Doğanın Henüz Bilmediğimiz 5. Temel Kuvvetinin İzleri: Kuantum Parçacığının Tuhaf Davranışı, Mevcut Fizik Anlayışımızı Değiştirebilir!

Doğada 4 temel kuvvet vardır: kütleçekim, elektromanyetizma, zayıf nükleer kuvvet, güçlü nükleer kuvvet. Ancak 2 deneyden elde edilen sonuçlar, bilim insanlarının, Evren'in temel işleyiş prensiplerine yönelik bilgilerimizle ilgili bir şeylerin yanlış veya eksik olabileceğini düşünmesine yol açıyor.

Müon adı verilen atom altı parçacıklar, Amerika ve Avrupa'da uzun süredir devam eden iki farklı deneyde onlardan bekleneni tam olarak yapmıyor. Bu kafa karıştırıcı sonuçların geçerliliği onaylanırsa, bilim insanlarının Evren'in atom altı seviyede nasıl çalıştığını anlamak ve açıklamak için kullandıkları fizik modelinde büyük sorunlar ortaya çıkacaktır.

Müon parçacığını, atomların merkezini çevreleyen elektronların daha ağır bir kuzeni olarak ifade edebiliriz. Ancak müon, atomun bir parçası değildir; kararsızdır ve normal durumda yalnızca 2 mikrosaniye süresince varlığını sürdürür. 1936'da kozmik ışınlarda keşfedilmesinden sonra bilim insanları o kadar şaşırdı ki, ünlü bir fizikçi "Bu da neyin nesi?" dedi. ABD Fermilab deneyi araştırmacılarından, İtalyan Ulusal Laboratuvarı'ndan deneysel fizikçi Graziano Venanzoni, müon parçacığı için şöyle söylüyor:

Bu, en başından beri fizikçilerin kafasının karışmasına neden oluyordu.

ABD Enerji Bakanlığı'nın Fermilab departmanından yapılan bir basın açıklamasına göre, bilim insanları, teorik tahminler ile gerçek testler ve 20 yıl öncesinin teorik beklentileri arasındaki garip tutarsızlığa yanıt vermek için tasarlanmış olan Muon g-2 adlı bir deneyden yeni bulgular elde etti.^{[1], [2], [3]} Deney sonucuna göre, manyetik momentum olarak bilinen müonun küçük titreşim hareketi, fiziğin temellerini sarsabilir. Venanzoni, şöyle söylüyor:

Bugün sadece bizim tarafımızdan değil, tüm uluslararası fizik topluluğu tarafından uzun zamandır beklenen, olağanüstü bir gün.

Müonların dönme ("spin") adı verilen özelliği, minik mıknatıslarmış gibi davranmalarını sağlar ve manyetik bir alana daldırıldıklarında küçük jiroskoplar gibi titreşim yapmalarına neden olur. Fizikçilerin süperiletken bir manyetik halka etrafına müonlar gönderdiği bu deneyin sonuçları, müonun olması gerekenden çok daha fazla titreşim yaptığını gösteriyor.

Reidar Hahn/Fermilab via AP

Deneyde, müonlar, araştırmacıların onları daha yakından inceleyebilmeleri için parçacıkların yeterince uzun süre varlığını korumasını sağlayan manyetik bir rotaya yönlendiriliyor. İlk sonuçlar, müonların manyetik "dönüşünün" Standart Model'in öngördüğünden %0.1 oranında saptığını gösteriyor. Bu, büyük bir oran gibi gelmeyebilir; ancak, parçacık fizikçileri için bu oran, mevcut fizik anlayışını altüst etmek için fazlasıyla yeterlidir. Araştırmacıların, deneyin tüm bulgularını analiz ederek net bir sonuca ulaşabilmesi için birkaç yıla daha ihtiyaçları var. Venanzoni, şöyle söylüyor:

Sonuçlar değişmezse, büyük bir keşif olarak bilim tarihine geçecektir.

Bu çığır açıcı deneyin baş bilim insanı Chris Polly bir basın toplantısında şöyle söylüyor:

Sürekli olarak biz fizikçiler, doğrudan keşfedilememiş bir arka plan parçacıkları denizinde yüzdüğümüzü düşünüyoruz. Henüz düşünemediğimiz, müonlarla etkileşime giren, boşluktan ortaya çıkan 'canavarlar' olabilir ve bu, bize onları görmemiz için bir pencere açacaktır.

Aşağıdaki videodan, Muon g-2 halkasını görebilirsiniz:

Standart Model, bundan yaklaşık 50 yıl önce geliştirildi. On yıllardır yapılan deneyler, Evren'i oluşturan ve kontrol eden parçacıkların ve kuvvetlerin açıklamalarının hemen hemen isabetli bir şekilde tekrar ve tekrar gerçek olduğunu doğruladı. Ta ki, şimdiye kadar. Yeni deneyler, beklenmedik sonuçlar sunuyor. Wayne Eyalet Üniversitesi'nden parçacık fizikçisi Alexey Petrov şöyle söylüyor:

Fizikteki yeni parçacıklar, araştırmamızın hemen ötesinde olabilir. Bu, gelecekteki çalışmalar için motive edici olacaktır.

Fermilab araştırmacıları, gördüklerinin (ekstra titreşim) gerçek bir fenomen olduğundan ve bazı istatistiksel hatalar olmadığından nispeten eminler. On yıllardır süren spekülasyonun ardından, Standart Model ile açıklanamayan bir tutarsızlığı tekrar gösteren bu deney, 4.2 sigma güven düzeyine ulaştı. Bu, bulguların tesadüfen bu şekilde olma (yani hatalı bir bulgu olma) ihtimalinin 40.000'de 1 olduğu anlamına geliyor. Ancak bir bulgunun geçerli bir buluş olarak nitelendirilebilmesi için, bilim insanları, 5 sigma sapma seviyesi ararlar, bu da bulguların geçerli bir keşif yerine bir hatadan kaynaklanma olasılığının 3.5 milyonda 1 olduğu anlamına gelir.

Fizikçilere göre en iyi açıklama, müonun, henüz bilinmeyen madde türleri veya bir enerji türü tarafından etkileşime uğruyor olmasıdır. Sonuçlar doğruysa, keşif, parçacık fiziğinde atom altı parçacıkları açıklamak için baskın teori olan Standart Model ilk geliştirildiğinden bu yana, fizikte 50 yıldır görülmemiş bir dönüm noktasını temsil ediyor. Kentucky Üniversitesi'nden fizikçi ve Muon g-2 deneyinin simülasyon yöneticisi Renee Fatemi, şöyle söylüyor:

Bu, müonun en iyi teorimizde (Standart Model) olmayan bir şeye duyarlı olduğunun güçlü bir kanıtıdır.

Maximilien Brice, Julien Marius Ordan/CERN via AP

Bu sonuç, Mart 2021'de, Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi'nin Büyük Hadron Çarpıştırıcısı tarafından yayınlanan, yüksek hızlı çarpışmaların ardından şaşırtıcı oranda parçacık bulan bir diğer sonuçları takip ediyor. Fermilab deneyinde teorik fizik üzerine çalışmalar yapan lllinois Üniversitesi'nden Aida El-Khadra, şöyle söylüyor:

Bulgular doğrulanırsa, bu sonuçlar, genellikle "tanrı parçacığı" olarak adlandırılan Higgs bozonunun keşfinden bu yana yaklaşık 10 yıl içindeki atom altı parçacıkların tuhaf dünyasının en büyük keşfi olacaktır.

Johns Hopkins Üniversitesi'nden teorik fizikçi David Kaplan, deneylerin amacının, parçacıkları bölmek ve hem parçacıklarda hem de aralarındaki boş görünen boşlukta tuhaf bir şey olup olmadığını bulmak olduğunu söylüyor. Kaplan, şöyle açıklıyor:

Bilinmeyenler, sadece maddenin içinde bulunmuyor. Tüm uzay ve zamanı kapsıyor gibi görünen alanlarda bulunuyorlar. Bunlara kuantum alanları diyoruz. Boşluğa enerji veriyor ve ortaya ne çıktığına bakıyoruz.

Aşağıdaki videoda, Muon g-2 deneyinin bulgularının açıklamasını izleyebilirsiniz.

Fermilab deneyinden bağımsız olarak, CERN'deki dünyanın en büyük atom parçalayıcısında, fizikçiler protonları birbirleriyle çarpıştırarak bir deney yaptılar. Parçacık çarpıştırıcılarının birkaç ayrı deney ölçümünden biri, alt kuark denen parçacıklar çarpıştığında ne olduğunu ölçer. Standart Model, bu alt kuark parçacığı çarpışmalarının eşit sayıda elektron ve müonla sonuçlanması gerektiğini öngörür. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı alt kuark deneyleri baş bilim insanı Chris Parkes, şöyle söylüyor:

Buna örnek olarak, bir bozuk paranın 1000 kez atılıp yaklaşık eşit sayıda tura ve yazı sonucu alınmasını verebiliriz.

Syracuse Üniversitesi'nden deney araştırmacısı Sheldon Stone şöyle söylüyor:

Araştırmacılar, birkaç yıl içerisindeki birkaç bin çarpışma gözlemi verilerini inceledi ve müon ile elektron miktarında %15'lik bir farkla müonlardan önemli ölçüde daha fazla elektron tespit ettiler.

Maximilien Brice, Julien Marius Ordan/CERN via AP

Buna rağmen her iki deney de henüz geçerli bir keşif olarak adlandırılmıyor; çünkü, sonuçların istatistiksel olarak hatalı olma ihtimali halen var. Her iki durumda da, birkaç yıl içinde yapılan daha çok araştırmayla istatistiksel şartın net bir şekilde sağlanması durumunda araştırmacılar, bunu bir keşif olarak kabul edecektir. Kaplan, şöyle söylüyor:

Sonuçların geçerli olduğu anlaşılırsa, bu olası keşif, parçacık fiziği dünyasında yapılan diğer tüm hesaplamaları alt üst edecektir. Burada bir abartma durumu söz konusu değildir.

Bununla birlikte, ayrı bir grup tarafından yapılan ve 7 Nisan 2021'de, Nature üzerinden yayımlanan rakip bir hesaplama, kayda değer gibi görünen titreşim uyuşmazlığını ortadan kaldırabilir.^[4] Bu çalışma, Fermilab'dan farklı bir yaklaşım benimsiyor. Müonun titreşim hareketini tahmin eden denklemdeki en belirsiz terime çok daha büyük bir değer veren bu ekibin hesaplamalarına göre, deneysel sonuçlar, teoriyle tamamen uyumludur. Penn State'den fizik profesörü ve Nature makalesini yayımlayan çalışma ekibinin lideri Zoltan Fodor yaptığı açıklamada şöyle söylüyor:^[5]

Hesaplamalarımız doğruysa ve gelecekteki ölçümler durumu değiştirmezse, müonun manyetik momentumunu açıklamak için herhangi bir yeni fiziğe ihtiyacımız yok gibi görünüyor. Bu hesaplama, Standart Model'in kurallarına uymaktadır.

Dani Zemba, Penn State

Ancak Fodor, grubunun tahmininin çok farklı varsayımlarla tamamen farklı bir hesaplamaya dayandığı göz önüne alındığında, sonuçlarının kesin bir yargı bildirmekten çok uzak olduğunu da sözlerine ekliyor:

Bulgumuz, önceki teorik sonuçlarla bu sonuçlar arasında bir uyuşmazlık olduğu anlamına geliyor. Bu tutarsızlık anlaşılmalıdır. Ek olarak, gelecekteki yeni deneysel sonuçlar eskilere yakın veya bir önceki teorik hesaplamalara daha yakın da olabilir. Emin olmak için önümüzde heyecanla geçecek uzun yıllar bulunuyor.

Sonuç

Cevap ister teoride ister deneyde olsun, her iki teori için de, müonun doğasını ve bunun fiziksel evren hakkındaki bilimsel kavrayışımızı nasıl etkilediğine dair gerçekleri anlamak için daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyulacak. Temelde, fizikçiler, mevcut 17 Standart Model parçacığının müonlarla nasıl etkileşime girdiğini tam olarak anlayana kadar, yepyeni parçacıkların müonlarla etkileşime girip girmediğini kesin olarak söyleyemeyecekler. Teorilerin hangisinin geçerli olduğu anlaşılana dek, fizik, dengesini sallanarak da olsa korumaya devam edecek.

Heyecan verici keşiflerin çok uzakta olmadığını söylemek, yanlış olmayacaktır.

Bu tarz bilimsel gelişmelere ilgi duyuyorsanız, "Bir Solucan Deliğinden Geçmek, Eğer Mikroskobik Bir Uzay Aracınız Varsa Mümkün Olabilir!" başlıklı yazımızı da okumanızı tavsiye ederiz.