Higgs Parçacığı

Higgs Parçacığı

Doç. Dr. Haluk Berkmen

28 Ocak tarihli “Evrenin Oluşumu” başlıklı yazımda evrende, büyük patlama (Big Bang) modeline göre, önce çok kısa süren “enflasyon” döneminin ardından elektronların ve protonların (quarkların) oluştuğunu söyledim. Parçacıklar oluşmadan önce evrende sadece kütlesiz fotonlar vardı. Fotonlar çeşitli frekanslarda titreşen enerji paketçikleri olduklarına göre, nasıl oluyor da kütlesiz olan fotonlardan kütleli parçacıklar oluşmuştur? Var olan her nesne sonsuz ve bütünsel bir enerji alanı içinde oluşmuş yerel bir yoğunluktan ibarettir. Foton da yüksüz yerel bir enerji yoğunluğudur. Evrende kütlesiz fakat yüklü parçacık bulunmuyor. 1961 yılında kuramsal fizikçi Jeffrey Goldstone kütlesiz fakat artı ve eksi yüklü parçacıkların olabileceğini iddia etmiştir. Kütle sahibi olmayan bu yüklü parçacıklara da Goldstone Bozonu adı verilmiştir. Fakat evrende Goldstone bozonları neden yok?

Bu zor problemi 1964 yılında altı tane fizikçi, çok yakın aralıklarla, yayınladıkları makalelerde çözmüşlerdir. Medyada kolaylık olsun diye bu çözüme kısaca “Higgs Mekanizması” adı verilmiş olsa da, çözüme ulaşmış olanlar: Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Higgs ve Kibble adlı altı fizikçidir. Mekanizma şöyle işliyor: Yüklü ve sıfır kütleli bir Goldstone bozonu bir foton ile birleşerek yüklü bir W ara parçacığı oluşturuyor. W bozonu kuvvet ileten dengesiz bir ara parçacık olduğundan kısa bir an içinde bozunarak diğer maddesel Leptonları (elektron, müon ve nötrino) oluşturuyor. Altta solda standart parçacık modeli görülüyor. Sıfır kütleli olan foton ve Goldstone bozonundan kütlesi olan parçacık oluşma mekanizmasına Higgs Mekanizması denmesinin nedeni, Higgs’in (skaler) ve W parçacığından daha ağır fakat yüksüz ve kütleli bir bozonun var olduğunu iddia etmiş olmasındandır.

CERN’deki büyük Hadron çarpıştırıcısında bulunmuş olan ve protondan 135 kere ağır olan ara parçacığa Higgs parçacığı denmiştir. Altta ortada Higgs’in deneyle gözlenmesi mümkün olan en önemli bozunması gösteriliyor. Yüksek hızda ve enerjide iki proton çarpıştığında proton içindeki Kuarkları birbirlerine yapıştıran kütlesiz ve yüksüz Glüonlardan ikisi birleşerek (bu olaya “füzyon” deniyor) Higgs bozonunu oluşturuyor. Higgs bozonu da anında W(+) ile W(-) çiftine bozunuyor. W bozonları da yüklü bir lepton ile bir fotona ayrışıyor. W bozonlarının varlığı gene CERN’de, Ocak 1983 yılında, deneysel olarak kanıtlanmış ve kütleleri 80 GeV olarak saptanmıştır. W(+) ara parçacığı artı yüklü bir Müon ile bir Nötrino, W(-) parçacığı ise eksi yüklü bir Müon ile bir Nötrino oluşturarak bozunuyor. Nötrinolar etkileşmeden uçup gitse de Müonları ölçmek mümkün. Müon parçacığı ağır bir elektron gibi olup kütlesi 0,105 GeV kadardır. Bir GeV = 1 Milyar (10 üzeri 9) elektronvolt’tur.

CERN deneyinde protonlar iki zıt yönde dolanarak saniyede 11,000 kere karşılaşıyorlar. Bu karşılaşmaların hepsinde çarpışma gerçekleşmiyor. Fakat arada bir iki proton kafa kafaya çarpıştıklarında pek çok parçacık etrafa saçılıyor. Nedeni de enerjiden kütlenin oluşabileceğini gösteren E = mc^2 denklemidir. Higgs parçacığı da bu çarpışmaların sadece pek azında ortaya çıkabiliyor. Amaç bu nadir olayı saptayabilmektir. Alttaki grafikte Higgs olduğu düşünülen parçacığın enerji dağılımı görülüyor. Parçacığın enerjisi 126 GeV etrafında “Normal Dağılım” gösteriyor. Protonun enerjisi 0,938 GeV olduğuna göre bu parçacık yaklaşık 135 protona eş kütle sahibidir. Böylesine kütleli bir parçacığı oluşturabilmek için de çok özel şartlar içeren bir deney alanı oluşturmak gerekmiştir. Higgs parçacığını bulmak için İsviçre ile Fransa sınırındaki CERN araştırma merkezinde 24 km çevresi olan ve yerin 50 ile 150 metre altında sekizgen, kapalı bir tünel kazmışlardır. LHC (Large Hadron Collider) Büyük Hadron Çarpıştırıcısında tek bir deney yapılmıyor. Protonların çarpıştıkları bölgelerde 4 ayrı deney aynı anda sürüyor. Bu deneylerden o kadar çok veri elde ediliyor ki, verileri saklamak ve analiz etmek için pek çok bilgisayar bir arada çalışıyor. Verileri analiz etmek de oldukça uzun zaman gerektiriyor. 7 Şubat tarihinde yayınladığım “Kuantum Bilgisayarlar” başlıklı yazıda geleceğin bilgisayarlarından söz ettim. Önümüzdeki yıllarda, CERN deneylerinin analizi Kuantum bilgisayarlar sayesinde çok kısa bir sürede yapılabilecektir.