Higgs Bozonu Nedir? Neden Tanrı Parçacığı Olarak Bilinir?

2012 yılının Temmuz ayı bilim dünyası için önemli bir zamandı. Fizikçiler, 40 yılı aşkın bir süredir kendilerini rahatsız eden bir gizemi sonunda çözmüşlerdi. Herkes hararetle birbirinin elini sıkarken yaşlı bir adam gözyaşlarına boğuldu. Bu başarının arkasındaki isim Nobel ödüllü fizikçi Peter Higgs’ti.

Peter Higgs, 1964 ile 1966 yılları arasında bir dizi makalesinde Higgs bozonunu, temel parçacıklara kütle kazandırmaktan sorumlu mekanizmanın kaçınılmaz bir sonucu olarak öngörmüştü. Bu yeni temel parçacık Higgs bozonu, nam-ı değer ‘Tanrı Parçacığı’, CERN’de yapılan deneylerle keşfedildiği günden itibaren bilim dünyasında yeni kapılar araladı. 2013 Nobel Fizik Ödülü aslında Higgs bozonunun keşfine verildi. Peter Higgs ve François Englert, atom altı parçacıklara kütlelerini veren mekanizmayı önerdikleri için ödülü paylaştılar.

Parçacık fiziği uzmanları için bu, onlarca yıl süren ve son derece zorlu bir yolculuğun sonuydu ve alanın tarihindeki tartışmasız en önemli sonuçtu. Ancak bu son aynı zamanda deneysel fizikte yeni bir çağın başlangıcına da işaret ediyordu.

Teorik fizik gizemlerle ve bilinmeyenlerle doludur. Bazı parçacıkları bulamasak bile onların varlığını tahmin edebiliriz. Higgs bozonunun durumunda da aynı şey geçerliydi.

Geçtiğimiz on yılda, Higgs bozonunun özelliklerine ilişkin ölçümler, parçacık fiziğinin standart modelinin  öngörülerini doğruladı. Ancak aynı zamanda bu modelin sınırlamalarına ilişkin, örneğin daha temel bir doğa teorisinin olup olmadığı gibi soruları da gündeme getirdi. Peki ama Higgs bozonu nedir? Ayrıca neden Tanrı Parçacığı diyoruz?

Higgs Bozonu Nedir?

Valizinizi havalimanı check-in kontuarındaki tartıya yerleştirdiğinizde, limitin altında olmasını ve fazla bagaj ücreti ödememenizi umarsınız. Sonucunda bavulun kütlesine etki eden Dünya’nın yerçekimi kuvveti, onun ağırlığını belirler. Dünya’da ağırlığı 20 kg olan bir bavulun ağırlığı ayda 3 kg olacaktır, ancak kütlesi aynı kalacaktır. Peki ama bavulun kütlesini ne belirler? Peki daha da önemlisi kütle nedir?

Bu, parçacık fiziğinin günümüzün en önemli sorularından biridir. Kütlenin kökenine ilişkin önde gelen açıklama, 1964 yılında geliştirilen ve Higgs alanını ve Higgs bozonunu içeren Higgs mekanizmasıdır. Higgs bozonunun önemini anlamanın en kolay yolu evrenin başlangıcına gitmektir.

Büyük Patlama’dan sonra kısa bir süre için tüm parçacıklar kütlesizdi. Ancak çok geçmeden sıcaklık bir trilyon derecenin altına düştüğünde, Evren’in simetrisi bozuldu. Peter Higgs, simetri kırılmasına sebep olması muhtemel, özel bir alanın varlığını iddia etti ve sonrasında bu alanı Higgs alanı olarak isimlendirdi.

Bu alanla etkileşime giren bazı parçacıklar yavaşladı, bazıları ise yavaşlamadı. Bunun sonucunda protonlar ve nötronlar gibi olanlar kütle kazanırken, fotonlar ve gluonlar gibi diğerleri kütlesiz kaldı. Bu kütleye sahip olan parçacıklar atomları oluştu ve nihayetinde de biz oluştuk

Higgs Bozonun Keşfi Neden Çok Önemliydi?

Parçacık fiziğinin Standart Modeli, evrenin temel yasaları için bilimin mevcut en iyi çerçevesidir ve bizlere üç temel kuvveti tanımlar. Bunlar elektromanyetik kuvvet, zayıf kuvvet ve güçlü kuvvettir. Güçlü kuvvet atom çekirdeklerini bir arada tutar.

Ancak bazı çekirdekler kararsızdır ve radyoaktif bozunmaya uğrayarak parçacıklar yayarak yavaş yavaş enerji açığa çıkarırlar. Bu süreç zayıf kuvvet tarafından yönlendirilir ve 1900’lerin başından beri fizikçiler atomların neden ve nasıl bozunduğuna dair bir açıklama aramaktadırlar.

Standart Model’e göre kuvvetler parçacıklar tarafından iletilmektedir. 1960’larda bir dizi teorik ve deneysel buluş, zayıf kuvvetin W ve Z bozonları adı verilen parçacıklar tarafından iletildiğini öne sürdü. Ayrıca üçüncü bir parçacığın, Higgs bozonunun, W ve Z bozonları da dahil olmak üzere diğer tüm parçacıklara kütle kazandırdığını matematiksel olarak hesaplandı.

Standart Model tarafından uzun zamandır tahmin edilen Higgs bozonunun 2012 yılındaki keşfi heyecan verse de aslında fizikçiler henüz keşfedilmemiş parçacıkların listesi üzerinde çalışıyor ve ayrıca bunların özelliklerini ölçüyorlardı. Sonunda 1983 yılında İsviçre’nin Cenevre kentindeki CERN’de yapılan iki deneyde W bozonunun varlığına dair ilk kanıt elde edilecekti.

Kabaca brom gibi orta büyüklükte bir atomun kütlesine sahip olduğu ortaya çıktı. Devamında 2000’li yıllara gelindiğinde, Standart Modeli tamamlamak ve her şeyi birbirine bağlamak için tek bir parça eksikti. Bu da Higgs bozonu idi. Nihayetindeki keşif ile de Standart Model tamamlanmış oldu.

Bu arada tüm parçacıklar arasında en çok ilgi çekenin bu parçacık olmasının nedeni biraz da akılda kalan lakabı ile ilgilidir. Bildiğiniz gibi bu parçacığa ‘Tanrı Parçacığı’ da denir. Bunun inançla hiçbir ilgisi yoktur. Aslında ‘Tanrı parçacığı’ ismi, fizikçi Leon Lederman’ın yazdığı ve Higgs bozonundan ‘Tanrı Parçacığı’ olarak söz ettiği bir kitaptan gelmektedir.

Peter Higgs Parçacık Fiziğinin En Büyük İsimlerinden Biriydi

Adını bir parçacığa verse de Higgs bozunun keşfinin arka planındaki tek isim Peter Higgs değildi. Higgs, 1964’te Amerikalı teorik fizikçi Philip Anderson’ın bir makalesini okumuştu. O zamanlar fizikçilerin atom altı parçacıkların kütlelerini nasıl elde ettiklerine dair bir teorileri yoktu. Ancak Anderson’ın makalesi parçacıkların kütleye sahip olabileceğini gösteriyordu.

Sonucunda İskoç Dağlık Bölgesi’nde bir yürüyüş sırasında Higgs’in aklına hayatının fikri geldi. Devamında maddenin yapı taşlarının kütlelerini nasıl kazandığına dair bir açıklama üzerinde çalışmaya başladı. Brüksel’den Robert Brout ve François Englert ve Londra Imperial College’dan Carl Hagen, Gerald Guralnik ve Tom Kibble da hemen hemen aynı zamanlar aynı fikre sahiptiler.

Higgs’in ayırt edici katkısı, yeni bir parçacığın varlığını tahmin etmesiydi. Bu parçacık daha sonra onun adını taşıyacak olan Higgs bozonu idi. Peter Higgs, 8 Nisan 2024 tarihinde 94 yaşında huzurlu bir biçimde, ardından hala çözülmeyi bekleyen pek çok bilmece bırakarak, hayatını kaybetti.

Kaynaklar ve İleri okumalar:

• Joseph Lykken, Maria Spiropulu; The future of the Higgs boson. Physics Today 1 December 2013; 66 (12): 28–33. https://doi.org/10.1063/PT.3.2212
• Higgs boson. Ten years after its discovery. Why this particle could unlock new physics beyond the standard model. Kaynak site: Conversation. Yayınlanma tarihi: Bağlantı: Higgs boson. Ten years after its discovery. Why this particle could unlock new physics beyond the standard model
• High-precision measurement of the W boson mass with the CDF II detector.Science376,170-176(2022). DOI:10.1126/science.abk1781
• Peter Higgs was one of the greats of particle physics. He transformed what we know about the building blocks of the universe. Yayınlanma tarihi: 11 Nisan 2024. Kaynak site: Conversation. Bağlantı: Peter Higgs was one of the greats of particle physics. He transformed what we know about the building blocks of the universe

Size Bir Mesajımız Var!

Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.

Matematiksel