Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ile Işıktan Madde Yaratıldı!

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ), Albert Einstein'ın meşhur $E=m{c}^2$ denklemi ile oynayarak, maddeyi enerjiye ve sonrasında o enerjiyi de tekrardan farklı madde türlerine çeviriyor. Ama nadiren de olsa, ilk aşamayı atlayıp, saf enerjiyi elektromanyetik dalga formunda birbiriyle çarpıştırarak madde yaratabiliyor.

2019'da BHÇ'nin ATLAS deneyi, iki fotonun (yani ışık parçacığının) birbirinden sekerek iki yeni foton oluşturabildiğini gözlemişti.^[1] 2020'de ise araştırmacılar, bu deneyi bir adım öteye götürerek, fotonların birbirine kaynaşmasını ve daha ilginç bir şeye dönüşmesini gözlediler: W bozonlarına, yani zayıf kuvveti taşıyan parçacıklara. Bu parçacıklar, nükleer bozunmayı yöneten parçacıklardır.

Araştırma, sadece BHÇ içindeki süreçleri yöneten merkezi konsepti, yani enerji ve maddenin aynı paranın iki yüzü olduğu gerçeğini aydınlatmakla kalmıyor; aynı zamanda, bizim gündelik yaşamlarımızda birbirinden ayrı gibi gözüken kuvvetlerin (örneğin elektromanyetizma ile zayıf kuvvetin) aslında birleşik olduğunu doğruluyor.

Kütlesizden, Kütleye...

Eğer foton çarpıştırma deneyini evinizde deneyecek olursanız, mesela iki lazer ışınını birbirine doğrultacak olursanız, yeni ve büyük kütleli herhangi bir parçacık yaratamayacaksınız. Bunun yerine göreceğiniz, iki lazer ışınının birbirinden geçtiği bölgede daha güçlü bir ışık ışını yaratmak olacaktır. ABD Enerji Bakanlığı'na bağlı Berkeley Ulusal Laboratuvarı araştırmacılarından Simone Pagan Griso şöyle diyor:

Eğer geri gidip, Maxwell'in klasik elektromanyetizma denklemlerine bakacak olursanız, birbiriyle çarpışan iki dalganın daha da büyük bir dalga yarattığını görürsünüz. ATLAS tarafından gözlenen bu iki fenomeni, yalnızca Maxwell'in denklemlerini özel görelilik ve kuantum mekaniği ile birleştirerek, kuantum elektrodinamik teorisi isimli bir teori altında değerlendirirsek görebiliyoruz.

CERN

CERN'ün hızlandırıcı kompeksi içerisinde protonlar, ışık hızına yakın hızlarda hareket ettiriliyorlar. Normalde küresel olan formları, hareketin olduğu yöne bağlı olarak yassılaşıyor, çünkü BHÇ içindeki deneylerde, klasik hareket yasalarının yerini görelilik teorisi alıyor. Birbirine doğru hareket eden protonlar, birbirlerini sıkıştırılmış pankekler gibi "görüyorlar" ve etraflarında eşit derecede sıkıştırılmış bir elektromanyetik alan olduğunu "görüyorlar" (protonlar yüklüdür ve tüm yüklü parçacıkların elektromanyetik bir alanı vardır). BHÇ'nın enerjisi, bu uzunluk sıkışması ile birleştirildiğinde, protonların elektromanyetik alanlarını 7500 kat kadar arttırıyor.

Protonlar birbirlerini yalayıp geçtiklerinde, sıkıştırılmış elektromanyetik alanları birbiriyle çakışıyor. Bu alanlar, düşük enerjilerde gördüğümüz "güçlendirici" etkiye sahip olmak yerine, kuantum elektrodinamiğince belirlenen kurallara uyuyor. Bu yeni yasalar ışığında, bu iki alan birleşerek, $E=m{c}^2$ denklemindeki $E$'yi oluşturuyorlar. ATLAS deneyinin ABD'deki başkanlığına ev sahipliği yapan ve Enerji Bakanlığı'nın Bilim Ofisi tarafından fonlanan Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndan araştırmacı Alessandro Tricoli şöyle diyor:

Eğer $E=m{c}^2$ denklemini sağdan sola okuyacak olurasnız, küçük miktarda bir kütlenin devasa bir enerji üretebildiğini görürsünüz, çünkü $c^2$ sabiti, ışık hızının karesidir. Ama eğer denkleme öteki taraftan, yani soldan sağa bakacak olursanız, çok fazla miktarda enerjinin çok ufak bir kütle yaratabildiğini görürsünüz.

BHÇ, Dünya üzerinde enerjik fotonları üretip çarpıştırabilen birkaç araştırma laboratuvarından birisi ve bilim insanlarının, fotonların birleşip de W bozonları ürettiklerini gördükleri tek yer de burası.

Kuvvetlerin Birliği

Yüksek enerjili fotonlardan W bozonlarının oluşumu, Sheldon Glashıw, Abdus Salam ve Steven Weinberg'ün 1979 Nobel Fizik Ödülü'nü kazanmalarına neden olan keşiflerinin önemini vurguluyor: Yüksek enerjilerde, elektromanyetizma ile zayıf kuvvet, tek bir kuvvettir.

Elektrik ve manyetizma genellikle ayrı kuvvetlermiş gibi düşünülür. Genellikle bir buzdolabı mıknatısına dokunduğumuzda çarpılmayı beklemeyiz. Işık saçan ampuller de genellikle buzdolabının kapağına yapışmazlar. Bu durumda neden elektrik istasyonlarında "yüksek manyetik alan" uyarıları yapılıyor? Tricoli şöyle açıklıyor:

Bir mıknatıs, elektromanyetizmanın alabileceği formlardan sadece birisidir. Elektrik de diğeridir. Ama her şeyi mümkün kılan, elektromanyetik dalgalardır. Bu birlikteliği, gündelik teknolojilerimizde de görürüz. Cep telefonlarımız, elektromanyetik dalgalar sayesinde iletişim kurarlar.

Aşırı yüksek enerjilerde, birleşik bir kuvvet olan elektromanyetizmaya bir diğer kuvvet katılır: zayıf kuvvet. Zayıf kuvvet, Güneş'imizin var olmasını sağlayan hidrojen-helyum dönüşümü ve radyoaktif atomların bozunması da dahil olmak üzere nükleer tepkimeleri yöneten kuvvettir.

Tıpkı fotonların elektromanyetik kuvvetleri taşıması gibi, W ve Z bozonları da zayıf kuvveti taşır. Fotonların BHÇ içinde çarpışması sonucu W bozonlarının oluşma nedeni, yüksek enerjilerde, bu kuvvetlerin birleşerek elektrozayıf kuvveti oluşturmasıdır. Griso, şöyle anlatıyor:

Hem fotonlar hem de W bozonları kuvvet taşıyıcılarıdır. Her ikisi de elektrozayıf kuvveti taşırlar. Bu olgunun yaşanıyor olmasının ana nedeni, doğanın kuantum mekaniksel bir yapıya sahip olmasıdır.