Kuantum fiziğinde büyük bir eşik aşıldı

Bilim dünyası yıllardır bu ânı bekliyordu ve nihayet Higgs Bozonu parçacığının bozunma süreci gözlemlendi. Ortaya çıkan parçacıklara ilişkin çalışmalar, fizik alanında çok geniş bir alana açılan kapının anahtarı niteliğinde.

Michelle Starr

Tuhaf ve anlaşılması zor olan Higgs bozonu parçacıklarının keşfedilmesinden altı yıl sonra, dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısı bünyesinde çalışan bilim insanları, en gizemli ama en yaygın süreç olan bozunma sürecini gözlemleyebildiler.

Fizikçiler, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndan sağlanan verileri kullanarak, bozonun bir aşağı kuark ve onun karşı-madde eşdeğeri olan yukarı kuarktan oluşan iki küçük parçaya ayrıldığı ânı yakaladılar.

Parçacık fiziğinin Standart Model’i, bir Higgs bozonunun, zamanın yaklaşık yüzde 60’ında aşağı kuarklara (kuark ‘tat’larının, yani türlerinin ikinci en ağır olanına) dönüşeceğini öngörüyor.

Fizikçiler bu süreci gözlemlemeye çalışıyorlar; zira süreç ya Standart Model’i destekleyecek ya da yetersiz olduğunu ortaya koyacak; ikinci ihtimal, ortadaki tutarsızlığı açıklamak için yeni bir fizik yaklaşımı arayışını gerektirecek.

İNANILMAZ DERECEDE KISA BİR ZAMAN DİLİMİ

Sorun, gerçekleşen eylemi yakalama sürecinin olağanüstü derecede zor olması. Higgs bozonu, iki protonun çarpışması sonucunda açığa çıkar. Protonların içindeki iki gluon (tutucu / bağlayıcı kuarklar) eriyerek kaynaşır ve iki yukarı kuark üretirse, bu üst kuarklar bir Higgs bozonuyla yeniden birleştirilebilir.

Bu parçacık, daha az kütlesel parçacıklara dönüşmeden önce, saniyenin yaklaşık 1 septilyon* kadarı bir süre için var olur. Parçacık fizikçilerinin Higgs bozonundan açığa çıkardığı bu parçacıkları tespit etmek için sahip olduğu süre de işte budur.

Bu parçacıkların, bir fermiyon-antifermiyon** çifti, bir çift foton veya bir çift ölçü bozonu*** gibi, göreceli olarak gözlemlenmesi kolay olan birkaç bozunma biçimi bulunur.

Ancak aşağı kuarklarda durum biraz daha zorlaşır; çünkü her proton-proton çarpışması, aşağı kuarklar dahil olmak üzere, atom altı parçacıklardan oluşan bir sağanak yaratır. Bunlar da daha sonra büyük bir hızla diğer parçacıklara dönüşür.

AYIRT ETMEK NEREDEYSE İMMKÂNSIZ

Higgs bozonunun var olma süresi çok çok kısa olduğu için, tespit edilen alt kuarkların bozunan bir Higgs bozonunun mu yoksa proton çarpışmasındaki arka plan süreçlerinin mi bir sonucu olduğunu tespit etmek imkânsızdır.

ATLAS ve CMS ekiplerince yürütülen iki ortak çalışma, bozunmayı tespit etmek amacıyla, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın birinci ve ikinci deneylerinden gelen verileri birleştirdi ve oluşan parçacık sağanaklarında açığa çıkan aşağı kuarkları bulmak amacıyla inceledi. Ardından, bu aşağı kuarkları bir Higgs bozonuna dek takip etmeleri gerekti.

CMS araştırmasında çalışan Princeton Üniversitesi’nden fizikçi Chris Palmer, “Higgs bozonundan kaynaklanan ve iki aşağı kuarka benzeyen yalnızca tek bir durum bulmak yeterli değil,” diyor.

“Bu süreci aydınlatmak için yüz binlerce durumu incelememiz gerekiyordu ve bu olay, benzer görünümlü arka plan faaliyetlerinden oluşan bir dağın tepesinde gerçekleşiyor.”

Bununla beraber, Higgs bozonu üretim mekanizmasının tanımlanabilir yan ürünleri olan birkaç parçacık mevcut.

İKİLİ BİR SÜRECİN TARİHİ SONUÇLARI

Palmer, “Bu parçacıkları, potansiyel Higgs durumlarını kimliklendirmek ve onları diğerlerinden ayırmak için kullandık,” diye açıklıyor. “Bu nedenle, bu incelemede aynı anda ikili bir süreç yürüttük; zira yalnızca Higgs’in alt kuarklara bozunmasını bulmadık, aynı zamanda üretim mekanizmaları hakkında da birçok şey öğrendik.”

Ve böylece, ölçülen bozulma oranının eşleştiği parçacık fiziğinin Standart Modeli’ni tekrar teyit ettiler.

Bu, bilim insanlarının Higgs bozonunun davranışlarını daha ayrıntılı biçimde incelemelerine ve diğer maddelerle nasıl etkileşime girebileceğine, bunu dışında, henüz keşfedilmemiş (örneğin karanlık madde gibi) parçacıklarla nasıl etkileşime girebileceğine dair yeni olasılıkların önünü açan bir netice.

Araştırmanın bir sonraki aşaması, bozunma davranışını çok daha yüksek bir çözünürlükte incelemek için ölçüleri ayarlamak olacak.

Her iki ortak çalışma grubu da makalelerini bilimsel dergilerde yayınlanmak üzere sundular.

*1 Septilyon; 1.000.000.000.000.000.000.000.000

**Fermiyonlar; proton, nötron ve elektron gibi atomaltı parçacıklar aracılığıyla maddeyi oluşturur. Eğer iki ayrı fermiyon uzayda aynı yerde tanımlanmışsa her bir fermiyonun özelliği birbirinden farklı olmak zorundadır.

***Parçacık fiziğinde, bir ölçü bozonu, genellikle ‘kuvvetler’ biçiminde adlandırılan, doğanın temel etkileşimlerini taşıyan bir güç taşıyıcı, bir kuvvet taşıyıcıdır.

Yazının aslı Science Alert sitesinde yayınlanmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)