CERN, LHC ve Standart Model Nedir?

0
187

Eminiz ki CERN, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, Standart Model gibi kavramları daha önce duymuşsunuzdur, belki de çok karmaşık gelmiştir ve okumaktan vazgeçmişsinizdir. Hiç duymamış da olabilirsiniz. İşte bu yazımızda “yeni fizik”i ele alacağız.

Bir taşın düşmesinden, galaksilerin spiral şeklini almasına; Güneş’imizin içindeki ısı iletiminden tüm kimyasal ve biyolojik olaylar, maddeyi oluşturan temel parçacıklar ve onların birbirleriyle etkileşimini sağlayan dört temel vardır (Kütleçekim Kuvveti, Elektromanyetik Kuvvet, Güçlü Nükleer Kuvvet, Zayıf Nükleer Kuvvet). Bunlar evrenimizin yapıtaşlarıdır. Bazı parçacık fizikçilerinin yegâne amacı bu kuvvet ve parçacıkların sırlarını çözmektir.

Bu konuda yapılmış dünyadaki en büyük tesis ve makine Büyük Hadron Çarpıştırıcısıdır. (LHC, İngilizce Large Hadron Collider). Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi (CERN) tarafından 1998 ve 2008 yılları arasına 100’ü aşkın ülkeden 10.000 bilim insanı ve mühendisin yanı sıra 100’ün üzerinde üniversite ve laboratuvarın katılımıyla inşa edilmiştir.

lhc-7060a56641c660ffd3e65c34735d3c0383488564-s800-c85

27 Kilometre uzunluğundaki tünelin bir bölümü.

Modern bilim tarihi boyunca yüzyıllardır maddeyi oluşturan bileşikleri anlamaya çalışıyoruz. 1789 yılında Antoine Lavoisier’nin 33 kimyasal element içeren listeyi yayımlamasından beri maddenin en temeline inme konusundaki araştırmalar hiç hız kesmedi. Eskiden hava, su gibi maddeler en temel zannediliyordu fakat bileşiklerden ve karışımlardan oluştukları ortaya çıkınca bilim dünyası bir hayli şaşırdı. Atomların da parçalanamaz olduğunu anlamak 100 yıldan uzun sürdü. 1897’de Thomson’ın elektronu, 1905’te Rutherford’un atom çekirdeği keşfi, ardından gelen onlarca farklı parçacığın keşfini tetikledi. Sürekli daha yüksek enerjilerde parçacıkları çarpıştırarak daha küçük yapılar aradık. Bu sırada atomaltı parçacıklar arasında kuvvet iletimini sağlayan daha farklı parçacıklar olduğunu gördük. Örnek vermek gerekirse, iki elektronun birbirini itmesini sağlayan şey, aralarındaki foton alışverişiydi. Bu kuvvetleri ve parçacıkları anladıkça elektronik transistörler icat ettik, gözle görünmeyen ışınları algılayan cihazlar yaptık, milimetrenin milyonda biri büyüklüğünde malzemeler tasarladık, milyarlarca ışık yılı uzaklıktaki karadeliklerin çarpışma şiddetlerini ölçtük ve bu keşiflerin daha nelerin önünü açtığının sonu yok.

Doğa yasalarını keşfettikleri matematiksel estetik, bilim insanları için oldukça ilgi çekiciydi. Bir hayli karmaşıklaşan işleri bile matematiksel denklemlerle ifade etmenin yollarını buldular. Her zaman bir çözüm yolu vardı; gezegenlerin kusursuz bir dairesel yörüngede değil de, eliptik yörüngede oldukları anlaşılınca Kepler denklemleri ortaya çıktı. Eliptik yörüngelerdeki anomali ortaya çıkınca da Einstein’ın genel göreliliği imdadımıza yetişti. Elektrik ve Manyetizma arasındaki karmaşık ilişkide fizikçiler adeta boğuluyorken Maxwell harika denklemleriyle ortaya çıkıverdi. 1905’te Einstein’ın fotoelektrik olayı açıklaması, 1928’de Dirac’ın anti-maddeyi öngörmesi, yüzlerce atomaltı parçacığın gözlenmesinin ardından tam bir keşmekeşe dönen parçacık fiziğinin 1960’larda Gell-Mann’ın kuark kuramıyla tam bir dinginliğe kavuşması benzer örneklerdir.

Öykü neredeyse aynı senaryoyla günümüze kadar ulaştı. CERN’de bugüne kadar yanına bile yaklaşılmamış ağırlıkta bir parçacığın keşfinin belirtileri görülüyor. Hidrojen atomundan 750 kat daha ağır bu gizemli parçacık kim bilir yanında nasıl sürprizler getiriyor! Hikâyeye öncelikle Einstein’ın hayaliyle başlayalım.

Standart Model

20160604_194752

Modern fiziği şekillendiren en önemli iki kuram, genel görelilik ve kuantum fiziği kuramıdır. Her iki kuramın doğmasında da Einstein’ın katkısı çok büyük. Einstein’ın amacı bu iki kuramdaki eksiklikleri tamamlamak ve aynı çatı altında toplamaktı. Ona göre, bir kavram yeterince basit bir dille anlatılamıyorsa henüz anlaşılmamış demekti. Bu yüzden tüm doğayı tek bir kuramla açıklamayı azmetmişti. Ömrünün son 30 yılını elektromanyetik kuvvet ile kütleçekim kuvvetini tek bir kuram ile açıklayacak bir yöntem arayışıyla geçirdi. Ama Einstein’ın bu hedefi kendi dönemi için henüz çok erken bir girişimdi. O öldüğünde bile doğadaki temel kuvvetler tam olarak bilinmiyordu. O öldükten yıllar sonra protonları ve nötronları bir arada tutan bambaşka bir kuvvet olduğu anlaşıldı. Bugün doğada dört temel kuvvet olduğunu biliyoruz. Belki de Einstein onları birleştirmeye yanlış yerden başlamıştı.

abdus-salam-steven-weinberg-sheldon-lee-glashow

Sırasıyla; Abdus Salam, Steven Weinberg ve Sheldon Glashow 

1960’larda Sheldon Glashow, Steven Weinberg ve Abdus Salam adlı üç fizikçi, Einstein’ın hayallerini süsleyen müthiş bir başarıya imza atarak bu dört temel kuvvetten ikisini aynı çatı altında birleştirebildi. Elektromanyetik kuvvet ile zayıf kuvvetin aslında aynı gerçekliğin iki yansıması olduğunu gösterdiler. Dikkat çeken nokta ise bunu laboratuvarda değil, kâğıt üzerinde, son derece zarif denklemlerle yapmış olmaları. Elektrozayıf etkileşim dedikleri bu yeni kuramın öngördüğü yeni parçacıklar vardı ve bu parçacıkların CERN’de keşfedilmesi yıllar aldı (W ve Z bozonları, 1983 ve Higgs bozonu 2012). Bu yeni yöntemin açtığı yoldan giden fizikçiler, doğadaki diğer bir kuvvet olan güçlü etkileşimi de benzer bir matematiksel dille ifade etmeyi başardılar ve neredeyse tüm parçacık fiziğinin izahının yapıldığı bu denklemler silsilesine Standart Model (SM) dediler. SM’nin son efsanevi başarısı 2012’de keşfedilen Higgs bozonu oldu ve bu devasa senfoninin son notası tamamlanmış oldu. Buna karşın fizikçiler devasa hızlandırıcılar bir kenara bırakmadılar. Hatta bunların kapasitelerini daha da yükseklere taşıdılar. Çünkü hâla doğada SM ile cevaplanamayan bir yığın soru var.

SM’ nin parçacık tablosunda ferminyolar (bildiğimiz maddeyi oluşturan parçacıklar, örneğin elektron, kuark) ve bozonlar (elektromanyetik, zayıf ve güçlü etkileşimi ileten parçacıklar, örneğin foton ve gluon) olmak üzere iki sınıf bulunuyor. Bunlardan bazıları kütlesiz, bazıları hafif, bazıları ise ağır parçacıklar. Tıpkı elektrik alandan etkilenmeyen nötrona yüksüz dediğimiz gibi, Higgs bozonuyla da etkileşime girmeyen foton ve gluon gibi parçacıklara da kütlesiz diyoruz.

lhc-underground

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın hızlandırma tünelleri. En geniş tünelin uzunluğu 27 km, her bir tünelin çapı 3,8 metredir. Point 1’ın altında yer alan tünel parçacıkları normalde olduğundan çok daha fazla hızlı hale getirir. Bu tünellerde parçacıkların hızı ışık hızının %99’una kadar çıkarılabiliyor. Fakat zaten kütlesi katlarca artmış parçacıklar daha da hızlandırılmak istenirse hızı değil, yalnızca kütlesi artıyor. 

Temel parçacıkları ayıran en önemli özelliklerden biri spin değeridir. Ferminyoların yarım spin, bozonların tam spin değerleri var. Spin deyince akla bir şeyin kendi etrafında dönmesi aklımıza gelse de, temel parçacıklar için sözkonusu olay farklıdır. Sadece bir benzetme olarak spin sözcüğü, parçacıkların bir iç özelliğini tarif etmek için kullanılır. Kuvvet taşıyıcı foton, gluon ve W, Z bozonlarının spin değerleri 1; elektron, muon, kuark ve nötrinoların spin değerleri 1/2’dir. Higgs bozonunun spin değeri ise sıfırdır.

SM’e göre elektromanyetik kuvvet yüklü iki parçacığın aralarındaki foton alışverişiyle, güçlü kuvvet kuarkların (dolayısıyla proton ve nötron gibi, kuarklardan oluşan parçacıkların) aralarındaki gluon alışverişiyle, zayıf kuvvet ize W ve Z bozonlarının alışverişiyle iletilir. Örneğin bir protonla elektron zayıf etkileşime girdiğinde W bozonu alışverişi yaparlar ve proton + elektron = nötron + nötrino tepkimesi oluşur. Kısaca proton ve elektron, nötrona dönüşür diyebiliriz. Dolayısıyla nükleer enerji dediğimiz şeyin kaynağı budur. Elektronla proton, foton alışverişi yaptığında ise birbirlerine çekim kuvveti uygular ki bu da bildiğimiz elektrostatik kuvvettir. Normalde birbirlerini itmesi gereken protonları bir arada tutan şey ise, birbirlerine çok yakınken aralarında gluon alışverişi ile gerçekleşen güçlü etkileşimdir.

Özetle SM harika bir resim ortaya koyar ve temel parçacıkların etkileşimlerini anlamamıza yardımcı olur. Ancak unutulmamalıdır ki, hâla açıklanmayı bekleyen çok şey var. ‘Her şeyin kuramı’ diyebileceğimiz bir kuram için daha çok yol kat edilmelidir.

garga1_11-98

CERN’de W ve Z bozonlarının keşfine kapı açan nötr akımının ilk gözlemlendiği fotoğraf, 1973 (üstte).

Deneysel Süreç

Deneysel verilerin ispatlanması çok hassas bir konudur. Bir çarpışma sırasında bir çok arka plan olayı gerçekleşir. Diyelim ki aynı anda yaratılan iki fotonun toplam enerjilerine bakıyorsunuz. Bu fotonlar bildiğiniz veya bilmediğiniz bir çok parçacıktan bozunmuş olabilir. Tüm çift fotonların enerjilerini bir grafiğe döktüğünüzde eğer bu fotonlardan bazıları özel bir parçacıktan bozunmuşsa, o foton foton çiftinin toplam enerjisi bozundukları parçacığın kütlesine eşittir. Eğer o parçacıktan çok sayıda üretmeyi başarmışsanız, grafikte tam da o parçacığın kütlesine eş değerde bir pik görürsünüz.

Ancak o görmek istediğiniz pik, arka plandaki olayların içinde kaybolabilir. Ya da arka plan olayları size istatistiksel bir oyun oynar ve minicik bir pik görerek normalde olmayan bir şeyi keşfettiğinizi sanırsınız. Bunun için bilimsel bir kesinlik sınırı vardır. 5 sigma kesinliği denen bu sınır, gördüğümüz pikin arka plan kaynaklı olma olasılığının 3,5 milyonda bir olmasıdır. Bu hemen hemen imkansız bir durum. Daha basit bir ifadeyle, zarı sekiz kez üst üste attığınızda her seferinde 6 gelmesi gibi bir durum. Ya da 22 kez yazı tura attığımızda her seferinde yazı gelme olasılığını düşünün.

CERN’de ise bu durum şuna karşılık geliyor: Deneyi 3,5 milyon yıl tekrarlasanız, biri hariç her seferinde o piki görseniz, pikin bir parçacığa işaret ettiğinden şüphe duyar mısınız?

CERN’de iki algılayıcı vardır. ATLAS ve CMS. Şimdilerde de 750 GeV kütleli bir parçacığa işaret eden bulgular mevcut. Henüz 5 sigmaya ulaşamasa da iki algılayıcının ortalaması alınınca 4 sigma gibi bir rakam ortaya çıkıyor ki bu epey heyecan verici.

750GeV ATSAL

ATLAS deneyinde duyurulan sonuç: Kırmızı çizgi arka plan olaylarını temsil ediyor. 750 GeV enerjide görülebilen pik, yeni bir parçacığa işaret ediyor. Bu veriler, protonlar 13 TeV enerjide çarpıştırıldığında, eşzamanlı ortaya çıkan çift fotonların izlenmesiyle elde edildi.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki çalışmalar, geçmişten günümüze evrenin temel yapıtaşlarını bulma çabası, bunların hepsi bir yazıya sığdırılabilecek şeyler değil. Eminim ki sizi de etkilemiştir. Peki ya bu alanda yapılan çalışmalar hakkında ne düşünüyorsunuz? Sizce bilim insanları tüm evreni tek bir kuramla açıklayabilecek mi?