Ana sayfa 160. Sayı Bilimin birleştirici gücü: CERN ve Higgs

Bilimin birleştirici gücü: CERN ve Higgs

295
PAYLAŞ

Özgür Can Özüdoğru

İkinci Dünya Savaşı’nın yarattığı büyük karanlığın yaraları yeni yeni sarılmaktaydı. Kendini toparlamaya çalışan Avrupa, artık bilimin merkezi olma unvanını yitirmiş, yükselen bir ABD ortaya çıkmıştı. Umut vaat eden sanatçılar ve biliminsanları büyük oranda ABD ve Türkiye’ye göç edip, sonra da bir daha ülkelerine geri dönmemişlerdi. Öyle ki, dönemin İstanbul Üniversitesi, Almanya’daki pek çok üniversiteden daha kaliteli bir eğitim vermekteydi, bu yüzden özellikle Güney Avrupa’dan insanlar Türkiye’ye eğitim almak için geliyordu. Türkiye, Musevi mültecilerin oluşturduğu bu bilimsel ekolün yarattığı ivmeyi 70’lere kadar kullanmayı başardı. Aziz Sancar gibi biliminsanlarını eğiten Türkiye, günümüze göre çok daha iyi bilimsel eğitim veren bir Türkiye’ydi şüphesiz.

Diğer Avrupa ülkeleri, değil bilime para yatırmak, kendi yıkıntılarını tamir etmek için bile ABD’den Marshall yardımları almışken, kalkınma haricinde herhangi bir konuya odaklanabilecek durumda değildi. Sovyetler Birliği bile, Stalingrad muharebesinin yarattığı tüm yaraları kapatamamıştı ve toparlanıp bilimsel çalışmalara önem vermesine en az 10 yıl bulunmaktaydı. Avrupa’da yaşanan bu kültürel ve bilimsel erozyon durumundan memnun olmayan entelektüeller neler yapabileceklerini düşünmektelerdi. Dönemin Avrupalı düşünürleri, Avrupa ülkelerinin birbirleriyle savaşmalarını engelleyecek, beraber çalışmalarını sağlayacak yollar bulmaya çalışıyordu.

CERN Konseyi’nin ilk toplantısı, 1952, Cenevre.

“Avrupa Nükleer Araştırma Konseyi”

20. yüzyılın bilim camiasına damgasını vuran şey, atomun yapısının keşfedilmesi ve çekirdek biliminin (nükleer fizik) ortaya çıkması olmuştu. Çekirdek fiziği araştırmaları ve deneyleri, Avrupa’da tek bir ülkenin üstünde uğraşarak geliştirebileceği şeyler değildir. Bunu öngören Fransa’dan Raoul Dautry, Pierre Auger ve Lew Kowarski, İtalya’dan Edoardo Amaldi ve Danimarka’dan Niels Bohr bir araya gelerek atom fiziği çalışmaları yapacak ve bilimsel deneyleri gerçekleştirecek, Avrupalıların kolektif bir şekilde araştırmalar yapabilecekleri bir enstitü üzerine çalışmaya başladılar.

Yaptıkları bu çalışmaları rapor haline getiren fizikçiler, 9 Aralık 1949’da böyle bir enstitü kurmak için, Dünya Savaşından sonra tüm Avrupa ülkelerinin davetli olduğu ilk konferans olan Avrupa Kültür Konferansı’nda fikirlerini açıkladılar. Konuşmayı Fransız fizikçi Louis de Broglie yaptı, o zaman için tasarladıkları isim de “Avrupa Araştırma Laboratuvarı” idi. Fikir çok beğenilmişti, fakat liderlerin akıllarına gelen şey, bilimsel araştırmaya salt destekten ziyade, atom bombasının yapılması ile ortaya çıkan gücü edinme mücadelesine katılmak olmuştu. Dönemin Avrupalı liderleri atom çağına tek başlarına girerlerse başarısız olacaklarını biliyorlardı. Dolayısıyla siyasi açıdan da böyle bir enstitünün kurulması işlerine gelmişti.

1951’de UNESCO ve Fransa’nın öncülüğünde 11 kurucu üyenin parasal katkıları sayesinde “Avrupa Nükleer Araştırma Konseyi” CERN kuruldu. Siyasi arenadaki tarafsızlığından ötürü güvenli olacağı düşünüldüğünden CERN’in ana kurumunun Cenevre’de bulunmasına karar verildi. Cenevre halkı 16.539 evet, 7332 hayır sonucu çıkan bir referandum sonrasında, o dönemin dünyadaki en büyük nükleer araştırma merkezinin şehirlerinde kurulmasını kabul ettiler.

Bilimsel camia, üç ana kutup ve ekol oluşturmuştu: Şirketler tarafından desteklenen, özel kurumların kimi zaman kendi çıkarları doğrultusunda araştırmaları şekillendirebildiği ve çoğunlukla bireyselliğin ön plana çıktığı Amerikan bilimi; devlet politikalarıyla oluşmuş, dünyaya bir miktar kapalı, yaptığı araştırmaları, geliştirdiği teknolojileri çoğunlukla kendine saklayan Sovyet bilimi ve dünyadaki herkesi araştırma yapmaya davet eden, yazdığı her makaleyi koşulsuz şartsız tüm dünyaya yayımlayan, bulduğu hiçbir şeyi kendine saklamayıp patent almayan Avrupa ekolü…

Atomaltı parçacıklar ve Standart Model

CERN’ün kurulduğu yıllarda atomun çekirdeğini oluşturan parçacıkları çarpıştırıp, içlerinde onları oluşturan altparçacıkları bulma girişimleri başlamıştı. Bu kadar ufak parçacıkların yapılarının incelemenin tek yolu ise bu parçacıkları hızlandırıp parçalamaktır. Bundan dolayı, 1950’lerde ve devam eden yıllarda büyük üniversiteler, kendi bünyelerine hızlandırıcılar inşa etmeye başladılar. Temel olarak bu hızlandırıcılar, ortasında büyük bir mıknatıs bulunan yüzük benzeri çember bir borudan oluşmakta. Borunun içine sokulan atomaltı parçacıklar, elektromanyetik mıknatısların yardımıyla hızlandırılır. Hızları ışık hızının önemli bir yüzdesine erişince parçacıkları birbirinden ayıran bölmeler kaldırılır ve çarpışmaları beklenir. Çarpıştıklarında ise parçacıkları oluşturan altparçacıklar ortaya çıkar. Pek çok kuark, bu yöntemle keşfedilmiştir.

20. yüzyılın başlarından beri atomun yapısı hakkında modeller geliştiren fizikçiler, 1960’larda, atomaltı parçacıkları ve bu cisimlerin davranışlarını açıklayacak ortak bir model geliştirdiler. Standart Model adı verilen bu model, atomu ve evreni oluşturan altparçacıkları, özelliklerine kadar öngörmekle kalmıyor, aynı zamanda kütleçekimi hariç tüm temel kuvvetlerin birbiriyle ilişkili olduğunu doğruluyordu. Bu da şu demekti, atomları, birbirinin içine çökmeden bir arada tutan zayıf nükleer kuvvet, atomların başka atomlarla bir arada durmasını sağlayan güçlü nükleer kuvvet ve elektromanyetizma fenomenini açıklamamamızı sağlayan elektromanyetik kuvvet, yüksek enerjilerde birbirleriyle ilişkiliydi ve ortak bir matematiksel sistemle açıklanabiliyordu. Yeni bir fizik doğmuştu artık. Kuantum mekaniği, fiziğin temel alanlarından biri olmaya hak kazanmıştı adeta.

Sırada, teoride birtakım öngörüleri bulunan Standard Modelin doğrulanması, sınanması vardı. Tüm dünyadaki parçacık hızlandırıcıları, Standart Modelin gerçek olmasını sağlayacak, Standart Modelin öngördüğü altparçacık türleri olan fermiyon ve bozonları aramaya koyuldu. 10 adet kuarkı bulmak için kimi zaman hidrojen atomlarını, kimi zaman protonları, nötronları, ışık hızının yarısı hatta bazen daha yüksek hızlarda çarpıştırdık. Bunu, iki adet karpuzu birbirine doğru fırlatıp dışarı çıkan kırmızı suyu ve karpuz çekirdeklerini incelemek gibi düşünebilirsiniz.

1960’larda Peter Higgs. 1964’de Cambridge Üniversitesi’nde akademisyen olarak çalıştığı günlerde, Higgss bozonu fikrini aklından geçiriyor olabilir.

Higgs bozonu varsayımı

Kuark bulma süreci devam ederken İskoçya’dan bir fizikçi, Standard Modeli güncellemeye çalışıyordu. Kafasındaki soru şuydu: Bir cismin kütle kazanmasını sağlayan temel etken nedir? Profesör Peter Higgs, 1964 yılında tüm evrenin bir parçacık ağı ile sarılı olduğunu ve bu parçacık ile etkileşen cisimlerin, etkileşim miktarlarıyla orantılı olarak hızlarında ve enerjilerinde azalma olduğunu, bu azalma miktarı kadar da kütle sahibi olduklarını öne sürdü. Yani Higgs’in hayal ettiği evren kocaman bir okyanustu. “Büyük” cisimlerin suda yüzmesi daha zor olacak, “ufak” cisimlerin daha kolay olacaktı. Bu parçacığı bulmak ise, insanlığın dünya üzerinde daha önce hiç yaratmadığı bir miktarda enerji yaratmasını gerektiriyordu. Bu öyle bir enerji ki, daha önce sadece evrenin başlangıcında edinilmişti. Bazı teorik fizikçiler bu yüzden, böyle bir enerjinin Dünya yüzeyinde bir kara delik oluşturabileceğini bile iddia etmişlerdi.

Daha teorik fizikçiler böyle bir enerjiyi Dünya üzerinde yaratmak konusunda hemfikir değilken, bu denli büyük bir hızlandırıcıyı CERN bünyesinde inşa etmek bile şaibeli bir süreçti; zira Avrupa ülkelerinden dünyadaki en pahalı bilimsel projelerinden birisini yapmak için yıllık gelirlerinin önemli bir kısmını yatırmaları isteniyordu. Fakat ülke temsilcilerinin kafalarında bir soru işareti vardı, ya Standart Model yanlışsa ve Higgs bozonu diye bir şey hiç yoksa? O zaman ne olacaktı? İnsanlık tarihinde uzay yarışından sonraki en yüksek bilimsel proje bir hiç uğruna mı yapılacaktı? Bu riski almaya değer miydi?

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı

Yıllar geçtikçe, Standart Modelin gerçek olduğunu gösteren, onun öngörüleri olan kuarklar bir bir bulundukça bilimsel camiada büyük bir çarpıştırıcı inşa etmek için kamuoyu oluşmaya başladı. Üstelik artık 90’lı yıllara ulaşılmıştı. Soğuk Savaş’ın hemen ardından ülkeler birbirleri ardı sıra savunma bütçelerini kısmaya girişmişlerdi. Dolayısıyla Avrupalı siyasetçiler, bilim ve sanat gibi alanlara daha fazla bütçe yatırmaya başladı. Ülkeler arası değişim programları, uluslararası sanat fuarları hiç olmadığı kadar arttı.

The Scorpions şarkısında tanımlanan, fakat çok değil yalnızca bir 10 yıl sonra gerçek yüzünü gösterecek olan “değişim rüzgârı”, herkesi etkisi altına almıştı. CERN de, böyle bir ortamda Büyük Hadron Çarpıştırıcısı için 7,8 milyar Euro’luk bütçeyi almaya hak kazandı. Tüm giderler üyeler arasında ortak paylaştırılacaktı. Üç ülkenin altından geçen, evrendeki en az yoğun ortamlardan birine sahip olacak dev tüpler sırayla yeraltına indirilmeye başlandı. İnşaat sırasında Cenevre kentinin trafiği adeta durma noktasına geliyor, dev araçlar kentin yollarından büyük tüpleri CERN’e taşıyorlardı. En tehlikeli kısım ise süperiletken elektromıknatıslardı. İnşaat sırasında yanlışlıkla çalışan bir mıknatıs 8 işçiyi öldürmüş, olay duyulunca da teftiş nedeniyle inşaat birkaç ay durmak zorunda kalmıştı. Bu gibi aksaklıklarla devam eden inşaat 2008’de ancak bitmişti. Tam açılışı yapılmış ve projelere başlanacakken, iki adet tüpte akıntı fark edildi. Sonra başka bir tüpte, sonra bir başkasında. 2009’a kadar Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın stabil kalmasını sağlamaya çalışan biliminsanları, ancak Kasım 2009’da deneylere başlayabildi.

Standart Modelin öngördüğü parçacıkların tümü.

Higgs bozonunun keşfi

Higgs bozonunu bulmak için önce gaz tüpünün içinden hidrojen gazları, ufak bir tüpe gönderiliyor. Bu tüpün içinde döne döne hızlanan atomlar, çarpıştıklarında proton ve elektron birbirinden bağımsız olarak bulunabiliyor. Elektronlar, mıknatıslar yardımıyla bir noktaya toplanırken, protonlar ise 27 kilometrelik Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’na gönderiliyor. Burada ışık hızının yüzde 99 kadarına ulaşana kadar hızlandırılan protonlar, ortak olarak ilerleyebilecekleri bir ortak tüpe aktarılarak çarpışmaları bekleniyor. Çarpıştıklarında ise ortaya çıkan görüntü üzerinden birer birer altparçacıklar toplanıyor. Kuarklar haricinde sıra dışı bir parçacık ya da Higgs bozonu var mı diye bakılıyor.

Büyük umutlarla inşa edilmiş Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın inşasının üzerinden iki yıl geçmişti ve hâlâ Higgs bozonundan eser yoktu. Acaba hesaplarda bir yanlışlık mı yapılmıştı? Yoksa Standart Model mi yanlıştı? Tüm bu sorular, biraz da korkuyla, biliminsanlarının aklında dolanırken, yapılan rutin bir deney sırasında tuhaf bir veri bilgisayar ekranlarında gözüktü. Çarpışma sonrası ortaya çıkan “çorba”nın içinden, daha önceden bilinen altparçacıklar çıkartıldığında bir tane parçacığa ait izler sistemde kalıyordu. Yeni bir parçacık keşfedildiği çok barizdi ve hemen özelliklerine bakıldı. Özellikler Higgs bozonu ile de uyuşmaktaydı. Fakat deneysel fizikçiler, olayı bir süre açıklamamaya karar verdiler. Yüzde 100 olarak emin olmadan, Higgs bozonu verisini en az birkaç yüz defa elde etmeden kamuoyuyla paylaşmayacaklardı. Fakat her yapılan deneyde ortaya çıkan Higgs bozonları, gerek çalışmaya gelmiş sözleşmeli fizikçiler, gerekse stajyerler tarafından açıkça görülüyor, dedikodular büyüyordu. 4 Temmuz 2012’de Higgs bozonunun keşfedildiği CERN’de açıklandığında, ağzında bakla ıslanmayan bilim camiası zaten bu durumdan haberdardı. Standart Model tamamlanmış, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı birincil amacını tamamlamıştı.

Peki ya graviton nasıl gözlemlenebilir?

Fakat bu ortaya daha büyük bir sorun çıkaracaktı. Elimizde kütleçekimi hariç çoğu anda tutarlı olarak işleyen bir model var, modelle ilgili gereken her şeyi de kanıtladık. Fakat yapılan hiçbir deneyde, modeli bir yerlerden kütleçekimine bağlayacak bir ipucu –mesela yeni bir parçacık- ortaya çıkmadı. Bu durum pek çok teorik fizikçi için korkutucuydu. Sanki evrende kütleçekimi diye bir şey hiç var olmamış gibiydi?

Kütleçekimini Standard Modele eklemeyi amaçlayan bazı parçacık fizikçileri “graviton” adı verilen yeni bir parçacığın olduğunu, bu parçacığın kütleçekimi konusundaki bilgileri uzayda bir kütleden ötekine aktardığını iddia ettiler. Arkasındaki matematiği de, bazı konularda aksasa da, tutarlı bir şekilde sunmayı başardılar. Fakat gravitonu gözlemleyecek miktarda bir enerjiye sahip bir hızlandırıcıyı inşa etmek için neredeyse Ay’ın çevresi kadar büyük bir hızlandırıcı yapmak gerekecek. Dünya yüzeyinde bu denli bir manyetik etki yaratmak da neredeyse imkânsız. Dolayısıyla şu anki durum içerisinde hem teori, hem de deneyler bir kriz içerisinde. Ortada keşfedecek bir şey kalmadı gibi, ama hâlâ kütleçekimini çözemedik. Bilimin henüz açıklayamadığı bu gizemi çözecek parçacık fizikçileri gerekiyor! Bu gibi yeni bir modeli de geliştirecek kurum, tek bir ülkeye ait olmayacak şüphesiz. Pek çok ülke, bu aşamadan sonra fizik camiasına yeni bir ürün sunmak istiyorsa, birlikte çalışmak ve masrafları hep birlikte üstlenmek zorunda. Dolayısıyla 21. yüzyılda bilim, 20. yüzyılda olduğu gibi milletlerin birbirleriyle rekabet ettikleri bir alandan çıkıp, daha uluslararası ve küresel hale gelmekte. Bilim, insanları birleştiren itici bir güç olmakta, CERN gibi uluslararası kurumlar da bunun en büyük örneği. Hep birlikte yapacak çok işimiz var.