Ana sayfa 107. Sayı Tekin Dereli ile CERN’deki Higgs deneyleri üzerine ‘Bir parçacık bulduk ama…’

Tekin Dereli ile CERN’deki Higgs deneyleri üzerine
‘Bir parçacık bulduk ama…’

16
PAYLAŞ

Söyleşi: Şule Çiviyılmaz

“ATLAS ve CMS deneylerinin sonuçları ayrı ayrı ilan edildi. Her iki deneyde de 125 GeV enerjisinde bir parçacık gözlemlendi. İki deneyde de gözlemlenen aynı parçacık; bu ayrıntı cesaret verici. Enerji grafiğinde keskin bir tümsek beklenirken, yumuşak geçişli bir tümsek var. Bir tümsek görülmesi bizleri bir parçacığın bulunduğuna ikna ediyor. Fakat tümseğin keskin olmaması bulunan parçacığın Higgs parçacığı olduğuna tam ikna edemiyor. İncelemeler devam ediyor.”

Prof. Dr. Tekin Dereli, Koç Üniversitesi Fizik Bölümü öğretim üyesi. Dereli ile CERN’deki deneylerin sonuçları, Higgs parçacığının kozmoloji modelleri açısından önemi ve deneylerin geleceği üzerine konuştuk.
CERN’deki deneylerde bulunan bir Higgs parçacığı dünyayı ayağa kaldırdı. Nedir bu heyecanın sebebi?
oluşturan parçacıkları ve bunların arasındaki etkileşmeleri tarif eden bir model olarak 1960’larda bir “Standard Teori” öne sürüldü. Bu standard teorinin öngördüğü tüm temel parçacıklar biliniyor, tek Higgs parçacığı gözlemlenemeden kalmıştı. Bu nedenle CERN’den gelen haberler büyük ilgi topluyor. Şu an heyecan dorukta ama biz fizikçiler buluşu daha soğukkanlı değerlendirmek durumundayız. 15-20 sene önce kimse bu sonuçlarla “Yeni bir parçacık keşfedildi” diye hemen ortaya çıkmazdı. Nitekim CERN’in basın duyurusunda “Kütlesi 125 GeV olan bir parçacık gözlendi ama bunun Higgs parçacığı olduğunu kesin kanıtlamak için daha fazla veriye ve zamana ihtiyacımız var” dendi.

O halde bize CERN’de neler olduğundan söz eder misiniz?
CERN İsviçre’nin Cenevre kentinde bulunan Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi. Kuruluş yılı olan 1954’den beri burada inşa edilen, kapasitesi giderek artırılan temel parçacık hızlandırıcı ve çarpıştırıcılarında onlarca ülkeden binlerce fizikçi ve mühendisin katıldığı ortak deneyler yapılıyor. 20. yüzyılın son çeyreğindeki pek çok önemli keşif CERN’deki kalabalık ekiplerin yaptığı deneylerle gerçekleştirildi. 2008’de dünyanın en güçlü proton çarpıştırıcısı olan “Büyük Hadron Çarpıştırıcısı” LHC’yi faaliyete geçirdiler. İlk turlardaki bir kaza nedeniyle veri alımı 2010’dan sonra mümkün oldu. Şu anda LHC’de alınan ilk sonuçlardan bazılarını tartışmaktayız.

LHC dediğimiz, içinde her biri trilyonlarca protondan oluşan huzmelerin hızlandırıldığı vakumlu ince bir tüp. Çembersel bir halka şeklindeki bu tüpün çevresi 27 kilometre uzunluğunda ve yerin 100 metre altında.

Deneyde, LHC’de protonları çarpıştırıyorlar değil mi?
LHC dediğimiz, içinde her biri trilyonlarca protondan oluşan huzmelerin hızlandırıldığı vakumlu ince bir tüp. Çembersel bir halka şeklindeki bu tüpün çevresi 27 kilometre uzunluğunda ve yerin 100 metre altında. Protonları ivmelendirmek için bu halkanın etrafına dizilmiş 10’ar tonluk süperiletken mıknatıslar bulunuyor. Birisi saat yönünde, diğeri saat yönünün tersinde hızlanan iki proton huzmesi detektörlerin (alıcıların) bulunduğu dört noktada çarpıştırılabiliyorlar. Her çarpışma noktasında mağara gibi derin birer tespit bölgesi var. Halen bu dört bölgeden birisi CMS deneyi için, diğeri de ATLAS deneyi için kullanılmakta. Bunlar birbirinden bağımsız yürütülen deneyler. İçlerinde Türkiye’den katılan gruplar da var.

Türkiye’den kimler katılıyor?
Boğaziçi Üniversitesi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi ve Çukurova Üniversite’sinden ekipler katılıyor. Diğer üniversitelerden de bireysel katılımlar var.

Protonları çarpıştırmak için çok büyük enerji veriliyor. Bu kadar büyük enerjiye neden ihtiyaç var?
Hepimiz biliriz; artı elektrik yükler artı elektrik yükleri iter, eksi elektrik yükleri çeker. Protonlar artı elektrik yüklüdür. İki protonu düşük enerjide çarpıştırırsak, yani küçük bir hızla birisini diğeri üzerine yollarsak, birbirlerini iter ve çok yakınlaşamazlar. Oysa biz olabildiğince yakınlaşmalarını, hatta protonların dağılıp içindekilerin ortalığa saçılmasını istiyoruz. Yüksek enerjilere çıkılmasının nedeni bu. LHC’de dönen protonların kinetik enerjileri 7 TeV’e kadar ulaşabiliyor. Bir protonun kütlesini ışık hızının karesiyle çarparsanız (mc2) Einstein bağıntısına göre protonun durgun enerjisi bulunur. Kullandığımız enerji birimi hakkında fikir vermek için protonun durgun enerjisinin yaklaşık 1 GeV olduğunu belirteyim. Protonun kinetik enerjisinin 7 TeV’e ulaşması bunun 7000 katına denk geliyor. Böyle çok yüksek enerjili, neredeyse ışık hızına yakın hızlara ulaşmış iki proton kafa kafaya çarpıştıklarında sanki duran protona 14 TeV enerjili bir proton çarpmış gibi oluyor.

Çarpışma sonrasında ne oluyor?
Yüksek enerjili iki protonun çarpışması sonrasında her türlü temel parçacık ortaya saçılıyor. Hassas detektörler çıkan parçacıkların izlerini kaydediyor. Veriler daha sonra analiz edilmek üzere dijital olarak saklanıyorlar.

Bu çarpışmalar nasıl gözlemleniyorlar?
İşin bu kısmında atılan iki adım çok önemli: Birinci adım, çarpışma bölgesinden çıkan parçacık izlerinin 3-boyutlu görüntülerini bilgisayarda oluşturmak. Bu bilgiyi kullanarak çizilen bol renkli ve hatta hareketlendirilmiş çarpışma resimlerini ekranlarda ve dergilerde bolca görmekteyiz. İkinci adım ise simülasyon oluşturmak. Standard Teori’nin öngördüğü, proton-proton çarpışması sonrası elde edilebilecek tüm olası çarpışmalar resimlendiriliyor. Sonrasında bilgisayarlarda oluşturulan resimler ile sayısı trilyonlara ulaşmış gerçek çarpışma resimleri karşılaştırılıyor. İşe yarayacak olanlar ayrıca incelenmek üzere ayıklanıyor.

20 milyon CD-ROM’u dolduracak kadar veri alındığı söyleniyor. Bu kadar büyük miktarda veriyle nasıl iş yapılıyor?
İşlenecek veri miktarı çok büyük tabii. İlk karşılaştırmalar bizim kullandıklarımızdan çok daha hızlı bilgisayarlarla otomatik yapılıyor. Bulunan uyumlu görüntüler, artık tek tek incelenebilecek kadar az sayıda oluyor. Bunlardan grafikler çiziliyor, istatistik çıkarılıyor. Higgs parçacığını bulmak için trilyonlarca proton çarpıştırılmış. Neden hâlâ yeterli veri yok? Çünkü Higgs parçacığının dahil olabileceği çarpışma süreçleri çok ender görülen türden. Deneylerde Higgs aramak için diğerlerinden ayrılarak incelenen süreçlerin sayısı sadece 100’ler mertebesinde. Bu kadar veriyle elde edilen grafikler teorideki kadar keskin değil. Grafikleri inceleyenlerin istatistiksel bakımdan emin olabilmeleri için daha çok veriye ihtiyaçları var. Bu yüzden Higgs parçacığını bulduklarını emin olarak söyleyemiyorlar.

ATLAS ve CMS deneylerinin sonuçları ayrı ayrı ilan edildi. Her iki deneyde de 125 GeV enerjisinde bir parçacık gözlemlemişler.

Ama bir parçacık bulundu değil mi?
ATLAS ve CMS deneylerinin sonuçları ayrı ayrı ilan edildi. Her iki deneyde de 125 GeV enerjisinde bir parçacık gözlemlemişler. İki deneyde de gözlemlenen aynı parçacık; bu ayrıntı cesaret verici. Enerji grafiğinde keskin bir tümsek beklenirken, yumuşak geçişli bir tümsek var. Bir tümsek görülmesi bizleri bir parçacığın bulunduğuna ikna ediyor. Fakat tümseğin keskin olmaması bulunan parçacığın Higgs parçacığı olduğuna tam ikna edemiyor. Gözlemlenen parçacık Higgs ise özellikleri belirlenmeli; değilse bulunan nedir anlaşılmalı. Deneyciler artık bu soruları yanıtlamaya uğraşacaklar.

Peki, Higgs parçacığı değilse ne olacak? Teorilerimiz çöker mi?
Bir şey olmaz! Higgs parçacığı Standard Teori’nin diğer temel parçacıklarına kütle kazandırımı sağlayan önemli bir öğesi, ama yalnızca bir öğesi. Higgs parçacığının gözlemlenememesi bizi teorinin doğruluğundan kuşkuya düşürmeyecekti. Zaten Higgs’in bulunmaması da en az bulunması kadar önem taşıyacaktı. Eğer Higgs parçacığının yokluğu kanıtlansaydı Standard Teori’nin yanlış olduğunu değil, yanlış yorumlandığını düşünürdüm. Kütle kazandırım mekanizmasını baştan ele alıp Higgs parçacığına gerek olmayacak şekilde yeniden kurgulamaya çalışırdım. Bunun dışında Standard Teori aynen kalırdı.

Parçacığa neden Higgs parçacığı veya Higgs bozonu adı verildi?
Higgs parçacığının varlığı, Standard Teori’de temel parçacıklara gözlenen kütle değerlerini kazandırmak üzere diğerlerinden farklı nitelikte bir parçacık bulunması gerektiği için öne sürüldü. Bu fikir ilk kez, Edinburgh Üniversitesi’nin emekli profesörlerinden Peter Higgs tarafından 1964’te Physical Review Letters’ta yayınlanan bir makalede tartışılmıştı. Fakat aynı derginin aynı cildinde çıkmış iki makale daha var. Birisi Belçika’dan Robert Brout ve François Englert tarafından, diğeri ise Rochester Üniversitesi’nden Chris Hagen ve Gerald Guralnik ile Imperial College’den Tom Kibble tarafından yazılmışlar. Her üç makalede de aynı kütle kazandırım mekanizması anlatılmaktadır. Doğrusu Brout-Englert-Guralnik-Hagen-Higgs-Kibble parçacığı demek, ama Higgs parçacığı demek daha kolay geldi ve böyle yerleşti. Günümüz LHC sonuçlarının ardından bir Nobel Fizik Ödülü gelirse muhtemelen bunu Higgs tek başına almayacak, Brout geçen yıl öldüğü için en azından Englert ile paylaşacaklardır. Zaten geçtiğimiz aylarda CERN’deki basın toplantısına Peter Higgs ve François Englert birlikte çıktılar.

Higgs’in teorisi aynı anda birbirinden bağımsız üç ayrı çalışma grubu tarafından yayımlandı, öyle mi?
Eş zamanlı bilimsel keşiflere 20. yüzyılda daha sık rastlanır oldu. Çünkü iletişim kolaylığı nedeniyle herkes aynı kaynaklardan aynı şeyleri öğreniyor; eş anlı olarak benzer şeyleri düşünüp yazıyorlar. Bu benim başıma da bir kaç kez geldi. Makaleni yazıp yolladıktan sonra bir bakıyorsun, mesela Amerika’dan veya Japonya’dan bir makale neredeyse aynı laflarla aynı anda yazılıp yollanmış. Kredi önce kimin makalesi basılmışsa ona gidiyor. Bu anlamda dünya çapında hızlı bir öncelik yarışı süregitmekte. Her ikisini de şahsen tanıdığım Peter Higgs ve François Englert üstün nitelikli fizikçiler ama Higgs’in şansı daha açık.

Gözlemlenen parçacık Higgs ise özellikleri belirlenmeli; değilse bulunan nedir anlaşılmalı. Araştırmacılar artık bu soruları yanıtlamaya uğraşacaklar.

Higgs parçacığına neden “Tanrı Parçacığı” da demişler?
Bunu başlatan Nobel Ödüllü deneysel fizikçi Leon Lederman; Chicago yakınlarında Fermilab’daki hızlandırıcı deneylerinin başındaydı. Popüler bir bilim kitabında “şu Allahın cezası parçacık” niyetine böyle bir söz etmiş, üstüne atlamışlar. Bundan öte bir anlamı yok.

Higgs parçacığının Büyük Patlama ile ilgisi nedir?
Günümüzde bir başka “Standard Teori” de kozmolojide var. Evrendeki maddenin çok yoğun, tek bir noktada toplanmış bir halden genleşerek günümüzdeki haline geldiğini düşünmekteyiz. Genleşmenin hızı ivmelenerek artıyor. Bunu sağlayan bir enerji gerek, fakat bu enerjinin kaynağını bilinen, gözlediğimiz madde türleri arasında bulamıyoruz. Bilinmeyen anlamında bir “karanlık enerji” türü veya başka bir deyişle kozmolojik sabit bulunmalıdır diyoruz. Bu sabitin bildiğimiz Higgs parçacığından kaynaklanması akla yakın bir ihtimal gibi geliyor. Böylece karanlık enerjiyi sağlayan kozmolojik sabit, Standard Teori’de kütle kazandırım mekanizmasını tetikleyen Higgs bozonuyla ilişkilendirilmiş oluyor. Higgs parçacığı kozmoloji modelleri için önemlidir sonucuna ulaştık fakat bu kısa söyleşide daha ayrıntıya girmem mümkün değil.

LHC deneylerinin sonuçlarını teknolojiye uyguladığımızda nelerle karşılaşabiliriz? Hangi alanlarda kullanılabilir?
CERN laboratuvarları bilimin teknolojik uygulamalarını bulmak için değil, temel araştırmalar yapmak amacıyla kurulmuştur. Bugün dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcılarını ve çarpıştırıcılarını barındırmaktadır. Bunlardan daha büyüklerinin yakın gelecekte inşa edilebileceklerini tahmin etmiyoruz. Dünyadaki mevcut daha düşük kapasiteli hızlandırıcıların pek çoğu ise yakın zamanlarda tıp ve mühendislik uygulamalarına yönelik yeniden yapılandırılmaya başlandı. Uygulamalara birer örnek vermek gerekirse, bilirsiniz kısaca NMR denilen nükleer magnetik rezonans ile tomografi artık hastanelerde çok yaygın kullanılmakta. Bundan çok daha hassas bir yöntem olan pozitron emisyon tomografisi veya kısaca PET ile de vücut dokularına bakılabiliyor. Pozitronlar, yani anti-elektronlar çarpıştırıcılarda elde edilip PET taraması için yönlendirilir. Endüstriyel bir örnek olarak ise sinkrotron ışıması ile malzemelerin tahribatsız kalite kontrolünden söz edilebilir. Pratikte bunlara benzer ve daha başka hangi hızlandırıcı uygulamalarının bulunacağını zaman içinde göreceğiz.

Çok hızlı bilgisayarlar kullanılıyor demiştiniz. Verileri karşılaştırabilmek için yine çok hızlı bir yazılım geliştirilmiş GGG denen; WWW’dan çok daha hızlı imiş.
Bu CERN’deki araştırmaların yan ürünü olarak gelişen yöntemlerden birisi. Deneylerin analizinde kullanılan ve dünyanın dört bir yanında bulunan bilgisayarların kapasitelerini ortak ağ halinde birlikte kullanabilmek için geliştirilmiş. Zaten İnternet de 1980’lerin sonuna doğru CERN’deki araştırma gruplarının iletişim sorunlarını halletmek için geliştirilmişti.

Mühendislik açısından neler kazandık?
Baştan amaçlanmasa bile CERN teknolojiye ciddi katkılar sağlayabiliyor. Örneğin çevresi 27 kilometreyi bulan çembersel bir tünel yerin 100 metre altına mikrometre düzeyinde hassasiyette yatay kalacak şekilde başka hiçbir yerde kazılmazdı. Bu kadar ileri tünel kazma teknolojisi nerede gerekir? Otoyol üzerine tünel açmanın veya Marmara Denizi’nin altından metro geçirmenin gerektirdiği hassasiyet bundan çok daha alt düzeylerdedir. Bir başka örnek, 8 Tesla’lık manyetik alan şiddeti sağlayan devasa büyüklükteki süperiletken mıknatıslar. Bunlar CERN’den başka nerede kullanılır ki? CERN’deki projeler ilerinin ilerisi teknolojiyi yaratmak ve geliştirmek için birer vesile oluyorlar. Bu faaliyetler çok maliyetli ama uzun dönemli yararları bütünlük içinde değerlendirilerek CERN sadece Avrupa değil tüm dünya ülkeleri tarafından desteklenmektedir.