Ana sayfa 117. Sayı 2013 Nobel Fizik Ödülü “Higgs parçacığı ve kütlenin kökeni” çalışmalarının

2013 Nobel Fizik Ödülü “Higgs parçacığı ve kütlenin kökeni” çalışmalarının

Bilim Gündemi

241
PAYLAŞ

Serkant Ali Çetin

 

Tüm farkı yaratan çok küçük bir şey

Robert Brout, François Englert ve Peter Higgs, yarım yüzyıl önce, atomaltı parçacıkların nasıl kütle kazandığını açıklayan bir kuram geliştirdiler. Bu kuramın öngördüğü Higgs parçacığı, CERN Büyük Hadron Çarpıştırıcısındaki ATLAS ve CMS deneylerinde, nispeten yeni keşfedildi. Englert ve Higgs, 2013 Nobel Fizik Ödülü’nü, bugün doğru olduğu ispatlanmış bir kuramı yarım yüzyıl önce önermiş oldukları için aldılar. Brout da hayatta olsaydı, ödülü paylaşacaktı.  

 

Prof. Dr. Serkant Ali Çetin

ATLAS Deneyi Türkiye Koordinatörü,

Doğuş Ünv. Fizik Bölümü Başkanı

 

2013 yılı Fizik Nobel Ödülü açıklaması 8 Ekim 2013 tarihinde İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi’nde şu cümle ile başladı: “Bu yılki Fizik Nobel Ödülü tüm farkı yaratan çok küçük bir şey hakkında.”

Ödülü Belçika Universite Libre de Bruxelles’den Prof. François Englert ve Birleşik Krallık University of Edinburgh’dan Prof. Peter Higgs ortak olarak kazandı. Akademi açıklamasında ödüle dair yapılan alıntı ise şöyle: “Atomaltı parçacıkların kütlelerinin kaynağını anlamamıza yardımcı olan ve öngördüğü temel parçacığın yakın geçmişte CERN Büyük Hadron Çarpıştırıcısındaki ATLAS ve CMS deneylerinde bulunmasıyla doğrulanan bir mekanizmanın kuramsal keşfi için…” Bu cümleyi bir kerede kavramak kolay olmayabilir, gelin biraz açalım.

Ödül kazanan bu kuram, parçacık fiziğindeki Standart Model’in çok önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Standart Model ise en kısa ifadeyle evrenin nasıl oluştuğunu ve nasıl işlediğini açıklar ve deneysel keşiflerle tutarlı öngörülere sahiptir. Başka bir deyişle her şeyi oluşturan tuğlalar ve onları bir arada tutan harcı açıklamak Standart Model’in işidir. Gözlemle uyumlu birçok öngörüsü bulunmasına rağmen Standart Model’in deneysel olarak doğrulanmamış önemli bir eksiği vardı, o da temel parçacıkların (tuğlalar) ve onların etkileşmelerini sağlayan diğer ara parçacıklardan (harç) kütlesi olanların nasıl kütleli hale geldiklerini açıklayan kısımdı. İşte bu kısım hakkındaki kuramsal yapı 1964’de Robert Brout ve François Englert tarafından ve ayrıca onlardan bağımsız olarak Peter Higgs tarafından yayımlanan bilimsel makalelerde önerildi. BEH (Brout-Englert-Higgs) mekanizması olarak isimlendirilen bu kuramla Standart Model’in çok önemli bir açığı kapanmaktaydı, haliyle eğer hayatta olsaydı Brout (1928-2011) da Nobel Ödülü kazananlardan biri olacaktı (Nobel Vakfı’nın kurallarına göre sadece hayatta olanlara ödül veriliyor). BEH mekanizmasına göre her yerde bulunan bir alan var ve parçacıklar bu alanla etkileşebildikleri oranda kütle kazanıyorlar. Parçacıkların dünyasında bu alan, bizim için hava, balıklar için su neyse öyle bir şey; varolduğunu fark etmesek de o olmadan yaşayamayız. Bir de bu alanın, ki bundan sonra Higgs alanı diyeceğiz, tabiri caizse doğurduğu, titreşimlerinden oluşan bir parçacık öngörülüyor: Higgs parçacığı.

İyi de her şey neredeyse 50 yıl önce önerilmiş olmasına rağmen neden Englert ve Higgs Nobel’e şimdi layık görüldü? İşte hikâyenin en sevdiğim kısmına geldik: Çünkü yarım asır önce öne sürülen bu mekanizmanın öngördüğü Higgs parçacığı deneysel olarak nispeten yeni keşfedildi ve bu deneysel keşif BEH mekanizmasını doğruladı. Sonuçta Englert ve Higgs de bugün doğru olduğu ispatlanmış bir kuramı önermiş oldukları için ödüllendirildiler.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısının konumu.

BEH mekanizmasının kuramsal keşfi daha önce Nobel ödülü alabilir miydi? Eğer Higgs parçacığı daha önce keşfedilmiş olsaydı alabilirdi. Kuramsal olarak Higgs parçacığının kütlesi öngörülemediğinden, deneysel parçacık fizikçiler ne kütlede bir parçacık aradıklarını bilmeden, hazırladıkları parçacık hızlandırıcılarında ulaşabildikleri enerjilerin izin verdiği kütlelerde Higgs parçacığını aradılar ve senelerce bulamadılar. Tam da bu sebepten, 1988 Nobel Fizik Ödülü sahibi bir diğer parçacık fizikçi Leon Lederman, 1993’de yayımlamış olduğu bir popüler fizik kitabında Higgs parçacığına “Tanrının belası parçacık” der, ancak yayımcının baskısıyla kitaba bu ismi veremez ve kitap Tanrı Parçacığı adıyla yayımlanır.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı üzerinde ATLAS ve CMS algıçlarının konumları.

Sonunda Higgs parçacığı CERN’de deneysel olarak keşfedildi, ama nasıl? 1954’de kurulan CERN şu anda dünyanın en büyük parçacık fiziği araştırma laboratuvarı. Bu uluslararası laboratuvarın en temel amacı, evreni anlayışımızı ilerletebilmek için ihtiyaç duyulan ileri teknoloji ürünü parçacık hızlandırıcılarının ve parçacık algıçlarının kurulmasına ve çalıştırılmasına olanak sağlamak. CERN Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) ise yerin ~100 m altında yer alan, çevresi ~27 km olan dairesel bir tünel boyunca parçacıkların hızlandırılmasına imkân veren muazzam bir tesis. BHÇ üzerinde kurulmuş çok amaçlı iki büyük algıç sistemi var: ATLAS ve CMS. Bu devasa algıç sistemleri BHÇ’de çarpıştırılan protonların sebep oldukları yeni süreçleri ve son durum parçacıklarını algılamak üzere çarpışma noktalarının etrafında kurulu. BHÇ’de 2010’dan beri gittikçe artan enerji ve yoğunluklarda çarpıştırılan proton demetleri sayesinde ATLAS ve CMS deneylerinde toplanan veri miktarı yeni ve ağır bir parçacığın keşfini mümkün kıldı. Ölçülebilen özellikleri Higgs parçacığıyla tutarlı bu yeni parçacığın keşfi 4 Temmuz 2012’de CERN’de duyuruldu. Ardından devam eden analizler keşfedilen bu parçacığın Higgs parçacığı olduğunu kesinleştirdi. Bu arada ATLAS ve CMS deneylerinin sözcülerinin CERN ana oditoryumunda 4 Temmuz 2012’de sundukları deney sonuçları ve CERN başkanının yaptığı duyuru sırasında dinleyiciler arasında bulunan iki kişi ilk defa tanışıyorlardı: Prof. Englert ve Prof. Higgs.

ATLAS algıcının tasarımı.

Deneylerde parçacık keşfetmenin öyle filmlerde görmeye alışık olduğumuz gibi otomatize bir olay olmadığından da bahsetmek lazım, gelin süreci Higgs parçacığının keşfi üzerinden anlamaya çalışalım: Proton çarpışmaları sırasında Higgs parçacığının da üretilme olasılığı var, ancak Higgs neredeyse üretildiği gibi yine başka parçacıklara bozunuyor. Yani belli bir miktar Higgs parçacığını üretip saklamanın imkânı yok. Bu durumda elimizdeki tek ipucu Higgs parçacığının bozunduğu, hatta kimi kez onların da bozunduğu, son durum parçacıkları (elektron, foton, vb.). Başarılı bir hafiyelik yapabilmek için bu son durum parçacıklarının izlerini ve enerjilerini çok hassas olarak ölçmemiz gerekiyor, bu sebeple kurulan algıç sistemleri de son dere karmaşık ve devasa; örneğin ATLAS algıcı 44 m uzunluğunda, 25 m çapında silindirik bir geometri içerisinde yer alan ve toplam 90 milyon kanaldan okunan çok sayıda algıç bileşeninden oluşmakta. Algıç sisteminde izi sürülen bu son durum parçacıklarını tekrar yapılandırabilirsek (rekonstrüksyon) onların kaynağı olan Higgs parçacığı hakkında bilgi sahibi olmamız mümkün. Ancak hayat maalesef o kadar kolay değil, etrafta Higgs’den gelmeyen son durum parçacıkları da var ve bunları birbirinden ayırt etmek son derece zor olabiliyor, bu diğer son durum parçacıklarının yeniden yapılandırılması ise aradığımız sinyale (bu durumda Higgs parçacığına) fon teşkil eden olaylar yaratıyor. Doğru yeniden yapılandırma algoritmalarını oluşturup bu algortimalara Higgs’in bozunumundan kaynaklanmayan parçacıkları eleyebilecek özellikler katılarak karmaşık bilgisayar programları yazılıyor. Bu programlar, merkezi CERN’de olmak üzere, dünya çapında yüzlerce bilgisayar merkezinde kurulu, GRID sistemi üzerinde analiz ediliyor. GRID üzerinde sadece veri analizleri değil aynı zamanda benzetim (simülasyon) analizleri de yapılıyor. Benzetimler de son derece önemli, çünkü neyi keşfettiğimizi ancak kuramsal olarak öngördüğümüz ile uyuştuğu ya da uyuşmadığı oranda anlayabiliyoruz. Toparlayacak olursak Higgs’in keşfi aslında çarpıştırıcıda üretilen Higgs parçacığının bozunduğu son durum parçacıklarının tekrar yapılandırılması yoluyla mümkün oldu, bir de bunları fon olaylarından ayrıştırmak gerekti, sonuçta kütlesi yaklaşık 130 proton kütlesine eşit olan Higgs parçacığı bulundu.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Deneyleri.

Higgs parçacığının keşfiyle evren hakkında her şeyi öğrenmiş değiliz. Hatta Higgs parçacığı sayesinde açıklığa kavuşan evrenin görünen kütlesinin dahi sadece ~yüzde 1,5’luk kısmı, unutmayın evrenin sadece yüzde 5’ini görebiliyoruz; artık hesabı size bırakıyorum. Önümüzde birçok açık soru var, mesela tek tip Higgs parçacığı mı var? Yazının başında Higgs parçacığının keşfiyle parçacık fiziğindeki Standart Model’in çok önemli bir eksiğinin giderildiğinden bahsetmiştim. Ancak Standart Model’in birçok açığı olduğunu da biliyoruz, örneğin elektron türü parçacıkların partnerleri olarak nitelendirebileceğimiz nötrinolar Standart Model’e göre kütlesiz olmalı, ancak bunların kütleli oldukları deneysel olarak kanıtlandı. Bu gibi uyuşmazlıklar biz fizikçileri Standart Model’in de ötesinde yeniz fizik aramaya teşvik ediyor. İşte BHÇ’de yapılan deneyler bu yeni fizik arayışı için de dünyanın şu anda sahip olduğu ve önümüzdeki on yıllar boyunca sahip olacağı en önemli araçlar. Bu deneylerle evrenin sırlarını aralayabildiğimiz kadarıyla aralayacağız ve eminim Higgs’in keşfi sadece bir başlangıç.

Tüm bunlar iyi hoş da günlük hayatta ne işe yarayacak Higgs parçacığının keşfi? Cevap açık; bilmiyoruz. Aslında birçoğunuzun böyle bir soruyu yadırgamış olduğunu tahmin (umut) ediyorum. Temel bilim araştırmaları bilgi üretmek, anlamak içindir. Yazının başlığını tekrar hatırlatmak isterim, “tüm farkı yaratan çok küçük bir şey”; en popüler deyişle atomun çekirdeğindeki proton ve nötronu oluşturan kuarkların ve çekirdeğin etrafında bulunan elektronların nasıl kütleli olduklarını biliyoruz artık. Yani yaşadığımız dünyanın nasıl böyle bir dünya olduğuyla ilgili çok önemli bir bilgiye ulaştık. Ve unutmayın Englert, Brout ve Higgs bu mekanizmayı yarım asır önce tahmin ettiler; hayatta olan Englert ve Higgs ise 2013 Nobel Ödülü’nü paylaştılar.

Peki CERN yapılacak araştırmalara nasıl karar veriyor? Deneyler nasıl belirleniyor? Kimler yön veriyor? Dünyanın bu en büyük ve en ileri parçacık fiziği araştırma laboratuvarı, üye ülkelerin maddi katkılarıyla hizmet veriyor ve sadece üye ülkelerin katılabildiği karar mekanizmalarına sahip. Peki bu ülkeler neden CERN’e üye olup bir sürü para veriyorlar? Çünkü güç birliği ile tek başlarına sahip olamayacakları altyapıya ortaklaşa sahip olabiliyorlar, paralel olarak ulusal yapılanmalarını da ilerletebiliyorlar. Sonuçta ne elde ediyorlar? Bilgi üretme motivasyonuyla teknoloji geliştirmeyi öğreniyorlar. Üretilen bilginin teknolojiye dönüştürülmesi için gereken bilim ve teknoloji kültürünü geliştiriyorlar. Her şeyden önemlisi ve değerlisi yetişmiş insan gücünü artırıyorlar.

Sizlere dilim döndüğünce 2013 Fizik Nobel Ödülü’nün hikâyesini aktarmaya ve açıklamaya çalıştım. Bu vesileyle parçacık fiziği deneyleri ve CERN laboratuvarı hakkında da çok kısa bilgi verdim. Son olarak kendimize dönüp bazı soru ve sorunları da paylaşmak istiyorum.

Prof. Higgs ve Prof. Englert 4 Temmuz 2012’de gerçekleştirilen
CERN açıklaması sırasında..

Türkiye ne konumda? Neden CERN’ün kurucuları arasında değil, hadi kurucusu değil, neden geçen 60 yıl içinde üye olmadı? Daha ileri bir laboratuvarı var da ihtiyaç mı duymadı? Sonunda 2009’da üyelik başvurusu yapıp gayet olumlu geri dönüşler almış olmasına rağmen, neden 3 sene sonra başvurusunu geri çekti? Neden Türk kurumlarından CERN deneylerine katılan biliminsanlarının imkânları iyileşmek yerine gün geçtikçe kötüleşiyor? Nasıl oluyor da devlet adamları “CERN’de daha yapacak bir şey kalmadı, sadece temizlik ve gıda ihalelerine girebiliriz” diyorlar? Hatta başka devlet adamları “Bizden kâşif çıkmaz, ara eleman çıkar” diyor? Nasıl oluyor da Higgs parçacığının keşfinden sonra bir rektör çıkıp “Can havliyle keşif yaptılar” diyor? Nasıl oluyor da bir başka rektör, fiziği üniversitesi için lüks olarak nitelendirebiliyor? Nasıl oluyor da bir kurum yetkilisi “Türkiye’de Nobellik buluş mu yaptınız ki destek verelim” diyebiliyor?

Ne tesadüftür ki bu soruların çoğunun yazının başlığıyla uyumlu bir cevabı var: Tüm farkı yaratan küçük bir şey, “vizyon”.