- Konbuyu başlatan
- #1
- Katılım
- 15 Şub 2008
- Mesajlar
- 1,694
- Tepkime puanı
- 5
- Puanları
- 38
Bildiğimiz gibi, Dünya'nın en büyük parçacık fiziği laboratuvarı olan CERN'de (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire - Avrupa Nükleer Araştırma Konseyi) yapılan deneyler, son yıllarda hız kazanmıştı. Ancak bu deneyler, tahmin edebileceğimiz gibi, bir tarihe sahip. Gelin şimdi kısa bir kronolojik gezi yapalım.
1954: CERN'ün kurulumu
1957: ilk hızlandırıcı kuruluyor
1959: PS çalışmaya başlıyor
1968: Georges Charpak dedektör tekniklerinde devrim yaratıyor
1971: dünyanın ilk proton-proton çarpıştırıcısı
1973: yüksüz akımlar ispatlandı
1976: SPS (Super Proton Synchrotron) çalışmaya başladı
1983: W ve Z parçacıklarının keşfi (elektrozayıf kuram)
1986: ağır-iyon çarpışmaları
1989: LEP (Large Electron Positron) hızlandırıcısı faaliyete başladı
1990: Tim Berners-Lee World Wide Web (www)' i keşfetti (Evet; internet, burada icat edildi!)
1993: madde-anti madde asimetrisinin hassas ölçümleri
1995: ilk anti-hidrojen gözlemi
2002: anti-hidrojen atomlarının yakalanması
2004: CERN' in 50'inci yıldönümü
2008: LHC (Large Hadron Collider) hızlandırıcısı deneylere başlıyor
Görüldüğü gibi, deneyler, yarım asırlık bir tarihe sahip. Deneylerin geçmişine göz atmamız, alınan yolun anlaşılabilmesi açısından önemliydi. Şimdi gelişmelere geçebiliriz.
Söz konusu iki deney, CMS (Compact Muon Selenoid - Tıkız Müon Selenoidi) ve ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS - Toroidal LHC Aparatı) deneyleridir. Öncelikle CMS deneyi'nde, 22m boyunda bir düzenek ve 4 Teslalık (Güneş'ten yayılan manyetik akılar, 10Tesla'yı bulabiliyor) güçlü bir süperiletken mıknatıs ile hem keşif (Higgs bozonu, süpersimetri, vs. için) ölçümleri hem de duyarlılık ölçümleri (üst kuark) yapmak amaç edinilmiştir. Temel olarak Higgs bozonunu aramak amacı ile kurulan bu düzenek, bugünkü verilerin geldiği deneylerden biridir. Peki ya ATLAS? Deneyin göbeğinde, proton demetleri çarpıştıkları zaman, farklı enerjilerde birçok temel parçacığın ortaya çıkması beklenmektedir. ATLAS deneyi şimdiye dek gözlenmiş veya gözlenmemiş birçok parçacığı izlerini, enerjilerini, momentumlarını (kütle-hız çarpımlarını) ölçecek şekilde genel amaçlı olarak tasarlanmıştır. LHC'nin çarpışma enerjisi olan 14 TeV, (bkz. TeV) daha önceki deneylerde ulaşılmamış bir özelliktir. Bu şartlarda ATLAS deneyi, şimdiye dek yapılmış bütün parçacık fiziği deneyleri arasında en büyüğü ve en karmaşığı olagelmiştir, diyebiliriz.
CMS ve ATLAS deneylerinde, yüzlerce bilim insanı, öğretim üyesi ve doktora öğrencileri çalışmaktaydı. Amaç ise Standart Model'in tamamlanması için, İngiliz fizikçi, Peter HIGGS tarafından öngörülen ve maddeye ve parçacıklara kütle kazandırdığı düşünülen Higgs parçacığını belirlemekti. Burada, karşımıza bir soru çıkıyor: ''Standart Model'' Nedir?
Standart Model
Maddeyi oluşturan tüm parçacıkları, belli bir sistemde konuşlandırsak olmaz mı? Kuşkusuz, daha mantıklı olacaktır. Peki bunu nasıl yaparız? Standart Model, yani SM, bunun en iyi cevabıdır. Şimdiye kadar, yukarıda değindiğimiz deneylerde keşfedilen parçacıkların ve kuvvetlerin (kütleçekimin dışındaki diğer 3 kuvvet: elektromanyetik kuvvet, zayıf nükleer kuvvet (elektro-zayıf kuvvet) ve güçlü nükleer kuvvet) oturtulduğu sistematik, bu modeldir.
SM'in varlığını öngördüğü, ama henüz keşfedilmemiş bir parçacık olan Higgs bozonu yüksek enerjili parçacık çarpışmalarının yapıldığı deneyler ile aranmaktadır. Buna dair en son deney ise bütün dünyanın izlediği, yüzyılın deneyi denilen, CERN tarafından yapılan LHC'dir (Large Hadron Collider - Büyük Hadron Çarpıştırıcısı). Higgs bozonu, teorik olarak temel parçacıklar ile kütleli kuvvet taşıyıcılarının kütle kazanması için gerekli bir parçacık olagelmiştir. Bu da onun, neden bu kadar önemli olduğunu açıklamaktadır. SM ise bazı sorunları olan bir sistematiktir. Bu sorunları basitçe incelemek gerekirse, şunları sıralayabiliriz:
Elektrozayıf Simetri Kırınımı anlaşılabilmiş değildir: bütün madde ve kütleyi oluşturan ve bunlara sahip olan kuvvet taşıyıcı alanlar, kendiliğinden gerçekleşen elektrozayıf simetri kırılmasıile kütle kazanmaktadırlar. Ancak bu mekanizma tam olarak anlaşılabilmiş değildi.
Kütle spektrumunun kökeni belirsizdir: SM içinde birçok alan vardır (elektromanyetik alan gibi), bu alanların kuantumları (temel parçacıkları) olan parçacıklar, Higgs alanı ile kurdukları etkileşimlerin derecesine göre kütle kazanırlar. Fakat Bu kütle spektrumunun kökeni, nereye dayalı olduğu hala belirsizdi.
Genel Görelilik kuramı SM içinde yer almamaktadır: SM oluşturulurken, genel görelilik, göz önüne alınmamıştır.
Parçacık ailelerinin sayısı keyfidir: SM'de üç aile bulunur. Fakat neden üç aile olması gerektiği henüz belirlenememişti. Gözlediğimiz uzayın neredeyse tamamı, en hafif aileden oluştuğuna göre diğer ağır iki aileye neden ihtiyaç duyulmaktadır?
Bütün bunlar dışında, birkaç adet daha teknik sorun bulunmaktadır. Ancak bunların şimdilik, Higgs bozonunun önemini anlamamızda pek bir rolü olmayacak. Peki, bu sorunları nasıl çözebilirdik? Bu soruların bir kısmını çözmek için ortaya atılan en basit teori, bütün parçacıkların kütlesiz oluşuhipotezini içerir. Evreni bir alan doldurmuştur; parçacıklar ise Higgs alanı denilen bu alanlaetkileşime girerken kütle kazanmaktadır. İşte bütün bu sorulara yanıt aramak amacıyla, yaklaşık 15 yıl kadar önce LHC projesi ortaya atılmış ve LHC deneylerinin yapımına başlanmıştır. 2008 yılı içinde deneylerin kuruluş aşaması tamamlanmış ve LHC hızlandırıcısı, çalışmaya başlamıştır. İşte bugün, LHC deneylerine dahil olan CMS ve ATLAS'tan, Higgs bozonunun bulunduğunu ifade eden veriler, akmaya devam etmektedir. Peki nasıl?
Ekli dosyayı görüntüle 907
Peki Nasıl?
Öncelikle, kafamızdaki bütün modelleri silerek bir modelleme kurmamız gerekiyor. Bütün alanların (kütleçekim, elektromanyetik, vs.) bir enerjiye sahip olduğunu biliyoruz. Şimdi, boş bir hacimin elektrik alanı ile dolu olduğunu düşünelim. Elektrik alan, elektriksel yükü veya manyetik alanı çevreleyen uzayın bir özelliği olup, içerisinde bulunan yüklü nesnelere elektriksel güç aracılığı ile etki eder. Burada bir parçacık mevcut olmasa bile, enerji mevcuttur. Enerji, elektrik alanının gücüne bağlıdır. Aşağıdaki şekilde, bir enerji diyagramı görmekteyiz.
urada evren, mümkün olan en düşük enerji düzeyine yerleşir; yani 0 noktasına; diyagramın, yatay eksene dokunduğu noktaya.
Yukarıdaki diyagramda konuşlanan evrende hiçbir şey gerçekleşmez; çünkü simetri hakimdir; evren, simetrik bir evrendir. ''Simetrik'' derken neyi kastediyoruz? Madde ve anti madde arasındaki, diğer bir deyişle, parçacıklar ve anti parçacıklar arasındaki simetri. İki değer de eşit miktarda olduğunda, kabaca baskın gelen taraf olmuyor ve evren ''hiçbir şey''den ibaret hale geliyor. İkinci bir durumu inceleyelim.
Ekli dosyayı görüntüle 908
Burada ise evren, pozitif veya negatif Higgs alanı durumuna yerleşir.
Burada ele aldığımız enerji, bütün evreni dolduran, görünmez enerji alanı, yani Higgs alanıdır. Bu, parçacıkların ve kuvvetlerin nasıl davranmaları gerektiğini çözümleyebilmemiz için iyi bir göstergedir. Ayrıca, dört temel kuvvet yerine (gravitasyonel, güçlü, zayıf ve elektromanyetik), bir kuvvet ve birçok görünmez Higgs alanı vardır; ki, bu alanlar bu kuvveti 4 ayrı kuvvet gibi gösteriyorlar.Bu çözüm, aynı zamanda Büyük Patlama'nın ilk anlarındaki enflasyon (genişleme) sorununu da cevaplıyor.
Higgs alanı, biraz önce ele aldığımız boşluktaki değeriyle, ayar bozonlarına kütle kazandırır. Ayar bozonları, doğadaki 4 temel kuvvetin taşıyıcı parçacıklarına verilen genel addır. Fotonlar, gluonlar, Wve Z bozonları ve graviton olarak 4 farklı ayar bozonu vardır. Graviton hariç, diğer bütün parçacıkların varlığı ve kütleleri tespit edilmiştir. Higgs bozonu, simetri kırınımından sonra, boşluk enerjisi değeri verir ve bu değer, yukarıda da değindiğimiz gibi, parçacıklara kütle kazandırır. Bu değer,fermiyonlar dediğimiz, maddenin yapıtaşını oluşturan proton, elektron gibi parçacıkları da içeren parçacık ailesine Yukawa etkileşimi ile kütle kazandırır. İki tane temel fermiyon grubu bulunur: kuarklar ve leptonlar. Toplamda 24 farklı temel fermiyon vardır: 6 kuark, 6 lepton ve bunların karşıt parçacıkları. Proton ve nötron gibi bileşik fermiyonlar ise maddenin bildiğimiz yapıtaşlarıdır (bkz. KUARKLAR ve DİĞERLERİ ). Higgs bozonunun karakteristik özellikleri arasında, spininin, yani bir parçacığın açısal momentumu olarak tanımlayabileceğimiz özelliğinin 0 olmasını sayabiliriz. Kütlesi içinse, Aralık 2011'de o zamanlar iki ana deneyin (ATLAS ve CMS) sözcüleri, birbirlerinden bağımsız sonuçlara dayanarak, Higgs parçacığının 125 GeV/c² (133 proton kütlesi: 10^−25 kg) değerinde bir kütleye sahip olabileceğini belirtmişti. Bu sırada, 115 - 130 GeV/c² aralığı hariç; Higgs'in bulunmayacağı diğer kütle aralıklarının da önemli ölçüde elendiğini belirtmişlerdi. Bütün bunlar ne anlama geliyor? Parçacıklar belli enerjilerde çarpıştırılırken, belirlenmek istenilen parçacıklar için, bu enerji aralıklarında ya da enerjilerde parçacıklar çarpıştırılır. Böylesi elemelerle, daha güvenli bir şekilde parçacığın bulunduğu aralığa ulaşılır. İşte CERN'de yapılan deneylerde de, önceki yıllarda bazı aralıklar yoklanmıştı. Bugünlerde ise parçacığı bulduğumuzu düşünmekteyiz.
Nasıl mı? Parçacık fiziği araştırmalarında bir bulgunun ''keşif'' olduğunun kesinleşebilmesi için, en fazla %0,000028 yanılma payına sahip olması beklenir. Bu durum da ancak 5 sigma sinyal seviyesinde ölçülebilir. CERN'de gerçekleştirilen bütün deneyler, daha önce 2-3 sigma aralığında yapıldığından hiçbiri kanıt sayılamıyordu. Bugün, hem ATLAS hem de CMS laboratuarları'nda yapılan yeni deneylerden, 4 sigma barajının üzerinde ölçümler elde edildiği açıklandı. Matematiksel olarak iki ayrı deneyde bu seviyede alınan ölçümler ise 5 sigmadan çok daha kesin bir datayı işaret ediyor.
Ekli dosyayı görüntüle 909
ATLAS deneyinde elde edilen, Higgs bozonunun 4 ayrı elektrona bozunması olayını gösteren ayrıntı.
ATLAS sözcüsü Fabiola Gianotti, Higgs bozonunun keşfi konusunda şu ifadeleri kullandı: ''Bugün, araştırmalar mümkün olacağını tahmin etmediğimiz kadar ilerlemiş durumda” dedi. “Elimizdeki veride, 126GeV kütle bölgesinde yeni bir parçacığın belirgin izlerini 5 sigma seviyesinde gözlemliyoruz. LHC’nin ve ATLAS’ın mükemmel verimi ve birçok insanın olağanüstü çabası bizi bu heyecan verici duruma getirdi. Bu sonuçları son haline getirmek için biraz daha zaman gerekiyor. Daha fazla veri ve daha fazla çalışma da bu yeni parçacığın özelliklerini bulmak için gerekli olacaktır.''
Higgs Bozonu, başka parçacıklara bozunmadan önce saniyenin sadece küçücük bir kısmı kadar ''hayatta kalabilen'', kararsız bir parçacıktır. Bu sebepten dolayı, deneyler bu parçacığı yalnızca, bozunduğu ürünleri gözlemleyerek sonuca ulaşmaya çalışırlar. Maddenin kesin bir açıklamasını verebilen çok başarılı bir kuram olan Standart Model'e göre Higgs Bozonu, kanal adı verilen belli parçacık karışımlarına bozunur ve bozunmanın hangi kanallara dağılacağını, kütlesi belirler. ATLAS deneyi'nde çalışmalar, kombine, iki kanal üzerinde konuşlandırılmıştır: Higgs'in iki fotona veya dört leptona bozunması. Söz konusu kanalların her ikisi de, kusursuz kütle çözünürlüğüne sahiptir. Ancak, iki foton kanalında büyük fakat ölçülebilir bir art alan üzerinde, küçük bir sinyale karşın; dört lepton kanalında çok küçük bir art alan üzerinde, daha küçük bir sinyal vardır. Her iki kanal da deneylerde, aynı yerdematematiksel yönden oldukça anlamlı bir fazlalık gösterdiler: 126 GeV'luk bir kütle civarında. Bu iki kanal, istatistiksel/matematiksel olarak bir araya geldiğinde, sinyalin anlamlılığı ''5 sigma'' olarak bulunur; ki, bu da, Higgs içermeyen bir evrende, 3 milyon deneyde yalnızca bir kez bu kadar güçlü bir sinyalin tesadüf olarak ortaya çıkabileceği anlamına gelmektedir.
Yukarıda sözünü ettiğimiz iki foton kanalındaki kütle dağılımını gösteren grafik. Grafikte aşağı doğru inen eğrinin ortalarındaki hafif yükselmenin anlamlılığından bahsediyoruz.
Bu yeni parçacık için en güçlü kanıt iki fotonlu olayların çözümlemesinden gelir. Noktalı çizgi, bilinen süreçlerden ölçülen art alanı gösterir. Düz çizgi ise sinyal artı art alana yapılmış istatiksel bir eğri yakıştırmasıdır. Yeni parçacık 126.5 GeV civarında bir fazlalık olarak ortaya çıkar. Tam çözümleme, yeni parçacık olmadığı durumda böyle bir tepe görme olasılığının üç milyonda bir olduğunu söyler.
2011 yılının Aralık ayında elde edilen gözlemler ve sonuçlar 7 TeV'deki proton-proton çarpışmalarından elde edilmiş ve Higgs Bozonu'nun olası kütle aralığı, 117 GeV - 129 GeV kıskacına sıkıştırılmıştı. Beklentilerin üzerindeki küçük bir fazlalığı, 126 GeV; yani yaklaşık 133 proton kütlesi civarındaki fazlalığı hem ATLAS hem de CMS deneyleri görmüştü (133 proton kütlesi, sadece karşılaştırma için verilmiş bir referanstır). LHC ve ATLAS deneylerinin sıradaki hedefleri, söz konusu,keşfedilen yeni parçacığın özelliklerini ölçmek ve Higgs Bozonu'nun öngörülen özellikleri ile karşılaştırmak olacaktır. Daha şimdiden, bu özelliklerin bazıları, beklentileri karşılamaktadır: öngörülen kanallarda ve başka deneylerce öngörülen kütlede gözlemlenmiş olması, buna en iyi örnektir.
Dört lepton kanalında kütle dağılımı. Beklenen en temiz sinyal araştırması iki Z bozonunun elektron veya müon çiftlerine bozunduğu olaylarda yapılır. 120’den 130 GeV’e kadar olan aralıkta, 5.3 olay beklenirken 13 olay görülmüştür. Tam çözümleme, yeni parçacık olmadığı durumda böyle bir fazlalık görme olasılığının on binde üç olduğunu bulur.
Peki Ne Olacak?
2012'de elde edilen veriler, 8 TeV'e yükseltilmiş bir enerjide yapılan proton çarpışmalarından gelir ve 2011 yılında elde edilen veriden çok daha fazla veri içerir. İlginç olan, bu verilerin sadece ilk 3 ayda toplanmış olması. Söz konusu hızlı gelişim, LHC hızlandırıcı takımının yoğun çabaları ile elde edilmiştir. Bunlarla beraber LHC'nin, 2012 bitimine kadar ATLAS'a, halihazırda bulunan veriyi ikiye katlayacak kadar çarpışma sağlaması; daha sonra da hızlandırıcıyı güncellemek için uzun bir duraklama yapması beklenmekte. 2014 sonuna doğru yeniden çalıştığında, şimdiki enerjisinin yaklaşık iki katına çıkacak. 2012 verileri ve güncellenmiş hızlandırıcının elde edeceği datalar, günümüzde doğaya dair açıklamalarımızdaki sorunları ve bazı temel sorunsalları çözmek adına, bilim insanlarını daha iyi bir konuma getirecektir.
EO (Evrim Ağacı)
1954: CERN'ün kurulumu
1957: ilk hızlandırıcı kuruluyor
1959: PS çalışmaya başlıyor
1968: Georges Charpak dedektör tekniklerinde devrim yaratıyor
1971: dünyanın ilk proton-proton çarpıştırıcısı
1973: yüksüz akımlar ispatlandı
1976: SPS (Super Proton Synchrotron) çalışmaya başladı
1983: W ve Z parçacıklarının keşfi (elektrozayıf kuram)
1986: ağır-iyon çarpışmaları
1989: LEP (Large Electron Positron) hızlandırıcısı faaliyete başladı
1990: Tim Berners-Lee World Wide Web (www)' i keşfetti (Evet; internet, burada icat edildi!)
1993: madde-anti madde asimetrisinin hassas ölçümleri
1995: ilk anti-hidrojen gözlemi
2002: anti-hidrojen atomlarının yakalanması
2004: CERN' in 50'inci yıldönümü
2008: LHC (Large Hadron Collider) hızlandırıcısı deneylere başlıyor
Görüldüğü gibi, deneyler, yarım asırlık bir tarihe sahip. Deneylerin geçmişine göz atmamız, alınan yolun anlaşılabilmesi açısından önemliydi. Şimdi gelişmelere geçebiliriz.
Söz konusu iki deney, CMS (Compact Muon Selenoid - Tıkız Müon Selenoidi) ve ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS - Toroidal LHC Aparatı) deneyleridir. Öncelikle CMS deneyi'nde, 22m boyunda bir düzenek ve 4 Teslalık (Güneş'ten yayılan manyetik akılar, 10Tesla'yı bulabiliyor) güçlü bir süperiletken mıknatıs ile hem keşif (Higgs bozonu, süpersimetri, vs. için) ölçümleri hem de duyarlılık ölçümleri (üst kuark) yapmak amaç edinilmiştir. Temel olarak Higgs bozonunu aramak amacı ile kurulan bu düzenek, bugünkü verilerin geldiği deneylerden biridir. Peki ya ATLAS? Deneyin göbeğinde, proton demetleri çarpıştıkları zaman, farklı enerjilerde birçok temel parçacığın ortaya çıkması beklenmektedir. ATLAS deneyi şimdiye dek gözlenmiş veya gözlenmemiş birçok parçacığı izlerini, enerjilerini, momentumlarını (kütle-hız çarpımlarını) ölçecek şekilde genel amaçlı olarak tasarlanmıştır. LHC'nin çarpışma enerjisi olan 14 TeV, (bkz. TeV) daha önceki deneylerde ulaşılmamış bir özelliktir. Bu şartlarda ATLAS deneyi, şimdiye dek yapılmış bütün parçacık fiziği deneyleri arasında en büyüğü ve en karmaşığı olagelmiştir, diyebiliriz.
CMS ve ATLAS deneylerinde, yüzlerce bilim insanı, öğretim üyesi ve doktora öğrencileri çalışmaktaydı. Amaç ise Standart Model'in tamamlanması için, İngiliz fizikçi, Peter HIGGS tarafından öngörülen ve maddeye ve parçacıklara kütle kazandırdığı düşünülen Higgs parçacığını belirlemekti. Burada, karşımıza bir soru çıkıyor: ''Standart Model'' Nedir?
Standart Model
Maddeyi oluşturan tüm parçacıkları, belli bir sistemde konuşlandırsak olmaz mı? Kuşkusuz, daha mantıklı olacaktır. Peki bunu nasıl yaparız? Standart Model, yani SM, bunun en iyi cevabıdır. Şimdiye kadar, yukarıda değindiğimiz deneylerde keşfedilen parçacıkların ve kuvvetlerin (kütleçekimin dışındaki diğer 3 kuvvet: elektromanyetik kuvvet, zayıf nükleer kuvvet (elektro-zayıf kuvvet) ve güçlü nükleer kuvvet) oturtulduğu sistematik, bu modeldir.
SM'in varlığını öngördüğü, ama henüz keşfedilmemiş bir parçacık olan Higgs bozonu yüksek enerjili parçacık çarpışmalarının yapıldığı deneyler ile aranmaktadır. Buna dair en son deney ise bütün dünyanın izlediği, yüzyılın deneyi denilen, CERN tarafından yapılan LHC'dir (Large Hadron Collider - Büyük Hadron Çarpıştırıcısı). Higgs bozonu, teorik olarak temel parçacıklar ile kütleli kuvvet taşıyıcılarının kütle kazanması için gerekli bir parçacık olagelmiştir. Bu da onun, neden bu kadar önemli olduğunu açıklamaktadır. SM ise bazı sorunları olan bir sistematiktir. Bu sorunları basitçe incelemek gerekirse, şunları sıralayabiliriz:
Elektrozayıf Simetri Kırınımı anlaşılabilmiş değildir: bütün madde ve kütleyi oluşturan ve bunlara sahip olan kuvvet taşıyıcı alanlar, kendiliğinden gerçekleşen elektrozayıf simetri kırılmasıile kütle kazanmaktadırlar. Ancak bu mekanizma tam olarak anlaşılabilmiş değildi.
Kütle spektrumunun kökeni belirsizdir: SM içinde birçok alan vardır (elektromanyetik alan gibi), bu alanların kuantumları (temel parçacıkları) olan parçacıklar, Higgs alanı ile kurdukları etkileşimlerin derecesine göre kütle kazanırlar. Fakat Bu kütle spektrumunun kökeni, nereye dayalı olduğu hala belirsizdi.
Genel Görelilik kuramı SM içinde yer almamaktadır: SM oluşturulurken, genel görelilik, göz önüne alınmamıştır.
Parçacık ailelerinin sayısı keyfidir: SM'de üç aile bulunur. Fakat neden üç aile olması gerektiği henüz belirlenememişti. Gözlediğimiz uzayın neredeyse tamamı, en hafif aileden oluştuğuna göre diğer ağır iki aileye neden ihtiyaç duyulmaktadır?
Bütün bunlar dışında, birkaç adet daha teknik sorun bulunmaktadır. Ancak bunların şimdilik, Higgs bozonunun önemini anlamamızda pek bir rolü olmayacak. Peki, bu sorunları nasıl çözebilirdik? Bu soruların bir kısmını çözmek için ortaya atılan en basit teori, bütün parçacıkların kütlesiz oluşuhipotezini içerir. Evreni bir alan doldurmuştur; parçacıklar ise Higgs alanı denilen bu alanlaetkileşime girerken kütle kazanmaktadır. İşte bütün bu sorulara yanıt aramak amacıyla, yaklaşık 15 yıl kadar önce LHC projesi ortaya atılmış ve LHC deneylerinin yapımına başlanmıştır. 2008 yılı içinde deneylerin kuruluş aşaması tamamlanmış ve LHC hızlandırıcısı, çalışmaya başlamıştır. İşte bugün, LHC deneylerine dahil olan CMS ve ATLAS'tan, Higgs bozonunun bulunduğunu ifade eden veriler, akmaya devam etmektedir. Peki nasıl?
Ekli dosyayı görüntüle 907
Peki Nasıl?
Öncelikle, kafamızdaki bütün modelleri silerek bir modelleme kurmamız gerekiyor. Bütün alanların (kütleçekim, elektromanyetik, vs.) bir enerjiye sahip olduğunu biliyoruz. Şimdi, boş bir hacimin elektrik alanı ile dolu olduğunu düşünelim. Elektrik alan, elektriksel yükü veya manyetik alanı çevreleyen uzayın bir özelliği olup, içerisinde bulunan yüklü nesnelere elektriksel güç aracılığı ile etki eder. Burada bir parçacık mevcut olmasa bile, enerji mevcuttur. Enerji, elektrik alanının gücüne bağlıdır. Aşağıdaki şekilde, bir enerji diyagramı görmekteyiz.
urada evren, mümkün olan en düşük enerji düzeyine yerleşir; yani 0 noktasına; diyagramın, yatay eksene dokunduğu noktaya.
Yukarıdaki diyagramda konuşlanan evrende hiçbir şey gerçekleşmez; çünkü simetri hakimdir; evren, simetrik bir evrendir. ''Simetrik'' derken neyi kastediyoruz? Madde ve anti madde arasındaki, diğer bir deyişle, parçacıklar ve anti parçacıklar arasındaki simetri. İki değer de eşit miktarda olduğunda, kabaca baskın gelen taraf olmuyor ve evren ''hiçbir şey''den ibaret hale geliyor. İkinci bir durumu inceleyelim.
Ekli dosyayı görüntüle 908
Burada ise evren, pozitif veya negatif Higgs alanı durumuna yerleşir.
Burada ele aldığımız enerji, bütün evreni dolduran, görünmez enerji alanı, yani Higgs alanıdır. Bu, parçacıkların ve kuvvetlerin nasıl davranmaları gerektiğini çözümleyebilmemiz için iyi bir göstergedir. Ayrıca, dört temel kuvvet yerine (gravitasyonel, güçlü, zayıf ve elektromanyetik), bir kuvvet ve birçok görünmez Higgs alanı vardır; ki, bu alanlar bu kuvveti 4 ayrı kuvvet gibi gösteriyorlar.Bu çözüm, aynı zamanda Büyük Patlama'nın ilk anlarındaki enflasyon (genişleme) sorununu da cevaplıyor.
Higgs alanı, biraz önce ele aldığımız boşluktaki değeriyle, ayar bozonlarına kütle kazandırır. Ayar bozonları, doğadaki 4 temel kuvvetin taşıyıcı parçacıklarına verilen genel addır. Fotonlar, gluonlar, Wve Z bozonları ve graviton olarak 4 farklı ayar bozonu vardır. Graviton hariç, diğer bütün parçacıkların varlığı ve kütleleri tespit edilmiştir. Higgs bozonu, simetri kırınımından sonra, boşluk enerjisi değeri verir ve bu değer, yukarıda da değindiğimiz gibi, parçacıklara kütle kazandırır. Bu değer,fermiyonlar dediğimiz, maddenin yapıtaşını oluşturan proton, elektron gibi parçacıkları da içeren parçacık ailesine Yukawa etkileşimi ile kütle kazandırır. İki tane temel fermiyon grubu bulunur: kuarklar ve leptonlar. Toplamda 24 farklı temel fermiyon vardır: 6 kuark, 6 lepton ve bunların karşıt parçacıkları. Proton ve nötron gibi bileşik fermiyonlar ise maddenin bildiğimiz yapıtaşlarıdır (bkz. KUARKLAR ve DİĞERLERİ ). Higgs bozonunun karakteristik özellikleri arasında, spininin, yani bir parçacığın açısal momentumu olarak tanımlayabileceğimiz özelliğinin 0 olmasını sayabiliriz. Kütlesi içinse, Aralık 2011'de o zamanlar iki ana deneyin (ATLAS ve CMS) sözcüleri, birbirlerinden bağımsız sonuçlara dayanarak, Higgs parçacığının 125 GeV/c² (133 proton kütlesi: 10^−25 kg) değerinde bir kütleye sahip olabileceğini belirtmişti. Bu sırada, 115 - 130 GeV/c² aralığı hariç; Higgs'in bulunmayacağı diğer kütle aralıklarının da önemli ölçüde elendiğini belirtmişlerdi. Bütün bunlar ne anlama geliyor? Parçacıklar belli enerjilerde çarpıştırılırken, belirlenmek istenilen parçacıklar için, bu enerji aralıklarında ya da enerjilerde parçacıklar çarpıştırılır. Böylesi elemelerle, daha güvenli bir şekilde parçacığın bulunduğu aralığa ulaşılır. İşte CERN'de yapılan deneylerde de, önceki yıllarda bazı aralıklar yoklanmıştı. Bugünlerde ise parçacığı bulduğumuzu düşünmekteyiz.
Nasıl mı? Parçacık fiziği araştırmalarında bir bulgunun ''keşif'' olduğunun kesinleşebilmesi için, en fazla %0,000028 yanılma payına sahip olması beklenir. Bu durum da ancak 5 sigma sinyal seviyesinde ölçülebilir. CERN'de gerçekleştirilen bütün deneyler, daha önce 2-3 sigma aralığında yapıldığından hiçbiri kanıt sayılamıyordu. Bugün, hem ATLAS hem de CMS laboratuarları'nda yapılan yeni deneylerden, 4 sigma barajının üzerinde ölçümler elde edildiği açıklandı. Matematiksel olarak iki ayrı deneyde bu seviyede alınan ölçümler ise 5 sigmadan çok daha kesin bir datayı işaret ediyor.
Ekli dosyayı görüntüle 909
ATLAS deneyinde elde edilen, Higgs bozonunun 4 ayrı elektrona bozunması olayını gösteren ayrıntı.
ATLAS sözcüsü Fabiola Gianotti, Higgs bozonunun keşfi konusunda şu ifadeleri kullandı: ''Bugün, araştırmalar mümkün olacağını tahmin etmediğimiz kadar ilerlemiş durumda” dedi. “Elimizdeki veride, 126GeV kütle bölgesinde yeni bir parçacığın belirgin izlerini 5 sigma seviyesinde gözlemliyoruz. LHC’nin ve ATLAS’ın mükemmel verimi ve birçok insanın olağanüstü çabası bizi bu heyecan verici duruma getirdi. Bu sonuçları son haline getirmek için biraz daha zaman gerekiyor. Daha fazla veri ve daha fazla çalışma da bu yeni parçacığın özelliklerini bulmak için gerekli olacaktır.''
Higgs Bozonu, başka parçacıklara bozunmadan önce saniyenin sadece küçücük bir kısmı kadar ''hayatta kalabilen'', kararsız bir parçacıktır. Bu sebepten dolayı, deneyler bu parçacığı yalnızca, bozunduğu ürünleri gözlemleyerek sonuca ulaşmaya çalışırlar. Maddenin kesin bir açıklamasını verebilen çok başarılı bir kuram olan Standart Model'e göre Higgs Bozonu, kanal adı verilen belli parçacık karışımlarına bozunur ve bozunmanın hangi kanallara dağılacağını, kütlesi belirler. ATLAS deneyi'nde çalışmalar, kombine, iki kanal üzerinde konuşlandırılmıştır: Higgs'in iki fotona veya dört leptona bozunması. Söz konusu kanalların her ikisi de, kusursuz kütle çözünürlüğüne sahiptir. Ancak, iki foton kanalında büyük fakat ölçülebilir bir art alan üzerinde, küçük bir sinyale karşın; dört lepton kanalında çok küçük bir art alan üzerinde, daha küçük bir sinyal vardır. Her iki kanal da deneylerde, aynı yerdematematiksel yönden oldukça anlamlı bir fazlalık gösterdiler: 126 GeV'luk bir kütle civarında. Bu iki kanal, istatistiksel/matematiksel olarak bir araya geldiğinde, sinyalin anlamlılığı ''5 sigma'' olarak bulunur; ki, bu da, Higgs içermeyen bir evrende, 3 milyon deneyde yalnızca bir kez bu kadar güçlü bir sinyalin tesadüf olarak ortaya çıkabileceği anlamına gelmektedir.
Yukarıda sözünü ettiğimiz iki foton kanalındaki kütle dağılımını gösteren grafik. Grafikte aşağı doğru inen eğrinin ortalarındaki hafif yükselmenin anlamlılığından bahsediyoruz.
Bu yeni parçacık için en güçlü kanıt iki fotonlu olayların çözümlemesinden gelir. Noktalı çizgi, bilinen süreçlerden ölçülen art alanı gösterir. Düz çizgi ise sinyal artı art alana yapılmış istatiksel bir eğri yakıştırmasıdır. Yeni parçacık 126.5 GeV civarında bir fazlalık olarak ortaya çıkar. Tam çözümleme, yeni parçacık olmadığı durumda böyle bir tepe görme olasılığının üç milyonda bir olduğunu söyler.2011 yılının Aralık ayında elde edilen gözlemler ve sonuçlar 7 TeV'deki proton-proton çarpışmalarından elde edilmiş ve Higgs Bozonu'nun olası kütle aralığı, 117 GeV - 129 GeV kıskacına sıkıştırılmıştı. Beklentilerin üzerindeki küçük bir fazlalığı, 126 GeV; yani yaklaşık 133 proton kütlesi civarındaki fazlalığı hem ATLAS hem de CMS deneyleri görmüştü (133 proton kütlesi, sadece karşılaştırma için verilmiş bir referanstır). LHC ve ATLAS deneylerinin sıradaki hedefleri, söz konusu,keşfedilen yeni parçacığın özelliklerini ölçmek ve Higgs Bozonu'nun öngörülen özellikleri ile karşılaştırmak olacaktır. Daha şimdiden, bu özelliklerin bazıları, beklentileri karşılamaktadır: öngörülen kanallarda ve başka deneylerce öngörülen kütlede gözlemlenmiş olması, buna en iyi örnektir.
Dört lepton kanalında kütle dağılımı. Beklenen en temiz sinyal araştırması iki Z bozonunun elektron veya müon çiftlerine bozunduğu olaylarda yapılır. 120’den 130 GeV’e kadar olan aralıkta, 5.3 olay beklenirken 13 olay görülmüştür. Tam çözümleme, yeni parçacık olmadığı durumda böyle bir fazlalık görme olasılığının on binde üç olduğunu bulur.
Peki Ne Olacak?
2012'de elde edilen veriler, 8 TeV'e yükseltilmiş bir enerjide yapılan proton çarpışmalarından gelir ve 2011 yılında elde edilen veriden çok daha fazla veri içerir. İlginç olan, bu verilerin sadece ilk 3 ayda toplanmış olması. Söz konusu hızlı gelişim, LHC hızlandırıcı takımının yoğun çabaları ile elde edilmiştir. Bunlarla beraber LHC'nin, 2012 bitimine kadar ATLAS'a, halihazırda bulunan veriyi ikiye katlayacak kadar çarpışma sağlaması; daha sonra da hızlandırıcıyı güncellemek için uzun bir duraklama yapması beklenmekte. 2014 sonuna doğru yeniden çalıştığında, şimdiki enerjisinin yaklaşık iki katına çıkacak. 2012 verileri ve güncellenmiş hızlandırıcının elde edeceği datalar, günümüzde doğaya dair açıklamalarımızdaki sorunları ve bazı temel sorunsalları çözmek adına, bilim insanlarını daha iyi bir konuma getirecektir.
EO (Evrim Ağacı)