayların çoğu kuşkusuz klasiktir, ya da göreli olmayan kuantum mekaniği ile ifade edilebilirdir; fakat Standart Model’in, göreli kuantum mekaniğinin hüküm sürdüğü atom ve parçacık fiziğindeki deneylerle uyumunun şu ana kadarki kesinliği gerçekten şaşırtıcıdır. Bütün bu nedenlerle, ucu zaten görünmüş olan Higgs parçacığının önümüzdeki biriki yıl içinde LHC deneylerinde gözlenmesi artık çok sürpriz olmayacaktır. B Ü Y Ü K H A D R O N Ç A R PI Ş T I R I C I S I (LHC) Standard Model ötesi fizik, eğer varsa, LHC deneylerinde kendini gösterebilir. ATLAS ve CMS dedektörlerinde birden fazla Higgs bozonu ve bazı süperparçacıklar bulunabilir. Bu durumda, evrenin içeriği ve işleyişi hakkındaki bilgimiz birdenbire çok zenginleşir. En hafif süpereş (EHS) dışında, geri kalan süpereşlerin tümünün kararsız parçacıklar olması beklenir. Süpersimetrinin korunması nedeniyle, en hafif süpereşin bozunabileceği daha hafif parçacık yoktur; dolayısıyla sadece o kararlıdır. Bu da demektir ki, süpersimetri, evrende bozunmayan, yani tam kararlı olan fotonlara, elektronlara, nötrinolara ve protonlara yeni bir kararlı parçacık daha katmaktadır: EHS. “Karanlık madde” için müthiş iyi bir aday !.. Ayrıca, parçacıkların fermiyon ve bozon doğaları spinlerinden ileri geldiği için, spin ise uzayzamanı içeren kuantum kuramı ve özel görelilikle ilgili olduğu için, Süpersimetrik Standard Model’in kütleçekimiyle birleştirilmesi mümkün olur gibi görünmektedir. LHC halkasında dört ana deney var: ATLAS, CMS, ALICE ve LHCb deneyleri. İlk ikisinde, yukarıda ayrıntılarıyla betimlediğimiz Higgs parçacığı/parçacıkları ve süpersimetrik eşler aranmaktadır. ALICE dedektöründe, kafakafaya çarpıştırılan kurşun çekirdekleriyle evrenin Büyük Patlama’dan birkaç mikrosaniye sonraki koşulları oluşturulabilmektedir. Şimdiden on milyon derecenin üzerindeki sıcaklıklarda inanılmaz yoğun atomaltı ateştopları (mini Büyük Patlama’lar) gözlenmiştir; bu kuarkgluon plazmalarının özellikleri ALICE’de analiz edilmektedir. Büyük Patlama’da madde ve karşıtmadde eşit miktarlarda yaratılmalıdır. Madde karşıtmaddeyle karşılaştıkça enerjiye dönüşür. Fakat bir şekilde bir miktar madde arta kalmış olmalıdır ki bugünkü evrenimiz oluşmuştur. Karşıtmaddeye göre bu madde fazlalığı sırrının LHCb deneyinde çözülmesi beklenmektedir. Çok yüksek enerjilerde uzayzaman belki de dörtten daha fazla boyuta sahiptir. Bu fazladan boyutların LHC’de saptanabilme yolları ciddi ciddi tartışılmaktadır. Evrende gördüğümüz, tozlardan galaksilere kadar, her şey bildiğimiz yapıtaşlarından oluşmuştur; ama bu Evrenin ancak yüzde 4 kadarıdır. Geri kalan yüzde 96’sı henüz saptayamadığımız karanlık madde ve karanlık enerjidir. Buna bir adayın en hafif süpereş olabileceğini söyledik; bu aday ve (varsa) diğerleri LHC’de algılanabilir. Bitirirken şunu da belirtelim ki, LHC halkalarında protonlar ve kurşun çekirdekleri dolandırılmaya başlamadan önce, bu çarpışmalarda karadeliklerin oluşabileceği ve bunların dünyamızı yutabileceği söylentileri çıkmıştı. Aslında LHC’de bir karadeliğin oluşması olasılığı aşırı derecede düşüktür; ama oluşsa bile, Hawking’e göre, o da zaten, (karadeliğin yoğun kütleçekim alanında yaratılan parçacıkkarşıtparçacık çiftlerinden birinin yutulurken diğerinin sonsuza kaçmasıyla) buharlaşacaktır. Üstelik, dünya atmosferinde bu enerjilerde her gün milyonlarca çarpışma oluyor; şimdiye dek hiçbiri böyle bir felaket yaratmadı. KAYNAKLAR 1. A. U. Yılmazer, Bilim Ütopya Dergisi, Sayı 167, 2008. 2. G. ‘t Hooft, Maddenin Son Yapıtaşları,TÜBİTAK, Popüler Bilim Kitapları No. 128, 2000 3. Gordon Kane, Süpersimetri, TÜBİTAK, Popüler Bilim Kitapları No. 312, 2009. 4. Steven Weinberg, TÜBİTAK, Popüler Bilim Kitapları No. 161, 2002. LHC’DE STANDARD MODEL ÖTESİ FİZİK ve KOZMOLOJİ