Geçen ay CERN’ün internet sitesinde yayımlanan habere göre(1) lepton evrenselliği düşünüldüğü kadar evrensel olmayabilir. Peki leptonlar ve evrenselliği nedir? Neden önemlidir?
Bu zamana kadar fiziğin yazılmış en başarılı (açıklayabildiği veri sayısına göre, tartışmasız olarak, kabaca parçacık fiziğinde bilinen neredeyse bütün deneysel sonuçları kapsadığını söyleyebiliriz) modellerinden olan, güçlü, zayıf ve elektromanyetik kuvvetler sayesinde temel parçacıkların (iç yapısı olup olmadığı bilinmeyen ancak olmadığı varsayılan, noktasal kabul edilen) etkileşimini açıklayan Standart Model’de 2 farklı temel parçacık sınıfı var. Bozonlar ve fermiyonlar. Bozonlar, basitçe kuvvetleri taşıyan, fermiyonların birbirleriyle “iletişimini” sağlayan parçacıklar. Fermiyonlar ise “fermiyonik madde”yi oluşturan yapıtaşları. Bu parçacıklar ikiye ayrılıyor. Kuarklar ve leptonlar. Kuarklara kısaca nötron ve protonun iç yapılarını oluşturan parçacıklar denilebilir. Leptonlar ise, biri bizim günlük hayattan da yeterince iyi bildiğimiz, üç farklı çeşniye (flavour) sahip. Bunlar elektron, müon ve tau parçacıkları ve bunların nötrinoları. Bunları birbirinden ayıran tek özellik ise kütleleri ve yazıldığı sıra ile, kütleleri küçükten büyüğe doğru sıralanıyor. Ancak Standard Model, bu kadar başarısına rağmen birçok cevaplanamayan soru da barındırıyor. Bunlardan, konuyu ilgilendiren en önemli soru, fermiyonların neden neredeyse birbirlerinin aynısı olan 3 çeşni şeklinde oluşmuş olduğu. Ya da acaba gerçekten aralarındaki tek fark kütleleri mi?
Standard Model’in 24 bağımsız parametresi var. Yani teoriden yola çıkarak bulunamayacak ve deneyle ölçülüp yerine koyulması gereken, bu sayede de geri kalan her şeyin değerini bulmaya yarayan 24 farklı fiziksel büyüklük var. (Her şeyin teorisinde yalnızca 1 tane parametre olması öngörülüyor.) Bu 24 parametrenin en büyük kaynağı ise modelin fermiyonik kısmı. 9 fermiyon kütlesi, 3 tane karışım açısı (nötrino çeşnilerinin birbiriyle ne kadar karıştığını açıklayan parametreler) ve bir tane de kompleks faz. (Burada nötrinoların kütlesiz olduğu varsayılıyor, ama artık nötrinoların elektrona göre oldukça küçük de olsa bir kütlesinin olduğu düşünülüyor.) Aslında fermiyonların kütlelerinin oluşumu, son yılların en popüler parçacık fiziği konusu olan Higgs parçacığı ile direkt bağlantılı. Ama şimdilik Higgs ile ilgili yeterince bilgi olmadığı için çeşni dinamikleri alan içersindeki “terra incognita” denilebilir.
Güzel olan ise leptonik kısmın kuarklara göre incelemesinin çok daha kolay olması. Çünkü kuarklar hadronlar içerisinde hapis durumda ve asla serbest olarak gözlemlenemiyorlar. Bu sayede leptonların zayıf ve elektromanyetik etkileşimleri direkt ve hassas olarak ölçülebiliyor. Sadece leptonlar arasındaki etkileşimlerle oluşan leptonik geçişlerde güçlü etkileşimin katkısının çok az olması da, leptonik bozunmaları çok daha iyi test etmemizi ve neredeyse hatasız sonuçlar elde etmemizi sağlıyor. Aynı şey yarı leptonik (hadronların da içinde bulunduğu) etkileşimler için de geçerli.
Lepton evrenselliği denilen ise, 3 çeşninin kütle dışında hiçbir farkı olmadığından, hadronların, zayıf etkileşimler sonucu, bozunmasında aynı şekilde davrandıklarını söyleyen bir teori. Yani bir X hadronu hem tau hem müon hem de elektrona aynı şekilde ve oranda bozunabilir. (Kütlelerinden kaynaklı devinimsel, yani kinematik farklılık hariç.) Ama bunun ne kadar hassas bir varsayım olduğu ise bir başka soru.
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki (LHC) 4 detektörden biri olan LHCb deneyinde, hadron ailesine ait olan B+ mezonları izole edilmiş ve bozunmaları incelenmiş. Standart Model’e göre B+ mezonları kaon (bir başka hadron), elektron ve pozitrona (anti-elektron) ve kaon, müon ve anti-müona aynı sıklıkta bozunmalı. Yani, eğer biz bu B+ mezonlarının bozunmalarını incelersek, bu süreçte ortaya çıkan, aynı sayıda elektron ve müon gözlemlemeliyiz. Eğer ki bu oranda bir farklılık olursa, bu fizikte yeni bir kapının açılışı olabilir. Bundan önce iki büyük deneyde (Belle ve Babar) ölçülen bu olay Standart Model’in öngörülerine karşı bir sonuç bulamadı ve aynı oranda elektron ve müon oluştuğunu gözlemlemişti. Ancak LHCb’nin detektörü, haberde söylenilen kadarıyla daha hassas bir silikon parçacık iz sürücüsüne (tracker) ve parçacık tanımlamasına sahip. Bu sebeple aynı olaya tekrar bakan LHCb ekibi, diğer iki deneyin aksine, müonların üretiminin elektronlara oranla ¼ oranda az olduğunu açıkladı. Ancak bu sonuç kesin değil. Çünkü, B+ mezonunun bir müon veya elektrona bozunması olayları milyonlarca B+ bozunmasından sadece birkaçında gözlemlenebiliyor. Başka bir deyişle, bu olayı hâlâ istatistiksel hata domine ediyor. Bu sebeple, kesin bir şey söyleyebilmek için çok daha fazla veriye ihtiyaç olmakla beraber, şu ana kadar elde edilmiş olan istatistiksel doğruluğun yüz olaydan birinin istatistiksel sapma olduğu açıklanmış. Bu bilimsel camiada kesin bir sonuç olarak kabul edilmiyor, çünkü geçmişte bu oranlarda istatistiksel sapmaların olduğu gözlemlerin yanlış çıktığı biliniyor. Ancak, sonuç doğrulanır ise bu, “yeni fizik” için açılmış yeni bir kapı demek olacak. Fizikçilerin halihazırdaki modeller ile açıklayamadığı yüzlerce soru olduğundan bu kapılara oldukça ihtiyaçları var.
Kaynaklar
1) http://home.web.cern.ch/about/updates/2014/06/how-universal-lepton-universality
2) İleri okumalar için bilimsel bir makale: “lepton universality”, http://arXiv.org/abs/hep-ph/9701
