Higgs alanı ve Higgs bozonu üzerine

Kısa bir not: Gluonlar serbest parçacık olarak gözlemlenmediği için teorik olarak kütlesini SM'ye göre 0 kabul edeceğim onun harici varsayımsal parçacıklardan bahsetmeyeceğim (gravition gibi) Gluonlar çok basitçe açıklamak gerekirse hadronların içinde bulunduğundan en azından şuan ki bilgimizle bunları "doğrudan" inceleyemedik ama dolaylı etkisini görmek bir çok yerde mümkündür. Bunun en temel sebebi de QCD (kuantum kromodinamiği)'de bahsi geçen color confinement yüzündendir. Bunu da çok basitçe açıklamak gerekirse, renk yükü taşıyan parçacıklar tek başına var olamaz (bu basitçe bir tanımdır, daha doğrusu durumsal (örneğin asimptotik olarak serbest olmayan durumlarda veya daha doğru ifadeyle Asimptotik durum olarak doğrudan tek başına gözlemlenmez) inceleyebileceğimiz elde tutulur bir olgu olmaz ama bu başka bir videonun konusu, Gluonlar da teoride kütlesiz olmalarına rağmen renk yükü taşır bu sebeple de hadronların içinde bulunur. QCD'de Pertürbatif olgulardan bahsedebiliriz (bu color confinementin Pertürbasyon teorisine bağlı olduğu anlamına gelmez, bu kavramsal olarak konuşursak landau pole ile alakalı olduğunu görmek mümkün olsa da landau pole QED (kuantum elektrodinamiği) temelinde şekillenir burda ki asıl kavram Asymptotic freedomdur. AS basitçe, bazı gauge teorilerinin (basitçe lie gruplarını da kapsayan değişmeyen bir alanın ifadesidir burada lie gruplarının abel olup olmamasına değinmiyorum) bir niteliğidir ve beta fonksiyonu ile ilişkilendirilir. Ama her şeyden bahsetmek konuyu bayağı uzatacağından bunları es geçiyorum. Neden bu kadar fazla kavramsal şeylere girdin diye soracak olanlar varsa da basitleştirme uğruna yanlış veya çok eksik bir anlatı taşımak istemem, kavramları aklınızda tutmanıza en azından gerek yok çünkü higgs alanını basitçe açıklamaya /kaynak göstermeye çalışacağım.

Öncelikle parçacıkların kütle kazanması higgs alanı sayesinde olur, özetle bu alanla etkileşime girenler kütle kazanırken girmeyenler kütlesiz parçacık yani foton/gluon(?) oluyor.

Bu alan, bazı temel parçacıklara kütlelerini verirken (W ve Z bozonu gib), aynı zamanda doğanın dört temel kuvvetinden ikisini birbirinden ayırır.

Özetle her şey parçacıklardan oluşuyor Fakat evren başladığında, hiçbir parçacığın kütlesi yoktu hepsi ışık hızında hareket ediyorlardı. Gezegenler, Yıldızlar, galaksilerin parçacıkları, kütlelerinin higgs bozonu ile alakalı alandan aldıkları için ortaya çıktılar. (Genellemeci bir tutum sergilemiş olabilirim, genel kaynak michio kakunun tanrı denkleminde geçtiği için bunu engellemek pek mümkün olmaz)

Alanın varlığı ilk olarak 1960'ların başında teorize edildi ve ortaya atıldı, fizikçiler elektromanyetizma ve zayıf nükleer kuvvetin nasıl ayrıldığını ve neden bazı kuvvet taşıyan parçacıkların W ve Z gibi bozonlara sahip olduğunu, diğerlerinin ise fotonlar gibi (kütlesiz) olduğunu açıklayacak varsayımsal bir alanın sonuçlarını göz önünde bulundurmasıyla birnevi ilk fitili ateşlenmiş oldu.

Atomlar, kütlelerinin çoğunu, çekirdeklerinin içinde sıkışıp kalan, güçlü kuvvetle birbirine bağlanan kuarklar adı verilen parçacıkların alan ve haraket enerjilerinden alırlar. Bunun dışında, kuarkların kütlesindende bahsedebiliriz. Çevredeki elektronlar gibi. İçlerinde bağlanma enerjisi gibi bir şey olmadığından (burada anlatı biraz ters anlaşılmış olabilir daha açıkça ifade etmek amacıyla, elektronlar bağlanma enerjisiyle değil temelde bu alan ile etkileşiminden kütle kazanır, içinde kuark taşımaz ve leptondur. Kuarklar ise sürekli bir haraket halindedir (sanal parçacık kısmına girmeyeceğim)) elektron durgunken kütlelerine eşit olacak enerjiyi hesaba katmak için bir tür aktiviteye/başlangıca ihtiyaç vardır.

20. yüzyılın ortalarında, fizikçiler bozonlarını tanımlayan önceki modellerin gözlemlerle eşleşmediğini farkettiler; Zayıf kuvvetin W ve Z bozonları gibi kısa menzilli parçacıklar, tüm protondan 80(?)(bundan tam emin değilim kaynağı kontrol etmeye de üşendim ama sadece 80 kat olup olmaması ile ilgili bu) kat daha büyüktü, oysa elektromanyetik alanın geniş ve kapsayıcı alanıyla ilişkili olan fotonunun hiçbir kütlesi yoktu. Bu da akıllara başka sorular getirdi.

bigbangden sonra evren genişleyerek soğumaya başladı ve kuvvetler, simetriler parçalara ayrılmaya başladı uzayın her yerinde 0 olmayan bir değere sahip bir alanın varlığı, kuantum mekaniğinde teoride deneylerle zaten dışlanmış bir tür parçacık üretmesi gereken temel bir denge durumunu bozacaktı. Ancak Higgs, Englert ve Brout, bu varsayımsal alanın zayıf kuvvetten sorumlu alanla bağlantılı olması durumunda, kimsenin görmediği zahmetli parçacığın dengeyi bozmayacağını, bazı ağır W ve Z bozonlarına kıyasla ağır, spinsiz, yüksüz bir bozonun (şimdi higgs bozonu) olması gerektiğini varsaydılar

Aynı sürecin hemen hemen her kuantum alanı için işe yarayacağı anlaşıldı lakin ortada deneysel ve gözle görülür bir kanıt lazımdı. Sene 2012 Cernde böyle bir parçacık tespit edildi ve resmi olarak Higgs bozonunun SM'de (standart modelde) yer alması sağlandı.

Üstte dediğim simetrilerin parçalanma sürecine simetri kırılması denir, bu orijinal simetriyi tam olarak kıracak ve SM'yi temellendirecek bir mekanizmaya ihtiyacımız var higgs bozonuna da ihtiyacımız olduğu yer burasıdır.

bigbang anında 4 temel kuvvetin (yani zayıf ve güçlü nüükler, elektromanyetik ve kütle çekim kuvveti) tamamını ana simetriye uyan tek bir süperkuvvette birleştirilmeye çalışıldı ve bu denklemi yöneten denkleme de popüler tanrı denklemi diyoruz. Higgs alanını, Higgs bozonu olarak adlandırılan bir gösterge bozonu yani kuvvet taşıyıcısı vardır.

Ancak higgs alanının simetrisi kırılıyordu sonra bu alanın içerisinde baloncuklar oluşmaya başladı, baloncuğun içerisinde bazı parçacıklar kütle kazandı bigbangin ilerlemesiyle bu baloncuk iyice genişledi ve parçacıklar birbirinden farklı kütle kazanmaya başladılar böylece simetri kırıldı. (Burada baloncuk birnevi metafordur bu higgs alanını diğer teoriler için temellendirmede kolaylık sağladığından bu kısmı kaldırmadım, buradaki baloncuklar temelde kozmolojik faz değişiminin bir ifadesidir.)

Higgs alanı bir parçacığı ne kadar çok çekerse kütlesi o kadar fazla olur (daha doğrusu ne kadar çok etkileşim içinde bulunursa, bu yukawa etkileşimleri ile alakalıdır. Yukawa etkileşimleri ise temelde skaler alan ile parçacıkların etkileşiminin bir göstergesidir, SM'de higgs alanından bahsederken çokça kullanılır ama dirac denklemleri vb de işin içinde olabileceğinden bunu uzatmıyorum). Kuarklardan oluşan proton ve nötron gibi bileşik parçacıklar söz konusu olduğunda, bunların kütlelerinin çoğu, kuarkları bir arada tutan güçlü kuvvetin çekiminden gelir.

Foton ve gluonlar ise temeldir yani kompozit bir parçacığın iç çekişmesine girmezler bu sebeple de higgs alanından etkilenmezler bir diğer sebebi de gauge simetrilerinin korunmasından gelir

Higgs alanı ile etkileşime girmeyenler ise kütlesiz bir parçacık olurlar.

Yazdıklarımı okurken bilen birilerinin kafasını karıştıracak hatta karşı çıkacak bir ifade yazdığımı gördüm. Aslında onu temelde ne anlamda dediğimi açmış olsamda yinede yazma gereği duydum. Higgs bozonu standart modelde kuvvet taşıyıcı/etkileşim adı altında nitelendirilir ve buradaki kuvvet taşıyıcılık vektörel bir anlam ifade etmez aksine skalerdir. Onun harici buradaki anlatı higgs alanı ile bağlantı kurmaya yöneliktir. Diğer bozonlar gibi derken ki alt metin bu amaca hizmet etmiştir. Higgs harici diğer belirtilen W ve Z bozonları gibi bozonlar bir gauge bozonlarıdır ve vektörel olarak temellendirilir. Higgs ise skaler olarak temellendirilir. Yanlış anlaşılmaya müsait olduğundan bunu yazma gereği duydum.