Higgs parçacığı nedir?

© 2019 CERN (https://cds.cern.ch/record/2692545)

Medyascope/Bilim Akademisi işbirliğiyle gerçekleştirilen “Meraklısına Bilim” programından alıntıdır.

Fizik dendiğinde hepimizin aklına ilk gelen şey çok meşhur olan formül E=mc2. Bu nedir, niçin önemlidir, niye çığır açmıştır?

İlk önce CERN’ün yaptığı şeyin parçacık üretmek olduğunu belirtelim. Nasıl yeni parçacıklar üretiyoruz? Şöyle: E=mc2 diyoruz. Kütle ile enerji birbirine eşdeğer. Mesela şu odayı ısıtan enerjinin kütle karşılığı çok küçük. Dolayısıyla enerji ile kütle arasında büyük bir çarpan farkı var, bize göre ve normal şartlarda hiçbir zaman enerji kütleye, kütle enerjiye dönüşmezken, fizik kurallarına uygun olmak şartıyla olağanüstü şartlarda dönüşüyor. Dolayısıyla bizim CERN’de yaptığımız şey, proton dediğimiz parçacıkları alıp hızlandırmak. Öyle ki protonlara kütlelerin altı bin, yedi bin katı kadar enerji yüklüyoruz. Dolayısıyla o protonlar çok enerjili protonlar oluyorlar, çok hızlı gidiyorlar. Bunları alıp çarpıştırdığımız zaman o enerjiden yeni parçacıklar çıkabiliyor. Dolayısıyla bu çarpıştırma işi yeni parçacıkları üretmenin bir yolu.

Bunun Büyük Patlama’yla ne alakası var?

Bugün baktığımızda evrenin genişlediğini görüyoruz. Zamanda bunu geriye götürürsek bir noktada büyük bir patlama olmuş olması lazım, yani evrendeki tüm madde, enerjinin çok küçük bir hacimde olması lazım. Burada hacim derken şöyle düşünmeyin: Bir boşluk var, boşluğun ortasında küçük bir hacim! Öyle değil. Tüm evren orada, o küçük bir hacim. Dolayısıyla Einstein Genel Görelilik Teorisi’ne göre evren bir zamanlar çok küçük bir hacimdi ve o hacimde de çok yoğun madde vardı ve dolayısıyla sıcaklık çoktu. 

Şimdi bizim CERN’de yaptığımız şey şu: İki tane protonu çarpıştırdığımız zaman o proton boyutundaki bir yere altı bin katı enerjiyi koymuş oluyoruz ve dolayısıyla Büyük Patlama’ya biraz daha yaklaşıyoruz. Büyük Patlama’daki madde yoğunluğu, enerji yoğunluğu bugün etrafımıza baktığımızda yok elbette. CERN’deki çarpıştırma biraz daha yakın olmakla beraber o da kesinlikle Büyük Patlama’nın kendisi değil. Aslında Büyük Patlama’nın kendisinin nasıl olduğu bilinmiyor. Tam orada enerji yoğunluğu sonsuz oluyor bizim formüllerimizde ve o zaman fizik duruyor. Dolayısıyla CERN’de esas yaptığımız şey yeni parçacık üretmek. Parçacıklara, protonlara enerji yüklüyoruz ve bunları çarpıştırıyoruz.

Peki nedir bu proton?

Biliyoruz ki her madde atomlardan oluşur ve atomlar çok küçüktür. Ne kadar küçük? Benim gözle görebildiğim herhangi bir maddede, diyelim 100 gramlık, yarım kiloluk maddelerde trilyon kere trilyon kadar proton vardır, aşağı yukarı. Yani o kadar küçük.

Bu protonları bugün elde edebilmemiz de tabii ki birtakım tarihsel süreçlerin sonucudur. En basit şekliyle şöyle izah edeyim: Hidrojen atomunu aldık, bu atomun çekirdeğinde bir tane proton, bir de elektron var. Biri artı, biri eksi yüklü. Biz hidrojen atomuna çok büyük bir elektrik alan uygularsak proton ile elektronu birbirinden ayırırız, sonra da bu protonu alıp hızlandırırız. Önceleri bu iş bu şekilde, proton hızlandırıcılarıyla yapılıyordu, ama bu hızlandırma işini teknik olarak daha verimli yapmanın yolları keşfedildi, CERN’de böyle değil, başka biçimde yapılıyor şimdi.

Standart model, Higgs bozonu nedir?

Parçacık fiziği dediğimiz alan 1930’larda başlamıştır. Şöyle düşünebilirsiniz: Bir fizikçi yeni bir şey keşfetti diyelim. Bu yeni şeyle ne yapacak? Aynı bir çocuk gibi düşünün fizikçiyi. Küçük bir çocuğun eline herhangi bir şey, mesela bir telefonu versem çocuk telefonu vurmak ister bir yere. Bazen bizim de yapabildiğimiz tek şeyin bu olduğunu söyleyebilirim, başka ne yapacağımızı bilmediğimizden!

Protonlar var, tamam, elde ettim protonları. Ne yapacağım bunlarla? Bir şey yapamıyorum! 1930’larda demişler ki “Biz bunları birbirine çarpıştıralım.”

Çarpıştırdık, ne oldu?

Evet, bir şeyler oldu. “Acaba daha hızlı çarpıştırsak ne olur?” Bu merak işte! Bu merakın sonunda protonların kütle enerjisi hızlana hızlana bugün altı bin katına kadar geldi. Teorik olarak oradaki iki protonu çarpıştırdığımız zaman binlerce proton üretebiliriz yani. Bu kadar enerjimiz olabilir.

Hızlandırıcı kullanmaya başladıktan sonra da gördük ki sadece protonlar, nötronlar, elektronlar yok, maddeyi oluşturan çok parçacık var. Bunları birbiriyle çarpıştırdığımız zaman da pek çok yeni parçacık ortaya çıkıyor. Önceleri yüzlerceydi, bugün bine yakın parçacıktan bahsediyoruz. Bu bine yakın parçacığın hepsi kendi başına temel parçacık olabilir mi? Olamaz!

Bu kez neyi aramaya başladık? Bu parçacık acaba başka parçacıklardan oluşuyor mu? Bunu aradığımız zaman da şunu gördük: Aslında evet, oluşuyor. Yani temel parçacıklar, örneğin proton dediğimiz şey üç tane kuarktan oluşuyor. Başka kuarklar da var. Toplam altı cins kuark olduğunu ve elektron cinsi parçacığın da üç olduğunu bulduk. Bulduklarımızla parçacıkların nasıl etkileştiğine dair bir teori geliştirmeye çalıştık ve bu teoride büyük bir zorlukla karşılaştık. Parçacıkların niye kütleli olduğunu bilmiyorduk… Bu çok önemli bir şey! Biliyorsunuz kütle çok eski. Kütle çekim kanununu bulan Newton diyor ki kütleler birbirini çekiyor. Yer Ay’ı çekiyor, Güneş Yer’i çekiyor ve dolayısıyla bunlar böyle birbiri etrafında dolaşıyorlar. Kütleyi en ayrıntılı şekilde ilk kullanan fizikçi Newton; bütün bu kanunlarını yazmış ama kütlenin kendisi nedir, onu söylememiş.

Kütle neden ileri geliyor?

Mademki biz parçacık fizikçisiyiz, nereden anlıyoruz kütleyi?

Şuradan anlıyoruz: Buradaki kütle, içindeki atomların kütlesinden geliyor. Atomların kütlesi, protonların kütlesinden, protonların kütlesi kuarkların kütlesinden geliyor. Bir de elektronların kütlesi var, o çok küçük.

Kuarkların kütlesi nereden geliyor sorusuna geri dönelim. Bir teori geliştirdiğimiz zaman “bu kuarkların kütlesi var” diyerek, bunu teoriye koyabiliriz. Yani oraya bir sayı koyar, o sayıyla hesap yaparız. Ama gördük ki o zaman teori tutarsız oluyor ve sonsuzluklar veriyor. Anladık ki sonunda bunun doğru teorisini yapmamız için kuarkların kütlesiz olması lazım. Ama tabiatta kuarklar kütleli! Halbuki bizim teorimiz sadece kütlesiz kuarklarla çalışıyor. O zaman sorduk: Bu kuarkları nasıl kütleli yapabiliriz? Bunun yolu da teoriye yeni bir parçacık koymaktı, o da işte Higgs parçacığı denen şey. Yani bütün teoriye Higgs parçacığını koyduğumuz zaman buna standart model diyoruz…

Teorik olarak karşımıza Higgs parçacığı denen bir parçacık çıktı değil mi? CERN’de geliştirilen aletin son evresi Büyük Hadron Çarpıştırıcısı bu Higgs parçacığını bulmak için yapıldı. Bu Higgs parçacığının kütlesi 100 ile 1000 proton kütlesi arasındaydı. Yani teori bunun bize tam ne olduğunu söyleyemiyordu. Ama diyordu ki 100’den büyük, muhtemelen de 1000’den küçük olacak. Dolayısıyla bu aradaki kütleli parçacıkları ölçebilecek bir alet yapıldı. Onun için işte biz protonları kütlelerinin altı bin katı enerjiye hızlandıran bir alet yaptık. Ve CERN de sonunda bu Higgs par- çacığını buldu ve biz de kütlenin ne olduğunu böylece anlamış olduk. Şimdi bu çok önemli bir olgu. Niye çok önemli? Çünkü kütle, parçacık fiziği anladı kütleyi. Halbuki dünyanın kütlesi var, Güneş’in kütlesi var; kütle hep vardı yani. Ama parçacık fiziği dedi ki “kütle aslında yok, gibi!” Ne var onun yerine? Higgs parçacığı var. Higgs parçacığından dolayı kütle oluşuyor. Bu tabii çok önemli.

Metin Arık, Bilim Akademisi üyesi, Boğaziçi Üniversitesi, Fizik Bölümü.

Önceki İçerikTürkiye’nin büyüyen tarım sorunu: İklim değişikliği ve devlet
Sonraki İçerikMeraklısına Bilim – Salgınların matematiği
Avatar photo

Aslen Çankırılı olan Metin Arık, 21 Mart 1948’de Ankara’da dünyaya geldi. İlkokul öğretmeni olan Enise (Yenilmez) Arık ve piyade subayı Sadık Arık’ın üç çocuğundan en büyüğüdür. İlkokulu Bitlis, Şabanözü ve Nallıhan’da okudu. Kadıköy Anadolu Lisesi’nden 1965, İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü’nden 1969’da yıllarında mezun oldu. Yüksek Lisans (1970) ve Doktora (1974) derecelerini University of Pittsburgh’da tamamladı. Yayımlamış olduğu bini aşkın araştırma makalesi, Yüksek Enerji Fiziği, Matematiksel Fizik ve Kozmoloji alanlarını içeren geniş bir spektrumu kapsar. Bu makaleler yüzbinden fazla atıf almıştır. Doktora sonrası araştırmacı olarak Ohio State Üniversitesi’nde (1974), Brookhaven National Laboratory’de (1974-1976) ve University of London’da (1976-1979) çalıştı. Halen 1979’da Yardımcı Doçent olarak başladığı Boğaziçi Üniversitesi’nde Fizik Emeritus Profesörüdür. 1986-1992 yılları arasında İstanbul TeknikÜniversitesi’nde Matematik Profesörü olmuştur. Türkiye Bilimler Akademisi, Bilim Akademisi Derneği, Türk Fizik Derneği ve Türk Matematik Derneği üyesidir. 1996-2000 arasında Türk Fizik Derneği Başkanı ve 2006-2009 arasında Balkan Fizik Birliği Başkanı olarak görev yapmıştır.