MIT fizikçileri: Sosyal ağlar parçacık araştırmasında kullanılabilir

Yeni teknikte temelde yatan fikir, her birini ayrı ayrı incelemektense, çok sayıdaki farklı olayı birbiriyle karşılaştırmak üzerine kurulu. Bir çarpışma esnasında üretilen parçacıklardan oluşan sprey benzeri yapı, bilgisayar aracılığıyla nesneleri temsil etmek için kullanılanlara benzer bir nokta bulutu biçiminde modelleniyor.
Cern’de bulunan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın (LHC) ‘Kompakt Müon Sarmalı’ (CMS) detektöründe gerçekleştirilen bir çarpışma, bir ‘Higgs bozonu’* imzasını açığa çıkarıyor. Görsel: Thomas McCauley / Lucas Taylor, CMS

Jennifer Ouellette

Yeni temel parçacıkları avlamanın en zor kısmı, bu parçacıklar için gösterge kalıplarını veya ‘imzaları’ bulmak için büyük miktarda veriyi elemek; ya da bilinen herhangi bir parçacığa uymayan garip desenler, Standart Model’in ötesinde uzanan yeni fiziğin bir göstergesi. MIT fizikçileri, esasen bu tür aramaları otomatikleştirmek amacıyla analitik bir yöntem geliştirdiler. Yöntem, çarpışma olaylarındaki benzer çiftlerin birbirine ne kadar bağlı olduğuna ve yüz binlerce olayın birbiriyle nasıl bir ilişkiye sahip olduğu esasına dayanıyor.

SOSYAL AĞLARA BENZER BİR ‘ÇARPIŞMA AĞI’

Netice, karmaşık sosyal ağları haritalamaya benzer biçimde oluşturulan, ‘çarpışma ağı’ diye adlandırılan karmaşık bir geometrik harita. MIT ekibi yeni yaklaşımını ‘Physical Review Letters’ dergisinde yayınlanan yeni bir makalede paylaşırken, makalenin ortak yazar Jesse Thaler şunları aktarıyor: “Sosyal ağların haritaları, insanlar arasındaki bağlantı derecesine dayanır; mesela, bir arkadaştan diğerine geçmeden önce kaç tane komşuya ihtiyacınız olduğunu gösterir” diyor. “Buradaki temel fikir de aynı.”

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC), dakikada milyarlarca (işlenmiş) proton çarpışması üretir. Fizikçiler, parçacıkların geride bıraktıkları ve ‘nükleer bozunma kalıpları’ diye bilinen elektronik imzalar vasıtasıyla tam olarak hangi parçacıkların yüksek enerjili çarpışmalarda açığa çıktığını tespit ederler. Mesela kuarklar, diğer ikincil parçacıklara dönüşmeden önce saniyenin yalnızca kesirlik bir kısmında var olurlar. Her bir kuarkın birçok farklı bozunma yolu olduğundan, birkaç muhtemel imza söz konusu ve her biri çarpışma anında hangi parçacıkların mevcut olduğunu belirlemek için dikkatle incelenmeli.

Kompakt Müon Sarmalı (CMS) ortaklığı gibi detektörler, ‘tetikleyiciler’ adıyla bilinen sinyalleri filtreler; bu, hızlandırıcıda saniyenin milyonda birinde meydana gelen bir olayda açığa çıkan on binlerce sinyal arasında, belirli bir bağlantısı olan bir parçacığı ya da potansiyel açıdan yeni bir parçacığı işaret ettiği durumlarda kullanılır.

Örneğin, eğer bir proton-antiproton çarpışması bir üst-kuark ve bir antitop (karşıt üst) parçacık üretirse, bunlar anında iki zayıf kuvvet (W) bozonu ve iki alt kuark haline gelerek bozunur. ‘Yenidoğan’ bozonlardan biri bir müona ve nötrinoya, diğeriyse yukarı ve aşağı kuarklara dönüşür. İki alt kuark, yukarı ve aşağı kuarkların da yaptığı biçimde iki parçacık jeti (püskürmesi) içerisinde bozunur. Yani çarpışmanın imzası bir müon, bir nötrino ve dört jetten oluşur.

‘Jetler’ açığa çıkar, çünkü kuarklar izole halde var olamazlar ve hadronların içinde bağlanmaları gerekir. Bir çarpışma esnasında bir kuark açığa çıktığında, hepsi aynı yöne doğru hareket eden bir haddon spreyi ile çevrili haldeki ev sahibi hadrondan uçup giderler. Jet akımı üzerindeki çalışmalar, fizikçilerin, ne tür kuarklar üretildiğini belirleyebilmelerine imkan tanır.

CMS’DEN SAĞLANAN BİLGİLERLE İLERLEDİLER

Thaler ve meslektaşları, 2017 yılında yeni analitik yöntemlerinin bir kısmını CMS detektöründen elde edilen devasa büyüklükteki bir veri yığını üzerinde kullandılar. Veri yığını, yaklaşık 300 milyon protonun LHC içindeki çarpışmasını içeren 29 terabaytlık bilgiden oluşuyordu ve CERN Açık Veri Portalı’na yüklenmişti. Temel fikir, bu tür yöntemlerin o bilgi dağından bir anlam çıkarmak için kullanışlı olduğunu göstermekti.

Son çalışma da işte bu fikre dayanıyor. Özellikle de mevcut teorilerin dışında kalan yeni fizik araştırmaları için çok kullanışlı; farklı bir ifadeyle, fizikçilerin hangi imzaları aradıklarını vaktinden önce bilmedikleri durumlarda kullanılabilir.

Temelde yatan fikir, her birini ayrı ayrı incelemektense, çok sayıdaki farklı olayı birbiriyle karşılaştırmak üzerine kurulu. Bir çarpışma esnasında üretilen parçacıklardan oluşan sprey benzeri yapı, bilgisayar aracılığıyla nesneleri temsil etmek için kullanılanlara benzer bir nokta bulutu biçiminde modelleniyor.

Bu, fizikçilere, bilindik olguları açık bir şekilde tanımlayabilmeleri ve çarpışma ağının uçlarında saklanan aykırılıkları daha kolay seçmeleri için olanak sağlar.

‘YENİ FİZİĞİN’ SINIRLARINA GELİNDİ

Araştırmanın ortak yazarı Eric Metodiev, “Yapmaya çalıştığımız şey, bunun yeni tür bir fizik olup olmadığına ilişkin düşüncelerimize karşı şüpheci yaklaşmak,” diyor. “Verilerin kendileri adına konuşmasına izin vermek istiyoruz.”

Bu yeni analitik yöntemin anahtarı, çift durumundaki bir bulutun diğerine dönüşmesi için ne kadar enerji (veya fizik dilinde dendiği gibi ‘iş’) gerektiğini hesaplayan bir matematik formülü. Bu kavram “earth mover’s distance” (yer düzenleyicisi aralığı) ya da kısaca EMD olarak adlandırılır. Bir çift nokta bulutu, birini diğerine yeniden dönüştürmek için çok fazla enerjiye ihtiyaç duyuyorsa, gereğinden daha uzakta sayılır.

Prof. Thaler, “Enerji birikimlerini birikmiş kir gibi hayal edebilirsiniz ve siz bu kiri bir yerden diğerine taşımak zorunda olan taşıyıcısınız,” diyor. “Bir yapılanmadan diğerine taşımak için harcadığınız ter miktarı, hesapladığımız mesafeye denk düşüyor.”

PARÇACIKLARDAN OLUŞAN BİR SOSYAL AĞ

MIT ekibi, LHC’den elde edilen kamuya açık verileri kullanarak 100 bin çift çarpışma olayını barındıran bir sosyal ağ kurdu ve aralarındaki “mesafeye” ya da benzerliklere dayanarak her parçacık çiftine bir sayı atadı. Thaler, ekibin tekniğini, örneğin (ilk olarak 1995’te gözlemlenen) üst kuarkların yeniden keşfedilmesi gibi bilinen tarihsel veriler üzerinde daha fazla denemek istiyor.

Thaler, “Yeni fizik alanında ne aradığını bilmesi gerekmeyen tekniğimizle bu arşiv verilerinde üst kuarkı yeniden keşfedebilseydik çok heyecan verici olurdu ve tekniği eldeki veri yığınlarına uygularken daha egzotik nesneler bulma yolunda bize güven verebilirdi” diye ekliyor.

Amerikan Fizik Derneği’nde (APS) görev yapan ve yeni makalenin katılımcısı olmayan Profesör Michael Schmitt, “Bu kısa ve düşündürücü makalede sunulan fikirlerin ve tekniklerin bizi nerelere taşıyacağını görmek çok ilginç olacak” diyor. “EMD tabanlı yeni metrik, araştırmacıların Standart Model’in ötesinde uzanan yeni fizik alanını keşfetmelerini sağlayacak daha doğru olay sınıflandırma tekniklerinin de önünü açabilir.”

*Higgs bozonu: Peter Higgs, Gerald Guralnik, Richard Hagen, Tom Kibble, François Englert ve Robert Brout tarafından Standart Model’deki fermiyonlara kütle kazandırmak için varlığı öne sürülmüş spini ‘0’ (sıfır) olan parçacık. ‘H’ veya ‘h’ biçiminde kısaltılır.

Çeviren: Tarkan Tufan (Kaynak)