Bilim Şehri

Higgs alanı ve parçacığı

Alp Güleç - 28 Nisan 2012 23:44

Higgs bozonu, “Standart Model” olarak isimlendirilen parçacık fiziği modeline göre fermiyonlara kütlesini kazandıran parçacıktır. Varolduğuna büyük oranda inanılsa da henüz varlığı kanıtlanamamıştır. Ancak dolaylı yoldan olduğuna dair deliller elde edilmiştir. Medyada “Tanrı parçacığı” olarak da sıkça anılmaktadır. Ancak gerçekte bu isim, parçacık bir türlü bulunamadığından “Tanrının cezası parçacık”tır. Toplumda daha fazla tutması için ismi, “Tanrı parçacığı” olarak değiştirilmiştir. Aslında “Tanrı parçacığı” olarak anılmasında yatan diğer bir sebep de bu parçacığın önemi ve Standart Model’de oturduğu merkezi noktadır.

Kütlesini kazandırdığı fermiyonlardan bahsedilirse, fermiyon maddenin yapı taşı olarak özetlenebilir. İki çeşit temel fermiyon grubu bulunmaktadır. Bunlar kuarklar ve leptonlardır.

Kuarklar maddenin temel bileşenleri olup protonları ve nötronları meydana getirirler. 6 çeşit kuark vardır. Ancak konu fazla dağılmasın diye bunların detaylarına girmeyeceğim.

Leptonlar grubunda ise; elektron, müon ve tau parçacıkları, bunların nötrinoları – antinötrinoları ve antiparçacıkları yer alır. (Nötrino ve antiparçacıklardan ise diğer yazılarımda detaylı olarak bahsedeceğim)

Fermiyonlardan sonra bozonlara gelirsek, bozonlar kuvvet taşıyıcı parçacıklardır.

Standart modele göre parçacıklar arasında 3 temel kuvvet etkileşimi bulunmaktadır. Bu kuvvetler sıralanırsa;

1-) Güçlü nükleer kuvvet

Atom çekirdiğini bir arada tutan kuvvettir. Bilindiği üzere protonlar artı (+) yüklü parçacıklardır ve bir arada duramazlar. Ancak yüksüz parçacıklar olan nötronlarla bir araya geldiklerinde bir arada durabilirler. Bu da güçlü nükleer kuvvet sayesinde olmaktadır. Daha derine inersek güçlü nükleer kuvvet kuarklar arasındaki etkileşimi sağlar. Bu da arada tutkal görevi gören gluonlar vasıtasıyla olmaktadır. Gluonlar kuarkları bir arada tutan güçlü kuvvet taşıyıcılarıdır.

2-) Zayıf nükleer kuvvet

Çekirdekte kararsızlığa sebep olan kuvvettir. Zayıf kuvvetin etki ettiği parçacık bozunarak kendisiyle akraba olan parçacığa dönüşmektedir. Zayıf kuvvet sonradan elektromanyetik kuvvet ile birleştirilerek elektrozayıf kuvvet ismini de almıştır.

Zayıf kuvvet, W+, W- ve yüksüz Z bozonları ile taşınmaktadır.

3-) Elektromanyetik kuvvet

Elektromanyetik kuvvet yüklü parçacıkların manyetik alandan geçerken üzerine etki eden kuvvettir. Menzili çok yüksek olmakla beraber bu kuvvetin taşınması fotonlar vasıtasıyla gerçekleştirilmektedir. Fotonlar şu an için kütlesiz kabul edilen parçacıklardır. Bu sebeple çok uzun mesafeleri kat edebilirler.

Özetle bozonlar bu kuvvetlerin taşınmasında rol alırlar. Bunların yanında bir diğer bilinen kuvvet de kütle çekimi kuvvetidir. Ancak standart model kütle çekimine bir açıklama getirememektedir. Graviton adı verilen kütle çekimi taşıyıcıları olduğu düşünülmektedir. Ancak hala gözlemlenememişlerdir. Zira kütle çekimi çok zayıftır ve bunların deneysel ispatı oldukça zordur. Graviton’un bilinen parçacıklara göre çok ufak olduğu düşünülmektedir. Higgs bozonu da tekrarlamak gerekirse fermiyonlara kütlesini kazandıran parçacıktır. Bilindiği üzere CERN, LHC hızlandırıcısında yapılan deneylerde hala bu parçacık aranmaktadır. Bulunmasıyla beraber maddenin kütlesi hakkında sorulan birçok soru cevaplanmış olmakla beraber Standart model oturmuş bir teori statüsü kazanacaktır.

Standart modelde tüm parçacıklar Higgs mekanizmasına göre kütle kazanmaktadır. Mekanizma Higgs alanı gerektirmektedir. Higgs alanın da tüm uzay-zamanı kapladığı düşünülmektedir. Parçacıklar uzay-zamanda hareket ederken Higgs alanını deforme ederler ve parçacığın Higgs alanı tarafından çevrelenmesi sonucu kütle kazanırlar. Büyük patlamadan sonra tüm parçacıkların kütlesiz olduğu, evren soğudukça Higgs alanının tüm evreni kapladığı ve parçacıkların da bu alanda yüzerken kütle kazandığı düşünülür.  W, Z bozonlarının, leptonların ve kuarkların Higgs yoğunlaşması ile etkileşim sonucu nasıl kütle kazandığı başarılı bir şekilde açıklanmaktadır.

Higgs parçacığı çok kısa ömürlüdür ve hızla bozunmaktadır. Bu sebeple kendisinden öte bozunduğu parçacıklar gözlemlenmeye çalışılmaktadır.

Tüm parçacıkların kütleleri Higgs alanı tarafından yaratıldığından Higgs parçacığının bu parçacıklar ile etkileşme sabitlerinin kütleleri ile orantılı olması gerektiğinden ortaya ayırt edici bir özellik çıkmaktadır.

Bunların yanında bir gariplikten söz etmek gerekirse, kütle yaratmak için sisteme dahil edilen Higgs parçacığının da kütlesi bulunmaktadır.

Kütlesiz olan parçacıklar ise fotonlar ve gluonlardır. Geçmişte nötrinoların da kütlesiz olduğu düşünülmekteydi ancak bugün çok küçük de olsa kütlelerinin olduğu artık bilinmekte.

Higgs parçacığının bulunması için Fermilab ve CERN kıyasıya rekabet içerisinde. Ancak çok daha güçlü bir parçacık hızlandırıcıya sahip olan CERN bu konuda haliyle önde. Çalışmalar hızla devam ediyor ve sayısız bilimadamı bu parçacığın bulunması için gece gündüz çalışıyor. “Ya bulunamazsa” diye bir ihtimal de yok değil. Bu da çoğu şeyi baştan gözden geçirmemize sebep olacağından bir felaket senaryosu denilebilir.

Kaynakça

• fizikevreni.com
  
• cern.ch
• Bilim ve Ütopya, Prof. Dr. Namık Kemal PAK
• biltek.tubitak.gov.tr