Higgs Bozonu Nasıl Üretilir?

Einstein’ın en ünlü kuramı genellikle E=mc² şeklinde yazılır ve enerji ile maddenin, aynı madalyonun iki yüzü olduklarını bize söyler. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) bu ilkeyi kullanarak, sıradan parçacıkların içindeki enerjiyi, doğada bulması zor olan başka parçacıklara çevirir. Örneğin Higgs bozonu o kadar büyük kütlelidir ki, neredeyse ortaya çıkar çıkmaz hemen bozunarak, daha hafif ve daha kararlı parçacık çiftlerine dönüşür.

Her çarpışma Higgs yaratamaz. Wisconsin Üniversitesi Madison Kampüsü’nden Laura Dodd, Higgs’in bir enerji öbeğinden öylece yaratılmadığını belirtiyor. Parçacıkların, nasıl oluşabileceklerini, bozunabileceklerini ve etkileşebileceklerini belirleyen katı bir kurallar kümesine uyduklarını vurguluyor. Bu kurallardan biri, Higgs bozonunun sadece Higgs alanı ile etkileşen parçacıklar tarafından üretilebileceğini söylüyor. Başka bir deyişle, sadece kütleli parçacıklar Higgs yapabilir.

Higgs alanı, uzayın her yanını kaplayan görünmez bir örümcek ağı gibi düşünülebilir. Parçacıklar bu alandan geçerken, bazıları yapışkan ipliklere takılıyor; bu da onların kütle kazanmalarına ve yavaşlamalarına neden oluyor. Fakat diğer bazı parçacıklar için, örneğin fotonlar ve gluonlar için bu ağ bütünüyle saydam; hiç takılmadan içinden geçip gidiyorlar. Yeterince enerji verildiğinde, Higgs alanına takılan parçacıklar, enerjilerini alana aktarıp, bir Higgs bozonunu dışarı atabiliyor. Kütlesiz parçacıklar Higgs alanı ile etkileşmediklerinden, onların neden Higgs üretemeyecekleri de anlaşılmış oluyor.

BHÇ, 27 km’lik tünelinde, proton demetlerini ters yönlü olarak ışık hızına çok yakın hızlara ivmelendiriyor ve halkanın dört farklı yerinde bulunan kesişim noktalarında kafa kafaya çarpıştırıyor. Proton temel bir parçacık değil; kuarklardan ve gluonlardan oluşuyor. İki enerjik proton birbirlerinin içinden geçerken, genellikle kütlesiz gluon çiftlerinin alanları kaynaşıyor ve birleşen enerjileri ile başka parçacıkları varlık kazanmaları için uyarıyorlar; buna Higgs bozonu da dahil.

Nasıl oluyor bu? Gluonlar hileli bir yol mu bulmuş? Durham Üniversitesi’nden kuramcı Richard Ruiz, eğer BHÇ’deki çarpışmalar basit, tek basamaklı süreçler olsaydı, gluonlarla Higgs bozonu üretmenin olanaksız olacağını söylüyor. Neyse ki öyle değiller. Gluonlar enerjilerini hemen bir sanal parçacığa çevirebilir; o da gluonun enerjisini kütleye çevirir. Eğer iki gluon, bir çift sanal üst kuark üretirse, bu üst kuarklar tekrar birleşip, çift yok olması sonucunda Higgs bozonunu ortaya çıkarabilirler.

Daha açık söylemek gerekirse, sanal parçacıklar hiç de kararlı parçacıklar değildir. Onlar daha çok, kuantum mekaniksel alanlardaki sıra dışı çalkalanmalardır ve çok kısa bir süreliğine (Heisenberg belirsizlik ilkesi tarafından izin verilen zaman aralığı için) yokluktan varlığa geçerler. Gerçek bir parçacığı çalışan bir iş yeri olarak düşünürsek, sanal bir parçacık sadece kağıt üzerinde kurulmuş bir şirket gibidir.

Kuramcılar, Higgs bozonlarının yaklaşık %90‘ının gluon kaynaşması ile yaratıldığını öngörüyor. İki gluonun çarpışıp bir üst-antiüst kuark çifti yaratıp, ardından Higgs vermesinin olasılığı kabaca 2 milyarda 1 olarak hesaplanıyor. Ama BHÇ her saniye yaklaşık 1 milyar proton çarpışması ürettiğinden, şans bilimcilerden yana ve Higgs bozonu üretim oranı kabaca her birkaç saniyede 1 oluyor.

Higgs keşfinden kısa süre sonra, bilimcilerin Higgs bozonu bozunduktan hemen sonra neler olduğuna odaklandığını söylüyor Dodd. “Ama şimdi elimizde daha fazla veri olduğundan ve Higgs’i daha iyi anlamış durumda olduğumuzdan, Higgs’in farklı mekanizmalarla ne sıklıkta üretildiğini anlamak için çarpışma yan ürünlerine yakından bakmaya başlıyoruz,” diye ekliyor.

Parçacık fiziğinin Standart Model‘inin öngörüsüne göre, neredeyse tüm Higgs bozonları, dört olanaklı süreçten biri sonucunda üretiliyor. Bilimcilerin görmek istediği şey ise Higgs bozonlarının, Standart Model’in öngörmediği bir şekilde yaratılmaları; örneğin yeni bir parçacığın bozunumuyla. Bilinen kuralların çiğnenmesi, fizikçilerin şimdiye dek anladıklarından daha fazlası olduğunı göstermiş olurdu.

“Biliyoruz ki, kimin kiminle konuşacağı konusunda, parçacıklar katı kurallara uyuyor; çünkü deneylerimizde hep aynı şeyleri görüyoruz. O yüzden şimdiki soru şu: Bizim standart parçacıklarımızla etkileşmeyen ama Higgs bozonu ile etkileşebilen keşfedilmemiş bir parçacıklar grubu olabilir mi?“ diyor Ruiz.

Bilimciler, çarpışmalardan yayımlanan fazlalık parçacıklar ya da öngörülenden daha sık veya daha seyrek gerçekleşen bozunum yolları gibi beklenmeyen herhangi bir şeye karşı gözlerini dört açmış durumda. Böylesi ipuçları, Higgs bozonuna dönüşen keşfedilmemiş ağır parçacıkların işareti olabilir. Öte yandan, bazen Higgs yapan zincirleme tepkimelerde beklenmeyen bileşenlerin ipuçlarını bulmak için bilimcilerin ne beklemeleri gerektiğini de doğru şekilde bilmeleri gerekiyor.

“Elimizde tüm bunları öngören harika matematiksel modeller var ve eşitliklerin her iki tarafında da nelerin olması gerektiğini biliyoruz. Şimdi bu öngörüleri deneysel olarak sınamamız ve her şeyin birbirini tuttuğunu görmemiz gerek. Eğer tutmazsa, eksik değişkenlerin neler olabileceğini bulmamız gerekecek,” diyor Ruiz. 

Kaynak
"Higgs Bozonu Nasıl Üretilir?"
https://bilimfili.com/higgs-bozonu-nasil-uretilir/