Fizik / Astrofizik Tüm Yazılar

“Tanrı Parçacığı” Higgs Bozonu Maddeye Nasıl Kütle Kazandırıyor?

Hazırlayan: Taylan Kasar
Facebooktwittergoogle_plusredditlinkedintumblrmail

Daha önce Higgs Bozonu’nun ne olduğuyla ilgili bir yazı yazmıştık. Bu yazıda da aynı biçimde matematiksel denklemlerden kaçınarak Higgs mekanizmasının nasıl işlediğini kabaca anlatacağız.

Yazımızda kullanılan bazı kavramlar yabancı gelebilir. Bunun nedeni modern fizik ile ilgili bahsettiğimiz bu konunun aslında koskoca bir sistemin içindeki çarklardan biri olmasından kaynaklanıyor.

1 – Fizikte sürekli adını duyduğumuz temel parçacıklar aslında Kuantum Alan Teorisi‘nde (QFD) tanımlanmış olan alanlarının uyarılmış ve dolayısıyla quantalaşmış halleridir. Örneğin; fotonlar elektromanyetik alan’ın uyarılmış bir hali, elektronlar -ve pozitronlar- elektron alanının uyarılmış hali, Higgs bozonları ise Higgs alanının uyarılmış bir halidir. Bu alanlar uzay ve zamanın bütün noktalarına yayılmış bir vaziyettedirler.

Uzay-zamana yayılmış bu alanlar uyarıldıkları noktalarda quantalaşıyorlar ve bu quantalara biz parçacık adını veriyoruz. Kuantum Alan Teorisi ile ilgili daha fazla bilgi için Kuantum Alan Teorisi nedir? adlı yazımızı okuyabilirsiniz.

Higgs

2 – Bu alanlar başka alanlarla kesişebilir, birleşebilirler. Yani bir alan ile başka bir alan birbirleriyle etkileşime girebilir. Örneğin Bremsstrahlung ışıması gibi olaylarda elektronlar fotonlara dönüşmekteler veya enerjilerinin bir kısmını foton olarak salmaktalar.

3 – Bu alanlar Higgs alanıyla da etkileşime girerler. Kendiliğinden Simetri Kırılması adı verilen bir sürecin sonucunda Higgs alanı iki bölüme ayrılır. İlk bölüm dinamik alan olarak kalır ve bu kısmın oluşturduğu quantalar Higgs bozonlarıdır.

Beklenen vakum değeri olarak da bilinen 2. bölümü ise sabittir ve Higgs alanının diğer alanlarla etkileşimini tanımlayan denklemler, 2.derecede bu alanların kendileriyle etkileşimini de tanımlayan denklemlere dönüşürler.

Özetle; bu olaya Kuantum Alan Teorisi’nde bir alana kütle kazandırmak denir. Dolayısıyla Higgs alanının beklenen vakum değeri, her bir alandaki kütle ile orantılıdır.

Özeti biraz açıp kavramlara açıklık getirirsek:

Bir alanın en düşük enerji seviyesinde olduğunu beklediğimiz seviyeye Beklenen vakum değeri denmekte. Evrendeki fiziksel sistemler her zaman en düşük enerji seviyesinde olmaya meğillilerdir diye genel bir doğa yasası var. Mesela atomun elektron yörüngelerine baktığımızda, ilk yörüngeye foton gönderip oradan bir elektron kopardığımızda, üst yörüngeden bir elektron hemen bu alt yörüngedeki boş kalan yere geçer, çünkü alt yörüngede daha az enerji ile varlığını sürdürebilmektedir. Alttaki yörüngeye geçerken bünyesinden bir foton saçar. Bu fotonun enerjisi, iki yörünge arasındaki enerji farkı kadardır. Her neyse; beklenen vakum değeri ile kuantum alanları sisteminin potansiyel enerji fonksyonları belirlenir. Yani alanın enerji seviyesinin değişim grafiği.

Higgs

Buna meksika şapkası deniliyor. 3 boyutlu bir grafik ve V ile gösterilen dikey boyut alandaki değerlere denk gelen potansiyel enerjiyi simgelemekte. Şapkanın ortasındaki potansiyel değerde olan Higgs Alanı (küre şeklinde gösteriliyor) bu sırada tamamiyle simetriktir. Nasıl döndürürseniz döndürün aynı şekilde gözükür. Fakat bu Higgs alanı etrafında daha düşük enerjiyle var olabileceği durum gördüğünde, ki grafikte şapkanın alt kısmına, yeşil çembere denk geliyor bu, o duruma geçiş yapar. Tepeden aşağıya iner ve böylece simetri bozulmuş olur. Bu olaya Kendiliğinden Simetri Kırılması deniliyor.

İkinci grafiğimizde Higgs alanı daha düşük olan potansiyel enerji seviyesine geçiş yapmış durumda ve simetri özelliği böylece kayboldu. İlk grafikte Higgs alanını temsil eden küre döndüğünde bir şey değişmiyordu fakat ikinci grafikte dönerken şapkanın içinde halka çizmekte. Yani simetrik değil, sürekli değişiyor görüntü. Burada biraz matematiksel gösterim gerekiyor.

gêeϕ diye bir etkileşimimiz olsun. g=birleşme sabiti, e=elektron, ê=anti-elektron, ϕ=higgs alanı diyelim.

Higgs alanı daha düşük potansiyele yani beklenen vakum değerine geldiğinde kendisini ikiye ayırabiliriz. ϕ=v+H (higgs alanı=beklenen vakum değeri+yeni alan) (Bunu 4’ü ikiye bölüp 4=2+2 diye göstermek olarak düşünebilirsiniz. ilk önce simetrik olan 4 vardı, daha düşük enerjiye geçiş yapıp 2 oldu fakat fazladan bir 2 daha var geçiş yaptığı sırada kaybettiği)O zaman etkileşimimiz şu halde gösterilir.

gêeϕ = gêev + gêeH (eşitliğin sol tarafındaki ϕ ikiye ayrıldığı için sağ tarafta iki birimi de topluyoruz basitçe)

Şimdi bu denklemi yorumlamak gerekirse. Sol tarafta ϕ ile gösterilen simetrik Higgs Alanımız var. Bu alan daha düşük enerji seviyesine geçiş yaptı ve buna beklenen vakum değeri demekteyiz, denklemin sağ tarafındaki ilk eşitlikte v harfi bunu simgeliyor. Sağ tarataki ikinci eşitlikte ise H harfi var. Kendiliğinden simetri kırınımı sonrasında, higgs alanın beklenen vakum değerine geçiş yaparken geri kalan enerjiye, yeni alana H demiştik. İşte bu H aslında higgs bozonu. Kendiliğinden simetri kırınımı sonucunda, Higgs alanı beklenen vakum değerine geçiş yaparken arta kalan enerji Higgs bozonu oluyor. 

denklemdeki gêev deki v ile g’yi yani beklenen vakum değeri ile birleşme sabitini toplayıp m diyebiliyoruz ve ortaya mêe çıkıyor. Bu etkileşimde bir alan yok, elektron ve anti-elektron kütle ile yani m ile gösteriliyor. İlk başta yani eşitlik gêeϕ iken elektron ve anti-elektron’un kütlesi yoktu fakat Higgs alanının kendiliğinden simetri kırınımı sonucu beklenen vakum değeri vastasıyla elektron ve anti-elektron m kütlesine sahip oldular. 

4 – Belirli alanlara kütle kazandırmak olarak yorumlanan bu denklemler, Higgs alanında gerçekleştiğini söylediğimiz kendiliğinden simetri kırılması meydana gelmeden önce var olamıyorlar. Simetri kırılmasının bir sonucu olarak ortaya çıkıyorlar.

Higgs alanının temel parçacıklara kütlelerini kazandırması bu şekilde gerçekleşiyor. Herhangi bir alan Higgs alanı ile etkileşime girdiği zaman kütle kazanıyor, başka türlü kazanamıyor.

5 – İlk maddeye tekrar döndüğümüzde Higgs mekanizmasının özü: Kendilerine ilişkin alanların quantaları olarak bildiğimiz bu temel parçacıklar kendiliğinden simetri kırılması nedeniyle Higgs alanı ile etkileşime giren diğer alanların kütle kazanmalarının bir sonucu olarak varlar.

Fotonlar ve gluonlar hariç (çünkü yükleri yok) bütün temel parçacıklar bu mekanizmaya dahiller. Bileşenlerden oluşan Proton, Nötron, Kaon ve Pion ise kütlelerini Higgs mekanizması ile kazanmazlar. İçlerindeki temel parçacıklar ve onların bağlanma enerjileri bu parçacıkların kütlelerini tanımlar.

Taylan Kasar

This article was written by Barak Shoshany. I want to thank him for allowing me to translate and share his article.

Kaynak: http://qr.ae/7X2uuF

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yorum

Yazar Hakkında

Taylan Kasar

İstanbul Üniversitesi Astronomi ve Uzay Bilimleri'nde öğrencidir. ilerihaber.org ve evrimselantropoloji.org sitelerinde güncel bilim haberleri çevirisi yapmaktadır.