KOZMİK ANAFOR
Fizik / Astrofizik Kozmik Anafor Arşivi Popüler Bilim

Higgs Bozonu Nasıl Üretiliyor?

(Görsel Kaynağı: CERN)
Bu yazıyı yaklaşık 4 dakikada okuyabilirsiniz.
Eyüp Gürses

Kütlesi olmayan parçacıkların çarpışması sonucu “kütle veren” bozon, yani Higgs bozonunun oluşmaması gerekiyor. Ancak, Büyük Hadron çarpıştırıcısı’nda her saniye bunu yapıyorlar. Peki nasıl?

Einstein’ın Görelilik kuramında yer alan ünlü E=mc^2 denklemi, bize madde ve enerjinin bir madalyonun iki farklı yüzü olduğunu söyler. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) bu prensibi parçacıkların içinde bulunan enerjiyi dönüştürerek, yeni ve normal şartlarda bulunması zor olan parçacıkları keşfetmek için kullanır. Örneğin, Higgs bozonu gibi kısa sürede hafif ve kararlı parçacıklara bozunabilen, ağır parçacıkları keşfetmek için… Ancak her çarpışma Higgs bozonu yaratamaz.

Higgs bozonu birden bire ortaya çıkmıyor. Çünkü tüm parçacıklar nasıl oluşabileceklerine, bozulacaklarına ya da etkileşeceklerine dair belli başlı bazı katı kurallara uymak zorundadırlar. Bu kurallardan biri Higgs bozonunun sadece Higgs bozonu ile etkileşen parçacıklar tarafından oluşturulabileceğidir. Başka bir deyişle, kütlesi olan parçacıklar tarafından.

Higgs alanı bütün bir uzaya yayılmış görünmez bir örümcek ağı gibidir. Parçacıklar Higgs içinde hareket ettikçe, bazıları bu yapışkan alana takılır. Bu, aynı zamanda parçacıklara kütle kazandırır ve yavaşlamalarını sağlar. Ancak başka parçacıklar söz konusu olduğunda (örn: foton ve gluonlar) bu ağ tamamen geçirgendir ve etkileşime girmeden geçip giderler.

Yeterli enerji verildiği takdirde, Higgs alanı içinde paketlenmiş parçacıklar kendi enerjilerini transfer edip Higgs bozonu oluşturur. Kütlesiz parçacıklar Higgs alanı ile etkileşmediğinden, bunlar Higgs parçacığı oluşturamazlar. Ancak LHC’de ki bilim insanları bunun aksini yapabiliyorlar.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC)
(Fotoğraf Kaynağı: CERN)

 

LHC, protonları 27 kilometrelik çevresinin etrafında ışık hızına çok yakın hızlarda hızlandırıp bu protonları dört farklı noktada çarpıştırır. Proton temel bir parçacık değildir. Çünkü protonlar kuark ve gluonlardan oluşur. Hızlandırılmış iki proton birbiri içinden geçtiğinde, genellikle görünmez alanlara birleşik enerjileriyle dolan kütlesiz gluon çiftleri oluştururlar. Bu Higgs bozonu için de geçerlidir. Yani parçacıklar birbirleriyle “konuşabilmenin” bir yolunu bulmuş gibi görünüyorlar. Peki nasıl? Gluonlar bu konuda bize fikir verebilir.

Eğer LHC’de çarpışmalar bir anlık bir süreç olsaydı, gluonlar ile Higgs bozonu üretmek imkansız olurdu. Ancak şanslıyız çünkü süreç böyle işlemiyor. Gluonlar anlık olarak enerjilerini sanal parçacıklarla değiştirir. Bu da gluonun enerjisini kütleye çevirir. Eğer iki gluon bir çift sanal top kuark çifti oluşturursa, top kuarklar tekrar bir araya gelir ve Higgs bozonunu oluşturmak için yok olurlar. Aslında sanal parçacıklar hiç de stabil değildir. Bu parçacıklar ancak çok kısa bir süre boyunca var olabilirler.

Teorisyenlerin tahminine göre, Higgs bozonunun %90’lık kısmı gluon füzyonu sayesinde oluşturuluyor. Ancak iki gluonun çarpışıp, top-antitop kuark eşi yaratıp Higgs bozonu ortaya çıkarması yaklaşık olarak 2 milyarda 1 olasılıkla gerçekleşir. Fakat, LHC her saniye 1 milyar proton oluşturduğu için, bu olasılıksızlık bilim insanlarının lehine çevrilmiş oluyor ve Higgs bozonu üretim oranı yaklaşık olarak her birkaç saniyede 1’e denk geliyor.

(Unelg – Yükleyenin kendi çalışması, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=45527120)

 

Higgs bozonunun keşfinin ardından, bilim insanları hemen Higgs bozonunun bozunumunun ardında ne olduğuna odaklanmaya başladı. Parçacık fiziğinin Standard Modeli, neredeyse bütün Higgs bozonlarının dört temel süreçten biri ile oluştuğunu tahmin ediyor. Bilim insanlarının görmek istediği ise Higgs bozonunun Standart Modelin tahmin etmediği, mesela yeni bir parçacığın bozunumu şeklinde oluşması. Kuralları yıkmak bize fizikçilerin anladıklarını sandığından daha çok şey olduğunu gösterecek.

Sorulması gereken soru şu ki; ya bizim standart parçacıklarımızla iletişime geçemeyen fakat Higgs ile iletişime geçebilecek daha keşfedilmemiş parçacıklardan oluşan kocaman bir sektör varsa?

Bilim insanları, bir çarpışmadan yayılan bazı parçacıkların fazlalığına veya bilim insanlarının tahmin ettiğinden daha sık veya daha az sıklıkla meydana gelen bozunma yolları gibi beklenmedik herhangi bir şeye dikkat ediyorlar. Bu göstergeler, Higgs bozonlarına dönüşen keşfedilmemiş ağır parçacıklara işaret edebilir. Aynı zamanda, bazen Higgs bozonlarını oluşturan zincir reaksiyonlarında ki beklenmedik bileşenlerin ipuçlarını bulmak için bilim insanlarının ne beklemeleri gerektiğini kesin olarak bilmeleri gerekir.

Bütün bunları tahmin eden mükemmel bir matematiksel modelimiz var ve denklemin her iki tarafını da biliyoruz. Şimdi her şeyin mantıksal bir şekilde yerli yerine oturup oturmadığını görmek için bu tahminlerimizi deneysel olarak test etmeliyiz ve eğer oturmuyorsa eksik değişkenlerin ne olduğuna karar vermeliyiz.

Çeviri: Eyüp Gürses
Düzenleyen: Kemal Cihat Toprakçı

Çeviri Kaynağı:
https://www.symmetrymagazine.org/article/how-to-make-a-higgs-boson

Hep Daha Fazla Okumak Gerek

Düşünce Deneyi Nedir?

Taylan Kasar

Kuantum Tünelleme

Alperen Erol

Serbest Kuantum Parçacığın Lokalliğini Kaybettiğinin Matematiksel İspatı

Eyüp Gürses

Süpersimetri ve Süperuzay

Sultan Kış

Hawking Işıması ve Kara Delikler

Eyüp Gürses

Süper Akışkan Uzay-Zaman

Ece Özen