Higgs Parçacığı (Higgs Bozonu, Higgs Boson, Tanrı Parçacığı)

Peter Higgs, Gerald Guralnik, Richard Hagen, Tom Kibble, Francois Englert ve Robert Brout tarafindan Standart Model deki fermiyonlara kütle kazandırmak için varlığı öne sürülmüş spini Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir! olan parçacık. Henüz varlığı doğrulanmamıştır, H veya h olarak kısaltılır.^[1]

Temel parçacıklar, nasıl kütle kazanıyor? Fizik bunu çözebilmiş değil. Temel parçacıkların kütle farklılıklarını açıklayan modeller var. Peter Higgs'in, ortaya koyduğu "Higgs alanı ve parçacığı teorisi" de doğrulanmayı bekleyen böyle bir model. Higgs parçacığı, tüm diğer temel parçacıklar gibi, kara maddeyle de ilişkili görülmektedir. Özellikle Peter Higgs, kendi ismini taşıyan parçacığın, mutlaka deneyde ortaya çıkacağını söylemektedir.

Bir ateist olan Peter Higgs, "Tanrı Parçacığı" denmesinden memnun olmasa da; bu isim, yaygın olarak kullanılıyor. Bu isim nereden geliyor? Nobel Fizik ödülü sahibi Leon Lederman, peşinden koştuğu ve bir türlü yakalayamadığı bu Higgs parçacığına izafeten; kitabına "Tanrı Kahretsin Parçacığı" ismini vermek isterken; yayımcısının uyarısıyla; "Tanrı Parçacığı" adını veriyor ve bu isim böylece ortaya çıkıyor. O halde Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir!ndeki beklentilerden birisi de, Higgs parçacığının kendisini göstermesidir. Bu parçacığın, bu deneylerde; orada olduğuna dair bir sinyal vermesi, bilim adamlarını mutlu etmeye yetecektir.^[2]

Higgs parçacığına yönelik en son aramalar, 1999 yılında LEP hızlandırıcısında gerçekleştirilen dört deneyle yapıldı. Araştırmacılar özellikle, Higgs olayı olarak bilinen ve bir Higgs parçacığı ile bir Z parçacığının oluşmasına yol açan çarpışmalara, yani

e⁺ + e^- => Z + H => Z + aşağı + aşağı karşıt

olaylarına bakıyordu. Higgs parçacığı çok kısa bir yarı ömre sahipti ve hemen başka parçacıklara bozunuyor, Standart Model'e göre, olabildiğince ağır olması gerekiyordu. Ancak bozunması sonucunda alt veya üst Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir!lardan, birine ya da diğerine yol açabilirdi. Halbuki LEP hızlandırıcısının enerji düzeyi, alt Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir!ın oluşması için yeterli, fakat daha ağır olan üst Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir!ın oluşturulması için yetersizdi. Dolayısıyla, alt Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir! çiftine yol açan kanalın tercih edilmesi halinde, Higgs olayı gerçekleşebilecek ve parçacığı gözlenebilecekti. Aksi halde, sonuç yok... Nefesler kesilip, deney sonuçları beklendi.

Sonuçlar gelmeye başladığında; Z parçacığı farklı olasılıklarla değişik şekillerde bozunabildiğinden, değişik araştırmacı grupları, Z'nin farklı bozunmalarına yol açan çarpışmaları incelemeye başladı. Örneğin, Stockholm'lu araştırmacılar, Z parçacığının iki nötrinoya bozunduğu Higgs tipi çarpışmalara bakıyor, dolayısıyla iki alt Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir!la iki nötrino içeren çarpışmaları inceliyordu. İki Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir!, iki parçacık jetine yol açacak, nötrinolar ise dedektörden, fark edilemeden çıkıp gidecekti. Böyle bir çarpışmada, enerjinin bir kısmı nötrinolar tarafından taşındığı için, beklenenden az enerji ölçülecekti.^[3]

İngiliz fizikçi Stephen Hawking, LHC deneyinin Higgs bozonunu bulamayacağına dair Profesör Kane ile iddiaya girerek 100$ yatırmıştı.^[1]

Süpersimetri, kuantum kromodinamiği ve büyük birleşik teorileri de içeren alanlarda, önde gelen çalışmalarından dolayı, son derece saygın bir fizikçi olan Prof. Howard Georgi; maddeyi oluşturan ve madde olmayan bir "şey"(aparçacık) keşfinden söz ediyor. Harvard Üniversitesi fizikçisi Prof. Dr. Howard Georgi; evrenin, parçacık olmayandan yapılmış, tamamen yeni bir madde çeşidiyle kaplı olduğu önerisini getiriyor ve şöyle diyor: "Parçacık olmayan; kimlik değiştirebilen, ışıktan hızlı gidebilen ve normal parçacıkların bir bileşenine dönüşebilen bir şey. Onlar, bizim alışkın olduğumuz hiçbir şeye benzemiyor."

Georgi, bu parçacık olmayan aparçacığın, ortaya çıkması konusunda şunları söylüyor: "Aparçacıkların, diğer garip özellikleri zaten açığa çıkmış durumda. Daha fazlasının beklentisi içindeyim. Bu çok eğlenceli. Herhangi bir "aparçacık yapı"nın, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda ortaya çıkması, çok zayıf bir olasılık. Ancak şayet bu gerçekleşirse, bunu sıra dışı bir işaret ile anlayacağız. Yani deneyciler, bu "hayalet parçacık"a ait işaretleri görebilirlerse, "aparçacık yapılar"ın izini bulmuş olabileceklerdir." <sup>[2]

Resimler Sadece üyeler içindir! event.jpg" height="360" width="450"></sup>

Tanrısal Parçacık (God Particle)

1970'lerden itibaren parçacık fizikçileri, güçleri gün gittikçe artan parçacık hızlandırıcıları sayesinde evrenin gizemlerinin daha da derinlerine inebilmektedirler. Bu muazzam makineler (örneğin İsviçre'deki uluslararası Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir!'de bulunan hızlandırıcı 27 kilometrelik bir elektro-mıknatıs çemberidir) maddeyi, parçacıklarını ışık hızına yakın hızlara çıkararak parçalayıp, esas yapılarını anlamamızı sağlayan bir enerji patlaması içinde yok olmalarını sağlamak üzere birbirleriyle çarpıştırmaktadırlar. Bu süreç sayesinde bilim adamları maddenin çok daha ince katmanlarını soyarken, doğanın dipsiz gibi gözüken kuyusuna, gerçekliğin en önemli ve garip düzeylerine göz atabilmektedirler. 50 seneyi aşkın süredir devam eden bu ve benzeri deneyler sonucunda, "Standart Model" denilen bir madde modeli ortaya çıkmıştır.

Standart Model'e göre, evrenin tamamı sadece 16 parçacıktan oluşmaktadır. Model oluşturulur oluşturulmaz, bazı anormallikler, Standart Model'in sunduğu gerçeklik resminde bazı eksiklikler görülmeye başlandı. Çok derin, hatta temel bir gerçeklik düzeyinde varolan ve evrendeki tüm maddeleri düzenleyen ve onlara madde özelliğini veren bir enerji alanının yardımı olmadan, bu 16 parçacıktan hiç birinin kendi kendine var olamayacağı görüldü. Edinburgh Üniversitesi profesörü Peter Higgs'in öne sürdüğü şekliyle bu enerji alanı, Higgs Parçacıkları'ndan oluşmaktadır. Bu parçacıkların bir araya gelmesiyle oluşan Higgs Enerji Alanı, maddenin tüm diğer temel parçacıklarının var olması için gerekli kütleyi oluşturmaktadır. Gerçekliğin bu derin düzeyiyle, David Bohm'un "Gizli Düzen (Implicate Order)" fikri arasındaki benzerlik oldukça şaşırtıcıdır. Nobel ödüllü fizikçi Leon Lederman, Higgs Parçacığı'nı, "Tanrısal Parçacık (God Particle)" olarak adlandırmayı uygun gördü, çünkü birleşmiş bir "her şeyin teorisi" için temel oluşturduğunu düşünmekteydi. Burada sorulması gereken esas soru ise şudur, "Böyle bir enerji alanı ya da Higgs Parçacığı olarak adlandırılan parçacık gerçekten var mıdır?"

Yakın zamanda, Higgs Parçacığı'nın varlığına ilişkin ilk kuvvetli işaretler (%95 oranında kanıtlandı) elde edilmiştir . Kesin bir teyit elde etmek için, bugüne kadar olduğundan çok daha yüksek enerji düzeylerinde çalışma kapasitesine sahip, yeni bir parçacık hızlandırıcısı inşa edilecektir. Uluslararası Lineer Çarpıştırıcı (International Linear Collider) ya da kısaca "ILC" adındaki bu hızlandırıcı, 30 kilometre uzunluğunda, madde ve anti-maddeyi inanılmaz hızlarla çarpıştırarak gerçekliğin daha derin düzeylerine inilmesini sağlamak üzere çok daha büyük enerji patlamaları oluşturabilecek bir yüksek-enerji parçacık fiziği laboratuarı olacaktır. Böylece bilim adamlarının 21. yüzyılın en zorlayıcı sorularına cevap bulmalarında yardımcı olabilecek bir araç görevi görecektir - yani karanlık madde, karanlık enerji, ekstra boyutlar ve madde, enerji, uzay ve zamanın gerçek doğası hakkındaki sorulara. 5 milyar dolara mal olacağı tahmin edilen bu proje için, hiç bir ülkenin tek başına kaynak bulması mümkün olmadığından, ILC'nin gerçekleşmesi için uluslararası bir işbirliği yapılması gerekmektedir. ILC'nin 2007 yılında faaliyete geçmesi beklenmektedir.<sup>[4][5]

Resimler Sadece üyeler içindir!</sup>

Higgs Bozonu, Göz Kırpıyor

Neredeyse 20 yıldır fizikçiler için "en büyük av" olma özelliğini sürdürmekle birlikte bir türlü ele geçmeyen Higgs parçacığı yakayı ele vermek üzere. Ancak, büyük laboratuarlarda sorguya alınmadan önce avcılarını birbirine düşüreceği kesin. Higgs parçacığı ya da bozonunun başına böyle büyük bir ödül konmasının nedeni, parçacıklara kütle kazandırması. Fizikçiler, evrenin her noktasını dolduran Higgs alanıyla etkileşen ve temel doğa kuvvetlerinden zayıf etkileşimi duyan tüm parçacıkların kütle kazandığı düşüncesini taşıyorlar.^[6]

1966 yılında Edinburgh Üniversitesi'nden Peter Higgs'in düşünce ürünü olan parçacık, yıllardır kuramcıları peşinden koşturuyor. Nedeni, parçacık fiziğinin kutsal kitabı sayılan Standart Model'in yanıt veremediği pek çok soruyu açıklama potansiyeli. Ayrıca Higgs parçacığının, temel doğa kuvvetlerinin özdeşleştirilmesinde de anahtar rol oynaması bekleniyor. Ancak parçacık, daha önce öngörülen enerji düzeylerinin altında ortaya çıkacak göründüğünden, Standart Model'in başına yeni dertler de açabilir.

Avrupa Parçacık Fiziği Laboratuvarı Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir!'de fizikçiler, geçtiğimiz ay, bir süredir gücünün sınırında çalıştırmaya başladıkları büyük bir parçacık hızlandırıcısında, Higgs bozonunun varlığını gösterebilecek "işaretler" saptadıklarını açıkladılar. Bu bile, yerini çok daha güçlü bir hızlandırıcıya bırakmak üzere sökülmeye hazırlanan LEP'in ömrünü en az bir ay (2 Kasım'a kadar) uzatmaya yetti. Büyük Elektron - Pozitron Çarpıştırıcısı LEP'te parçacıkların çarpışma ürünlerini izleyen dört dev detektör, Higgs imzası olabilecek bozunma örüntüleri saptamış bulunuyor. Çarpışmalarda pek çok başka ürün arasında, ancak birlikte oluşabilen Higgs ve (zayıf etkileşime aracılık eden üç bozondan biri olan) Z⁰ bozonu, ortaya çıkar çıkmaz başka parçacıklara dönüşüyorlar, bunlar da gene çok kısa süre içinde başkalarına...

Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir! fizikçilerini heyecanlandıran, ayrı yönlerde Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir!lardan oluşan dört parçacık fışkırması (meslek dilinde "jet"). Bunun rastlantısal bir olgu olması olasılığı, yapılan hesap ve gözlemlerle önce yüzde bire, daha sonra da binde bire düşürülmüş. Ancak "işaretlerin", "kanıt" değeri kazanabilmesi için rastlantı olasılığının en az milyonda bire kadar düşürülmesi gerekiyor. İşte Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir! fizikçileri, bir ay içinde LEP'i gücünün ötesinde zorlayarak bunu gerçekleştirmeye çalışacaklar. Higgs parçacığını aramak üzere tasarlanmış bir makinenin, 11 yıl sonra tam devreden çıkmak üzereyken avının kokusunu alması, ilk bakışta kaderin oynadığı acı bir oyun gibi görünüyor. Aslındaysa bu "son an" sendromu, pek rastlantısal değil. Fizikte daha önceki büyük keşifler de genellikle son anda yapılıyor. Nedeni, büyük ve pahalı makineleri kullananların, bunları tasarım sınırlarına kadar zorlayıp ömrünü kısaltmaktan çekinmeleri. Ancak makineler devre dışı bırakılacağı zaman (kaybedecek bir şey olmadığı için) araştırmacılar bunları güçlerinin sınırında, hatta ötesinde çalıştırmaya başlıyorlar. LEP'te de olup biten bu.

Higgs "işaretleri"nin 114 ya da 115 milyar elektronvolt (GeV) düzeyinde ortaya çıktığı sanılıyor. Higgs'le beraber ortaya çıkan Z0 bozonlarının daha önceden belirlenen kütlesi de 91 (Gev) yakınlarında. Ükisinin toplam enerjisi 205-206 (gev) ediyor. Bu enerji düzeyine çıkabilmek, LEP fizikçilerinin, "artık makine kapanıyor; ne olacaksa olsun" mantığıyla elektron ve bunların ters yüklü karşılığı olan pozitronları, 103'er GeV'e kadar hızlanırmalarıyla mümkün olmuş. Elektron ve pozitron demetleri, ters elektrik yükü taşıdıklarından, güçlü süperiletken mıknatıslar yardımıyla paralel iki tünelde ters yönlerde neredeyse ışık hızına kadar hızlandırıyorlar ve daha sonra detektörlerin içinden geçen silindir biçimli bir odada çarpıştırılıyorlar. Hem elektronlara, hem de pozitronlara 103 GeV enerji verilebildiği için toplam çarpışma enerjisi, 206 GeV oluyor. Yani tam Higgs ve kardeş bozonunun toplam enerjilerinin sınırında!..

Demek ki daha önceki deneylerdeki "normal" enerji düzeyleri, bu 206 GeV toplamını veremediği için, aslında 114 GeV kütledeki (Einstein'ın ünlü formülü uyarınca enerji = kütle) Higgs daha önce, örneğin 150 ya da 200 GeV enerji düzeylerinde ortaya çıkamamış. Çünkü bozon kardeşlerini geride bırakamıyor. LEP fizikçileri, şimdi harıl harıl daha fazla çarpışma verisi toplamaya çalışıyorlar. Amaç, CERN yetkililerini yumuşatarak LEP'in idamını biraz daha erteletmek. Telaşın nedeni, biraz da bu büyük keşfin onurunu, CERN'in ezeli rakibi olan ABD'deki Fermilab araştırma merkezine bırakmamak. Fermilab, yenilenerek merkezde toplam çarpışma enerjisini 1 trilyon elektronvolt (TeV) düzeyine yükseltecek kapasite kazandırılmış bir hızlandırıcıyı devreye sokmaya hazırlanıyor. Ama sorun, elektron ve pozitronlar yerine, Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir!lardan oluşan ve dolayısıyla çarpışma ürünleri son derece karmaşık ve izlenmesi güç olan protonlar kullanması.

Fermilab, eğer eline geçecek bu fırsatı değerlendiremezse, top yine Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir! 'e geçecek ve Higgs avını, 2005 yılında devreye girerek proton ve antiprotonları çarpıştıracak Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) devralacak. LHC, LEP'ten 10 kat daha güçlü ve Higgs'in ardından, Standart Model'in öngördüğü süpersimetri parçalarını da arayacak. Bu nedenle Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir!yönetimi, parsayı Fermilab'a kaptırma pahasına da olsa, LEP'in ömrünü daha fazla uzatıp LHC'nin montaj sürecini geciktirmek istemiyor.<sup>[7]

Resimler Sadece üyeler içindir! event.jpg" height="414" width="450"></sup>

Küçük Higgs

Standart Model'i tutarlı bir kuram olarak yazabilmek için fizikçiler, Higgs parçacığı adı verilen, spini olmayan bir parçacığın daha olduğunu varsaymak zorundalar. Bu parçacık olmasaydı, gözlemlediğimiz hiçbir parçacığın kütlesi olamazdı. Bunun bizim için önemli sonuçlarından birisi de, elektronun kütlesi olmayacağı için, atomlar oluşamayacaktı. Standart Model bakımındansa bu parçacık, bulmacayı tamamlayan son parçadır; şayet bu parçacık bulunamazsa, Standart Model'de köklü değişiklikler yapmak zorunda kalınacaktı.

Higgs problemi, bir başka yönüyle de hiyerarşi problemiyle ilgilidir. Parçacıklar, başka parçacıklarla etkileşime girdikleri zaman kütleleri değişir. Bu değişimi Higgs parçacığı için hesapladığımızda, bu değişiklik 1019 GeV6'dır. Oysa deneysel verilerden biliyoruz ki, Standart Model'in Higgs parçacığının kütlesi 150 GeV'den küçük olmalıdır. Bunun için, Higss parçacığının başlangıçtaki kütlesi 1019 olmalıdır ki, başka parçacıklarla olan etkileşimlerden gelen düzeltmelerle toplandığında birbirlerini sadeleştirsinler ve geriye ilk baştaki kütleden 1017 kat daha küçük bir sayı kalsın. Bu kadar hassas bir sadeleştirmenin olmasıysa oldukça olasılık dışıdır. Eğer kütle çekimi çok daha düşük enerji düzeyinde önemli olsaydı, bu problem karşımıza çıkmayacaktı.<sup>[8]

Resimler Sadece üyeler içindir!</sup>

Kuramsal Ayrıntılar

Standart Model içindeki kuvvet taşıyıcı ayar bozonları kısa erimli doğaları sebebi ile kütleli olmak zorundadırlar. Higgs spin'i 0 olan komplex bir alandır. Bu iki yüksüz iki de yüklü parçacığa karşılık gelir. Higgs potansiyeli Kendiliğinden Simetri Kırılması dolayısıyla bir vakum beklenen değerine VBD sahip olur. Aynı zamanda sözü geçen 4 parçacıktan sadece bir tanesi kalır. VBD, SU(2)_L ayar alanın 3 tane ayar parçacığına kütle verir. Bu 3 ayar parçacığı $W^{pm}$ ve Z^0 bozonlarıdır.<sup>[1]

Resimler Sadece üyeler içindir!</sup>

Deneysel Ayrıntılar

Varlığı deneysel olarak henüz ispatlanmamış olan Higgs bozon için LEP-2 den elde edilen sonuç kütlesinin 115 GeV den büyük olması gerektiği şeklindedir. Arama çalışmalarına Fermilab da CDF ve D⁰ deneylerinde devam edilmektedir.

2008 yılının sonlarında çalışması planlanan Bağlantı adresi Sadece üyeler içindir!'deki LHC hızlandırıcısında yapılacak CMS deneyi, ATLAS, LHCb deneyi ve ALICE deneylerinde Higgs parçacığı yanı sıra Standart Model ötesinde nasıl bir fizik olduğu araştırılacaktır.^[1]

Kaynaklar

[1] tr.wikipedia.org/wiki/Higgs_bozonu
[2] www.yaklasansaat.com/haberdosya/2008_haberleri/nisan/nisan21.asp
[3] www.biltek.tubitak.gov.tr/bilgipaket/madde/w_bozunma_4.html
[4] Peter Mark Adams'ın Uluslararası sayfalarda yayımlanan makalesinden alıntıdır.
[5] www.turgayreiki.com/forum/showthread.php?t=3853
[6] Bkz: Maddenin Aslı, Bi1im ve Teknik, sayı 386, s 50-57
[7] www.biltek.tubitak.gov.tr/haberler/fizik/2000-10-2.pdf
[8] www.webhatti.com/fizik/149905-kucuk-higgs.html

ALINTIDIR ;)