Higgs Evrene Kütlesini Vermeden Önce Nasıldı?

Büyük Patlama ile ilgili bildiğimiz en kesin şey bizim şu an kabul ettiğimiz fizik kanunlarının o sırada geçerli olmamasıdır. Evrenin başlangıcı olarak kabul edilen Büyük Patlama'nın hemen saniyesinin milyonda biri öncesinde ilk parçacıklar etrafa saçıldı.[1] Bu parçacıklar saf enerjiye sahiptirler ve dolayısıyla kütleleri de yoktu.1964 yılında, onlara kütle kazandıran mekanizmanın Higgs bozonu olduğu ortaya atıldı. Büyük Patlama ve maddenin oluşumu belki de fizikteki en karmaşık olan konulardan biri çünkü metafizikten uzak bir anlatımı becerebilmek her babayiğidin harcı değil. Fakat endişelenmeyin çünkü bu makalede "oluşuma" kafa yormaktan ziyade "parçacıklar" üzerinde çalışacağız. Bu makalede hatırı sayılır bir geçmişe sahip olan Higgs’in evrene kütlesini verdiğinde nasıl olduğunu konuşacağız.

Büyük Patlamanın ilk aşamalarında Evren, yaratma enerjisine sahip bütün parçacık, anti parçacık ve radyasyon kuantalarından oluşuyordu. Evren genişledikçe, soğudu: aynı zamanda uzayın esneyebilen dokusu içindeki tüm radyasyonun dalga boylarını daha uzun dalga boylarına uzattı ki bu da daha düşük enerji demekti.

Eğer hala keşfedilmemiş yüksek enerjide var olan herhangi bir parçacık (anti parçacık) bulunuyorsa, Einstein’ın E=mc^2 formülü aracılığıyla büyük (m) bir parçacık yaratmak için yeterli enerji (E) olduğu sürece, onların muhtemelen Big Bang’de oluştuğunu söyleyebiliriz. Evrenimizle ilgili bir yığın bulmaca, madde-antimadde asimetrisinin kökeni ve karanlık maddenin oluşumu dahil, fiziğin daha da gelişmesi ile çözülmüş durumda. Yine de şu anda bildiğimiz kütleli parçacıklar bize yabancı. Bahsi geçen erken zamanlarda, kütleleri yoktu.

Sırasıyla elektromanyetik, güçlü nükleer ve yerçekimi etkileşimlerini taşıyan foton, gluon ve yerçekimi dalgaları dahil olmak üzere tüm kütlesiz parçacıklar ışık hızında hareket eder. Evrenin ilk aşamalarında, tüm temel, Standart Model parçacıklar ve antiparçacıklar kütlesizdir ve ışık hızında hareket ederler. (NASA/Sonoma Eyalet Üniversitesi/Aurore Simonnet)Forbes

Higgs İle İlgili Genel Bilgiler

Parçacıktan bahsederek başlayalım. Parçacıklar, bir alanda oluşabilecek büyüklüğü en küçük olan dalgalardır…Bu arada biz Higgs’in varlığından tam olarak emin bile değiliz hatta bu oran %99.9999426697. [1] Belki gelecekte CERN’deki LHC’den (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) elimize gelecek veriler sayesinde bu oranı artırabiliriz ancak hiçbir zaman bu oranı %100’e çıkaramayız. Bunun nedeni basitçe şu şekilde açıklanabilir: Kuantum mekaniğindeki “Belirsizlik İlkesi” sebebiyle atom altı parçacıkların hızını ve konumunu aynı zamanda bulamayız. Bundan dolayı matematikçiler güçlü tahminler yaparlar. Mesela %99.9999426697 oranında emin olmamız bize şunu ifade eder: CERN’deki deney 3 milyon defa tekrarlanırsa ancak 1 kez Higgs’e benzeyen bir şey (o da tesadüfle! ) ortaya çıkabilir.[1] Eğer bir yerlerde bir şeyin yüz seferden ancak 99.9999426697 seferinde çıktığını duyarsanız bu çok yüksek ihtimalle Higgs olacaktır.

Standart Modeldeki parçacıkları ve anti parçacıkların yaratılması, Evren soğurken ve “saniyenin kesirleri” hızda ilerlerken bile kolaydır. Evren 1015 ya da 1016 GeV kadar büyüklükte enerjilerle başlamış olabilir, zamanla 103 GeV’a düşse bile bu hiçbir Standart Model parçacığına tehdit yaratmaz. LHC’de ulaşılabilen enerjiler sayesinde, fizik tarafından bilinen tam bir parçacık- karşıt parçacık çifti takımı oluşturabiliriz.

Ama bu noktada, şu ankinin tersine, onlar kütlesiz. Eğer durgun kütleleri yoksa, ışık hızında hareket etmekten başka çareleri yok. Parçacıkların şu anki halinden oldukça tuhaf bir konumda olmalarının nedeni mi? Bunun sebebi Higgs bozonunu oluşturan temel simetrinin -elektrozayıf simetri- Evren’de henüz kırılamamış olmasıdır.

Elektozayıf Simetri

Günümüzde Standart Modele baktığımızda, şu şekilde düzenlenmiştir;

● Her biri 3 renkten oluşan 6 kuark ve antiquark muadilleri,

● 3 yüklü lepton (e, μ, τ) ve 3 tane nötr olan halleri (νe, νμ, ντ), ve antimadde muadilleri,

● Kuarklar arasında güçlü kuvvete aracılık eden 8 kütlesiz gluon

● Zayıf nükleer kuvvete aracılık eden 3 ağır, zayıf bozon (W+, W-, and Z0),

● Elektromanyetik kuvvetin kütlesiz aracısı foton (γ).

Ama günümüzün düşük enerji ölçeğinde bozulan bir simetri var: elektrozayıf simetri. Bu simetri evrenin ilk günlerinde geri yüklendi, bu sebepten geri yüklenmiş hali ile bozulmuş (kırılmış) hali karşılaştırılınca Standart Model’in yapısı temelden değişiyor.

Büyük bir kütleye sahip (ilk üçü) ve kütlesiz olan (sonuncu) zayıf ve elektromanyetik bozonlar (W+, W-, Z0, γ) yerine elektrozayıf kuvvet için 4 yeni bozonumuz var (W1, W2, W3, B) ve bunların hiçbirinin kütlesi yok. Diğer tüm parçacıklar henüz onların da kütleleri olmamaları gerçeği dışında aynıdırlar. Erken Evren’de yüzen, çarpışan, yok olan ve kendiliğinden yaratılan şey budur, hepsi de ışık hızında hareket halindedir.

Evren genişleyip soğudukça, bütün bunlar tekrar eder. Evreninizin enerjisi belirli bir değerin üzerinde olduğu sürece, Higgs alanını bir soda (veya şarap) şişesindeki sıvının üzerinde yüzen bir şey olarak düşünebilirsiniz. Sıvının seviyesi düştükçe, Higgs alanı sıvının üzerinde kalır ve her şey kütlesiz kalır. Biz buna “geri yüklenmiş simetri durumu” diyoruz.

Ama belli bir sıvı seviyesinin altında, konteynırın dibi kendini göstermeye başlar. Ve alan artık merkez olarak kalma özelliğini göstermez, daha genel bir ifadeyle, sıvı seviyesinin olduğu yere gitmesi gerekir ve bu, şişenin dibindeki oyuklara inmesi anlamına geliyor. Biz işte buna "kırık-simetri" durumu diyoruz.

Simetri bozulduğunda, Higgs alanı en düşük enerjili denge durumuna ulaşır. Ancak şunu unutmamak gerekir bu enerji durumu tamamen 0 değildir: "vakum beklenti değeri" olarak bilinen sonlu, sıfır olmayan bir değeri vardır. Geri yüklenen simetri durumu sadece bize kütlesiz parçacıklar verirken, bozuk simetri durumu herşeyi değiştirir.

Simetrinin kırılmasıyla Higgs alanında 2 tanesi yüklü (1 pozitif ve 1 negatif) ve 2 tanesi nötr olmak üzere 4 sonuç elde ederiz. Sonra aşağıdaki şeyler bir anda olur:

- W1 e W2 parçacıkları Higgs'in kırılmış bağlı olan sonuçlarını "yiyerek" W+ ve W- olurlar.

- W3 ve B parçacıkları, Higgs'in yüksüz kırık- simetri sonuçlarını tek bir kombinasyon olacak şekilde yiyerek Z0 olurlar ve diğer kombinasyon hiçbir şey yemeden kütlesiz foton olarak kalır. Sizin anlayacağınız

- Higgs son nötr kırılmış simetri sonucunda kütle kazanır ve Higgs bozonu bu şekilde oluşur.

- Son olarak ise Higgs bozonu Standart Model'in diğer tüm parçacıklarıyla birleşerek Evren'e kütle verir.

Evrendeki kütlenin kökeni buradan geliyor işte.

Agora Bilim Pazarı

SÜPER KEDİ - SÜPER KEDİ GELİYOR

Devamını Göster

₺380.00

Satın Al Tüm Ürünler

Tüm bu sürece "kendiliğinden simetri kırılması" adını veririz. Ve Standart Modeldeki lepton ve kuarklar için ise Higgs simetrisi kırıldığında bütün parçacıklar aşağıdaki 2 sebepten kütle kazanır:

1. Higgs alanının beklenti değeri ve

2. Bir bağlantı sabiti

Aslında burada bir çeşit problem ile karşılaşıyoruz. Higgs alanının beklenti değeri tüm bu parçacıklar için aynıdır ve belirlenmesi çok da zor değildir. Ama peki ya bu bağlantı sabiti? Her parçacık için farklı olmasının yanı sıra Standart Model'de keyfidir.

Parçacıkların kütlelerinin olduğunu, nasıl kütle kazandıklarını ve kütleden sorumlu parçacıkları keşfettik. Ancak parçacıkların sahip oldukları kütlelerin değerlerine neden sahip olduklarına dair bir fikrimiz hala yok. Bağlantı sabitlerinin neden bu bağlantılara sahip olduğunu da üstelik bilmiyoruz. Higgs bozonları, ayar bozonları (doğadaki 4 temel kuvvetin taşıyıcı parçacıkları), kuarklar ve leptonlar şüphesiz gerçek. Özelliklerini mükemmel bir şekilde yaratabilir, saptayabilir ve ölçebiliriz. Yine de niçin bu değerlere sahip olduklarını öğrenmemiz çözülememiş bir puzzledan (en azından şimdilik) ibaret olacak.

Elektrozayıf simetrinin kırılmasından önce, bugün Evren'de var olduğu bilinen her şey kütlesiz idi ve ışık hızında hareket ediyordu. Higgs simetrisi bir kez kırıldığında, Evren'in kuarklarına ve leptonlarına; W ve Z bozonlarına ve kendisine kütle verir. Özellikle Evrenin enerjisi (E) E= mc2 aracılığıyla bu kararsız parçacıkları yaratmak için gereken kütle eşdeğerinin (m) altına düştüğünde; aniden, hafif parçacıklar ve ağır parçacıklar arasındaki büyük kütle farklarıyla birlikte çok kısa zaman ölçeklerinde kendiliğinden daha hafif olanlara bozunurlar.

Elektrozayıf simetri kırılması ile ilişkili bu kritik ayar simetrisi olmadan, tamamen kütlesiz parçacıklardan oluşan kararlı, bağlı durumlarımız olmadığı için varoluş mümkün olmazdı. Ancak kuarkların ve yüklü leptonların temel kütleleri ile Evren artık daha önce hiç yapmadığı bir şeyi yapabilir: Protonlar ve nötronlar gibi “bağlı durumları” soğutabilir ve oluşturabilir. Daha fazla soğuyabilir ve atom çekirdeği ve sonunda nötr atomlar yaratabilir. Yeterince zaman geçtiğinde ise yıldızları, galaksileri, gezegenleri ve insanları meydana getirebilir. Evrene kütle kazandıracak Higgs olmasaydı, bunların hiçbiri mümkün olmazdı. Higgs, keşfedilmesi 50 yıl sürmesine rağmen 13,8 milyar yıldır evreni mümkün kılıyor.

Higgs'e çok şey borçluyuz!^[1]