Bu yazımızda Higgs üzerine konuşacağız. Konunun fikir babası Peter Ware Higgs (d. 29 Mayıs 1929), kendisi Edinburg Üniversitesi’nden emekli olmuş, İngiliz teorik fizikçi ve ayrıca atom altı parçacıklar üzerine yaptığı çalışmalardan dolayı Nobel Fizik ödülü kazanmış bir bilim insanıdır.
Peter Ware Higgs ‘in çalışmalarına gelmeden önce son 30 yıldan beri sayısız deneyler sonucu doğrulanmış olan ve atom altı parçacıkları tarif etmek için kullanılan “Kuantum Alan Teorisi”ni Standart Modeli incelemekte fayda var. (Standart Modelde üç temel kuvvet incelenir; Elektromanyetik kuvvet, Zayıf nükleer etkileşim kuvveti (elektro-zayıf kuvvet) ve Güçlü nükleer etkileşim kuvvetti.) Standart Model elektronların, fotonların tanımlandığı Kuantum Elektrodinamiğini, kuarklar ve gluonların kuramı olarak bilinen Kuantum Kromodinamiğini tanımlar. Kuantum renk dinamiğine göre 6 değişik tipte kuark bulunur ve bu kuarklar değişik şekillerde etkileşimler yaparlar. Kuarklar, güçlü nükleer etkileşime aracılık eden bozon ve bir gluon şeklinde açığa çıkan güçlü nükleer etkileşim ile birlikte tutulabilirler. Murray Gell-Mann bilim grubu için Kuantum renk dinamiği teorisi olarak bilinen çalışmalar sonucunda 1969 yılında bilim adamı grubu Nobel Fizik Ödülü ile sonuçlanan çalışmalarının ödülünü alırlar. Kuantum renk dinamiği için “Cromo” Yunancada “renk” olarak bilinir. Yani renklerin birbiri ile etkileşmesi şeklinden gelir.[1] https://fizikhaber.com/atomun-rengi/ 03/07/2021 tarihinde Atomun rengi üzerine hocalarımla birlikte derlediğimiz makalemizde bulunuyor.
Bu aşamada konumuza geçebiliriz. 13 Haziran 2022 tarihinde https://fizikhaber.com/buyuk-birlesik-alan-teorisi-hakkinda-bir-yaklasim/ isimli yazımda konuya bir miktar değinmiştim. Bu makalem Higgs üzerine olacak.
1960’lı yıllarda elektro-zayıf teorisinin temel parçacıkların kütlesinin kökenini, W ve Z bozonlarına ait ayrıntıları ortaya koyabileceğini öne süren araştırmacı olan başta Peter Higgs olmak üzere birçok bilim insanı tarafından Higgs mekaniğini önerirler. Bu öneride yeni bir parçacık olan Higgs bozonunun varlığını öngörülmektedir. Peter Ware Higgs için Higgs bozonu üzerine yapılan çalışmalar, bilim insanı için en büyük fizik başarılarından biri olur. 4 Temmuz 2012 tarihinde CERN de deneysel olarak Higgs bozonu gibi bir bozonun bulunduğunu yayınlanır, araştırmanın dikkat çekici tarafı standart Higgs bozonu modeli için daha fazla çalışmaya ihtiyaçları olduğu duyuruluyordu. İndeks aramalarında 14 Mart 2013 tarihinde, sıfır spine ve pozitif eşliğe sahip bir parçacık keşfedildiğini biliyoruz. CERN LHC deneylerinde keşfedilen bir parçacık Higgs bozonuna ait iki ana destek notasını barındırıyor bunlar sıfır spin ve skaler parçacık olma durumu. Ve bilim tarihinde ilk kez doğada keşfedilen ilk skaler parçacık oluyordu. Yine indeskli arama sonucunda Physical Review Letters verilerinde 20 Mayıs 2014 tahinde [2] Higgs bozonu üzerine akademik bir makale yayımlandığını biliyoruz.
Higgs mekaniği genel olarak parçacık fiziğinin standart modelinin önemli bir bileşeni olarak kabul edilir. Higgs mekanikleri olmasaydı belirli parçacıkların kütlesiz olmasına neden olacağı bilgisi mevcuttur.
PEKİ NEDİR BU HIGGS ALANI ve HIGGS BOZONU?
Büyük Patlama Teorsine göre Büyük Patlamanın hemen ardından saniyenin milyonlarca kesit biriminde kozmik enflasyon denilen ışık hızından daha hızlı genişleme yaşandığı düşünülmektedir. Bu genişleme uzayda dalgalanmalara sebep olmuş olabileceği düşünülmekle birlikte açığa çıkan dalgalanmalar iki devasa kara deliğin çarpışması sonrası Dünyaya ulaşan dalgaların incelenmesi sonrası kütle çekim dalgaları teoriden ötede ilk kez keşfedilmiş oluyordu. Büyük Patlama ile Evrenin oluşumu esnasında ilk anlarda kütle çekim kuvveti ile Higgs Alanı da bulunur. Higgs Alanı parçacıklarla etkileşime girebilir ve onlara kütle kazandırabilir. Makalelerde Bilim İnsanları Higgs alanını direk keşfedemeyeceğimizi ifade etmelerine rağmen parçacık ile alan arasında aracı olan Higgs Bozonu keşfedilebileceğini düşünmekteyim. Atom altı parçacıklarda proton kütlesi yaklaşık olarak 1836 elektron kütlesi kadardır. Demek ki mikro kosmosta bu alt parçacıklara kütle kazandıran bir mekanizma var. İşte bu mekanizma yani atom altı parçacıkların kütle kazanmasını sağlayan şey Higgs alanıdır ve bu alanın skaler olması ile madde kütle kazanmaktadır. (Bir üst bölümde yazmıştım; 14 Mart 2013 tarihinde, sıfır spine ve pozitif eşliğe sahip bir parçacık keşfedildi. Bu parçacık Higgs bozonunun iki ana kriterini sağlıyordu ve doğada keşfedilen ilk skaler parçacık oldu).
Higgs Alanının Skaler olması negatif evrende var olan alanın SANAL PARÇACIKLARLA DOLU olduğu anlamına gelir. Bu noktada şunu söylemekte fayda var; Sanal parçacıkların sayı değerlerinin sonsuz olduğu düşünülmekte ve negatif evrende hiperyük alışverişi esnasında bu parçacıkların toplamında artma veya azalma eğilimi göstermeyeceği yönündedir. Bunu sağlayan bilinen tek parametre sıfır spin den kaynaklanır. Temel parçacık olan elektron Higgs alanı ile hiperyük kazanır ve Zayıf Nükleer Etkileşim Kuvveti ile etkileşime girer. Enerji korunumu yasası gereğince hiperyük toplamı da korunur. Elektron ve Higgs alanı hiperyük etkileşimi sonucunda yukarı ve aşağı spin değeri 1 – 1 = 0 olur, elde edilen bilgiye göre sıfır spini buluruz.
Bu aşamada önceki verilerden bildiğimiz; Kuarkların birleşerek Higgs üretebildikleri ve tersinir mekanizma ile Higgs bozonu tarafından kuark üretebildiği bilinmektedir. Yine elde edilen verilere göre; Atom altı parçacıklardan olan Baryonlar ve kuarklar Higgs Alanı ile güçlü etkileşime giren parçacıklar olarak karşımıza çıkarlar. Standart modelde en ağır alt parçacık üst kuraktır ve 1995 yılında Fermi Laboratuvarında keşfedilmiştir. Higgs parçacığı bir üst kuark ve bir alt kuark (anti üst kuark ta denilmektedir) üretebilmekte ve bu ikisi çarpışarak Higgs parçacığını oluşturmaktadır. Oluşum mekanizması çok hızlı olup femto saniye (1 femto saniye =10-18 s) gibi çok kısa zaman aralığında görülüp kaybolduğu için kendisine “Hayalet Parçacık” adını vermek yeridir, bilim insanları Tanrı Parçacığı demişlerdi. Kuantum fiziğinde bütün parçacıklar kendisiyle ilişkili olan enerji alanının içinde yüzerler bunu devasa bir okyanus gibi düşünürsek Higgs Bozonu, Higgs Okyanusu içinde yüzmektedir demek çok mümkündür.
Evet çok sade ve net anlaşılır olmadı biliyorum. Şimdi bir Alegori yapalım ve herkes kendi yaş aralığına göre çok sevdiği bir sanatçıyı düşünsün. 5 saniye zamanınız var. Örneğin … Şimdi sınıf ortamında ders dinliyoruz içeri bu sanatçılardan biri geliyor. Sınıfta sevinç çığlıkları avaz avaz, ders bitti. Tüm sınıf o sevilen sanatçının etrafını sarıyor. O sevilen sanatçı bu sevgi yumağından kurtulmak için bütün enerjisini kendisine sarılan severlerine pozitif enerji olarak aktarıyor ve bir anda enerjisi bitip yok oluyor. Enerji aktarımı Fizikte parçacıklara kütle kazandırmak, bitip yok olmak ise Higgs Parçacığının keşfedilememesi nedeni ile kendisine atfedilen Hayalet Parçacık terimine atfediyorum.
Geçtiğimiz günlerde öğrencilerin karşısına çıkan Fizik sorularından biri Higgs Bozonu üzerine idi. Güzel ve ilgi çekici bir soru tabi ki. Soruya göre hangi parçacık Higgs Bozonu ile etkileşip kütle kazanır? Cevap: Elektron ve Üst Kuark. Bu soruyu daha üst bir sınavda Temel Bilimler sorusu olarak bekliyordum.
Sevgili okur, sevgi ile kalın.
Dr. Fırat AKBALIK
Kaynak
1 http://www.physics.about.com/od/physicsqtot/g/quantumchromo.html
2 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.201801
