Higgs Bozonu

Higgs bozonu, diğer parçacıklara kütlelerini vermekten sorumlu olan Higgs alanının temel kuvvet taşıyan parçacığıdır. Bu alan ilk olarak altmışlı yılların ortalarında Peter Higgs tarafından önerildi. Parçacık ve meslektaşları için adlandırıldı. Parçacık nihayet 4 Temmuz 2012’de, İsviçre’deki Avrupa parçacık fiziği laboratuvarı CERN’de bulunan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki (LHC) araştırmacılar tarafından keşfedildi. LHC, Higgs alanının ve kütleye yol açan mekanizmanın varlığını doğruladı. Böylece parçacık fiziğinin standart modelini tamamladı. Atom altı dünyanın sahip olduğumuz en iyi tanımıdır. Bilim adamları 20. yüzyılın sonuna yaklaşırken, parçacık fiziğindeki ilerlemeler, doğanın temel yapı taşlarını çevreleyen birçok soruyu yanıtladı. Yine de fizikçiler sürekli olarak elektron cevapsız kaldı. Bunlar arasında bazı parçacıkların neden kütlesi var? Sorusu da yer alıyordu. Higgs bozonunun hikayesi bu soruyla şekilleniyor.

Higgs bozonu nedir? Sorusunu yanıtlandırıp, bu parçacığı tanıyalım. Higgs bozonu, CERN’e göre, kütlesi 125 milyar elektron volttur olan parçacıktır. Bu, bir protondan 130 kat daha büyüktür. Aynı zamanda spini 0’dır. Açısal momentuma kuantum mekaniksel bir eşdeğerdir. Higgs Bozonu, spini olmayan tek temel parçacıktır. Bozon, parçacıklar birbirleriyle etkileşime girdiğinde devreye giren ve bu etkileşim sırasında değiş tokuş edilen bir bozon olan “kuvvet taşıyıcı” parçacıktır. Örneğin, iki elektron etkileşime girdiğinde, elektromanyetik alanların kuvvet taşıyan parçacığı olan bir fotonu değiştirirler. Kuantum alan teorisi, mikroskobik dünyayı ve evreni dalga mekaniği ile dolduran kuantum alanlarını tanımladığından, bir bozon, bir alandaki bir dalga olarak da tanımlanabilir. Yani bir foton, uyarılmış bir elektromanyetik alandan kaynaklanan bir parçacık ve bir dalgadır. Higgs bozonu, uyarıldığında Higgs alanından ortaya çıkan parçacık veya “nicelenmiş tezahür” dür. Bu alan, diğer parçacıklarla etkileşimi ve Higgs mekanizması adı verilen Higgs bozonunun taşıdığı mekanizma yoluyla kütle üretir.

Higgs bozonu hakkında bilgi sahibi olduk. Fakat en çok merak edilen sorulardan biri de Higgs bozonuna neden Tanrı parçacığı denmektedir? Sorusudur. Bunun nedeni, Nobel ödüllü fizikçi Leon Lederman’ın Higgs bozonunu tespit etmenin ne kadar zor olduğu konusunda hayal kırıklığı içinde “Lanet olası Parçacık” olarak adlandırmasıyla bağlantılıdır. Business Insider, Lederman’ın 1990’larda Higgs bozonu üzerine bir kitap yazdığında, başlığın “Lanet olası Parçacık” olduğunu, ancak yayıncıların bunu “Tanrı Parçacığı” olarak değiştirdiğini söylüyor.

Higgs Bozonu Nasıl Keşfedildi?

Higgs bozonunu tespit etmek sadece bir dedektör kurmak ve birinin gelmesini beklemek meselesi değildir. Bu parçacıklar sadece erken evrenin yüksek enerji koşullarında var oldular. Bu parçacığı tespit etmeden önce, yüksek enerjili koşulların kopyalanması ve Higgs bozonlarının oluşturulması gerektiği anlamına gelir. LHC bunu, protonları ışık hızına yakın bir hıza çıkararak ve onları birbirine çarptırarak yapar.

Bu, hızla daha hafif parçacıklara bozunan bir parçacık dizisi oluşturur. Higgs bozonu tespit edilemeyecek kadar hızlı bozunuyor. Bunun yerine, dönüşü olmayan bir parçacığı gösteren ve bu kayıp bozon için teorik tahminlerle eşleşen parçacık bozunmalarını tespit ederek tanımlandı.

Parçacık hem LHC ATLAS dedektörü hem de Kompakt Muon Solenoidi (CMS) dedektörü tarafından tespit edildi.

Higgs bozonunun tespitinin duyurusu 4 Temmuz 2012’de Cenevre’deki CERN’de yapıldı. Tespit edilen parçacığın gerçekten Higgs bozonu olduğunu doğrulamak ertesi yılın Mart ayına kadar sürdü. Bu yüzden Higgs bozonu ne zaman bulundu? Sorusunun cevabı 14 Mart 2013 olarak tanımlanmaktadır.

Standart model tarafından tahmin edilen bu parçacığı ortaya çıkararak, Higgs bozonunun keşfi, atom altı dünyanın bu resmini tamamladı. Bu teorinin ötesinde, Higgs bozonunun benzersiz özellikleri sayesinde çözülmesine yardımcı olabileceği karanlık maddenin doğası gibi gizemler hala var.

Higgs Bozonunun Önemi

1964’te araştırmacılar, protonları nötronlara dönüştürerek elementlerin atomik bozunmasını belirleyen zayıf nükleer kuvveti ve kuvveti W ve Z bozonlarını taşımak için kuantum alan teorisini kullanmaya başladılar.

Zayıf kuvvet taşıyıcıları kütlesiz olmalıdır. Eğer öyle olmasaydı, simetri adı verilen bir doğa ilkesini çiğneme riski vardı. Bu, tıpkı bir şeklin simetrisinin döndürüldüğünde veya çevrildiğinde aynı görünmesini sağlaması gibi doğa yasalarının nasıl bakılırsa bakılsın aynı olmasını sağlar. Parçacıklara keyfi olarak kütle koymak da bazı tahminlerin sonsuza doğru eğilim göstermesine neden oldu.

Yine de araştırmacılar, zayıf kuvvetin kısa mesafeli etkileşimlerde yerçekiminden çok daha güçlü ancak daha uzun etkileşimlerde çok zayıf olduğu için, bozonlarının kütleye sahip olması gerektiğini biliyorlardı.

Peter Higgs, François Englert ve Robert Brout tarafından 1964’te önerilen çözüm, yeni bir alan ve doğayı simetriyi kendiliğinden kırması için kandırmanın bir yoluydu.

CERN’den bir makalede bunu, uçta duran bir kalemle karşılaştırıyor. Simetrik bir sistem, aniden simetrisini yok ederek tercih edilen bir yöne doğru eğiliyor. Higgs ve fizikçi arkadaşı, evren doğduğunda Higgs alanıyla simetrik ama kararsız bir durumda olduğunu öne sürdüler. Tehlikeli bir şekilde dengelenmiş kalem gibi. Alan hızlı bir şekilde, saniyenin sadece kesirlerinde kararlı bir konfigürasyon bulur, ancak bu süreçte simetrisini bozar. Bu, W ve Z bozonlarına kütle veren Brout-Englert-Higgs mekanizmasına yol açar.

Daha sonra Higgs alanı hakkında keşfedilen şey, sadece W ve Z bozonlarına kütle vermekle kalmayıp, diğer birçok temel parçacığa da kütle kazandıracağıydı. Higgs alanı ve Brout Englert Higgs mekanizması olmasaydı, tüm temel parçacıklar evrenin etrafında ışık hızında yarışırdı. Bu teori sadece parçacıkların neden kütleye sahip olduğunu değil, aynı zamanda neden farklı kütlelere sahip olduklarını da açıklar.

Higgs alanı ile daha güçlü bir şekilde etkileşime giren veya çift olan parçacıklara daha büyük kütleler verilir. Higgs bozonunun kendisi bile kütlesini Higgs alanı ile kendi etkileşiminden alır. Bu, Higgs bozonu parçacıklarının nasıl bozunduğunu izleyerek doğrulandı.

Higgs alanı tarafından kütle verilmeyen bir parçacık, ışığın fotonun temel parçacığıdır. Bunun nedeni, kendiliğinden simetri kırılmasının, diğer kuvvet taşıyan parçacıklar olan W ve Z bozonları için olduğu gibi fotonlar için gerçekleşmemesidir.

Bu kütle verme fenomeni sadece elektronlar ve kuarklar gibi temel parçacıklar için de geçerlidir. Kuarklardan oluşan protonlar gibi parçacıklar, kütlelerinin çoğunu, bileşenlerini bir arada tutan bağlanma enerjisinden alırlar.

Bütün bunlar teoriye iyi bir şekilde uysa da bir sonraki adım, kuvvet taşıyan parçacığını tespit ederek Higgs alanının kanıtlarını keşfetmekti. Bunu yapmak basit bir iş olmayacaktı, aslında insanlık tarihindeki en büyük deneyi ve en sofistike makineyi gerektirecekti.

Bu şekilde, Higgs bozonunun kendisi için yapılan araştırmalar, hem parçacık hızlandırıcı hem de dedektör teknolojisinin sınırlarını zorladı. Bunun nihai ifadesi Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) oldu.

BİR CEVAP BIRAK

Please enter your comment!
Please enter your name here