Higgs Bozonu Evrene Nasıl Kütle Kazandırdı?
Büyük Patlama'nın ilk evrelerinde evren; sahip olduğu enerji ile yaratabildiği tüm madde, antimadde ve radyasyon kuantalarıyla doluydu. Genişledikçe soğudu ve uzayın esneyen dokusu aynı zamanda tüm radyasyonun dalga boylarını da daha uzun dalga boylarına doğru esnetti, bu da daha düşük enerji seviyelerine doğru bir dönüşüm demekti.
Eğer henüz keşfedilmeyen daha yüksek enerjilerde maddeler (ve antimaddeler) varsa bunlar Einstein'ın E=mc2E=mc^2 eşitliğine göre büyük kütlede (mm) bir parçacığı yaratabilecek kadar enerji (EE) o anda mevcut olduğu sürece, büyük ihtimalle Büyük Patlama'da oluştular.
Madde-antimadde asimetrisinin kökeni ve karanlık maddenin oluşumu da dahil olmak üzere evrenimiz hakkında bir dizi bilmecenin yakın zamanda güncel fizik sayesinde çözülmesi mümkün duruyor. Ancak bugün, bilinen büyük parçacıklara henüz yabancıyız ve şu aşamalarda kütleye sahip değiller.
Evren soğusa dahi Standart Model'deki madde ve antimaddeler kolayca oluşabilir. Hatta öyle ki saniyenin çok küçük birimlerinde bile meydana gelebilirler. Evren 1015 ya da 1016 GeV enerji seviyelerinde oluşabilir. Bu enerji zamanla 103 GeV'e düşse dahi Standart Model'deki hiçbir madde tehdit altına girmez.
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) tarafından ulaşılabilen enerji seviyelerinde, fizikte bilinen tüm madde-antimadde çiftlerini oluşturabiliriz. Ancak bu noktada, bugünkünden farklı olarak hepsi kütlesizdir. Eğer durağan kütleye sahip değillerse ışık hızında hareket etmekten başka çareleri yoktur. Peki bu noktada neden maddeler bugünkü var oluşlarından çok daha farklı olarak bu kadar tuhaf durumdalar? Çünkü Higgs bozonunun ortaya çıkmasına neden olan temel simetri (elektrozayıf simetri) henüz kırılmadı.
Bugün, Standart Model'i şu şekilde gösteriyoruz:
- Her biri üç farklı renkte olan altı kuark ve bunların antikuark karşılıkları,
- Üç tanesi yüklü (e, μ, τ), üç tanesi de nötr (νe, νμ, ντ) olan leptonlar ve bunların antimadde karşılıkları,
- Kuarklar arasındaki güçlü bağlara aracılık eden sekiz tane kütlesiz gluon,
- Zayıf nükleer kuvvete aracılık eden üç tane ağır ve zayıf bozon (W+, W-, Z0),
- Ve elektromanyetik kuvvetin aracısı olan kütlesiz foton (γ).
Ancak günümüzdeki düşük enerji ölçeğine göre kırık bir simetri var: Elektrozayıf simetri. Bu simetri evrenin ilk günlerinde sağlanmıştı. Ama bu simetri bozulduğunda veya düzeldiğinde Standart Model sistemi değişecekti.
Evrenin başlarında ise üçü büyük kütleli (W+, W-, Z0) ve biri kütlesiz (γ) olan zayıf ve elektromanyetik bozonlar yerine, hiçbirinin kütlesi olmayan dört adet yeni bozon (W1, W2, W3, B) bulunuyordu. Diğer tüm maddeler, henüz kütleye sahip olmamaları dışında aynılardı. Erken Evren'de etrafta dolaşan, çarpışan, yok olan ve tekrar kendiliğinden var olan ve tamamı ışık hızında hareket eden maddeler de bunlardı.
Evren soğudukça ve genişledikçe tüm bu karmaşa aynı şekilde devam edecekti. Evren belli bir enerji seviyesinin üzerinde olduğu sürece, Higgs alanını bir soda veya şarap şişesinin üzerinde yüzen bir şey olarak düşünebilirsiniz. Şişedeki sıvı seviyesi azaldıkça Higgs alanı da sıvı seviyesinde hizalanır ve her şey kütlesiz kalır. Bu, onarılmış simetri olarak adlandırılan durumdur.
Ancak sıvı belirli bir seviyenin altına indikten sonra şişenin dibi (şişenin iç tarafına eğimli olan kısım) kendini göstermeye başlar. Bu durumda Higgs alanı daha fazla merkezde kalamaz, yani eski değerlerini alamaz. Higgs alanı sıvı seviyesinin olduğu yere doğru gitmek zorundadır ve bu da şişenin altındaki boşluklara kayması anlamına gelir. Bu da kırık simetri olarak adlandırılan durumdur. Bu simetri kırıldığı zaman, Higgs alanı en alttaki ve en düşük enerjili denge durumuna gelir. Ancak bu enerji seviyesi, sıfır değildir. Bu, vakum beklenti değeri (VEV) olarak da bilinen ve sıfır olmayan sonlu bir değerdir. Onarılmış simetri (İng: "restored symmetry") yalnızca kütlesiz maddelerle sonuçlanırken kırılan simetri durumu her şeyi değiştirir.
Simetri kırıldığı takdirde kütle sahibi dört parçacık meydana gelir: Bunların ikisi yüklü (biri pozitif, biri negatif) ve diğer ikisi nötr parçacıklardır. Bu dört parçacık, kırılmanın ardından bir anda gerçekleşen aşağıdaki olaylar sayesinde meydana gelir:
Aslında maddi destek istememizin nedeni çok basit: Çünkü Evrim Ağacı, bizim tek mesleğimiz, tek gelir kaynağımız. Birçoklarının aksine bizler, sosyal medyada gördüğünüz makale ve videolarımızı hobi olarak, mesleğimizden arta kalan zamanlarda yapmıyoruz. Dolayısıyla bu işi sürdürebilmek için gelir elde etmemiz gerekiyor.
Bunda elbette ki hiçbir sakınca yok; kimin, ne şartlar altında yayın yapmayı seçtiği büyük oranda bir tercih meselesi. Ne var ki biz, eğer ana mesleklerimizi icra edecek olursak (yani kendi mesleğimiz doğrultusunda bir iş sahibi olursak) Evrim Ağacı'na zaman ayıramayacağımızı, ayakta tutamayacağımızı biliyoruz. Çünkü az sonra detaylarını vereceğimiz üzere, Evrim Ağacı sosyal medyada denk geldiğiniz makale ve videolardan çok daha büyük, kapsamlı ve aşırı zaman alan bir bilim platformu projesi. Bu nedenle bizler, meslek olarak Evrim Ağacı'nı seçtik.
Eğer hem Evrim Ağacı'ndan hayatımızı idame ettirecek, mesleklerimizi bırakmayı en azından kısmen meşrulaştıracak ve mantıklı kılacak kadar bir gelir kaynağı elde edemezsek, mecburen Evrim Ağacı'nı bırakıp, kendi mesleklerimize döneceğiz. Ama bunu istemiyoruz ve bu nedenle didiniyoruz.
- W1 ve W2 parçacıkları Higgs'in yüklü ve kırık simetri hallerini tüketerek W+ ve W- parçacıkları hâline gelir.
- W3 ve B birleşip Higgs'in yüksüz ve kırık simetrisini tüketen bir kombinasyonla birlikte Z0 olur. Hiçbir şey tüketmeyen diğer kombinasyon da foton (γ) olarak kalır.
- Higgs'in kalan son nötr ve kırık simetrisinden kaynaklanan hal ise kütle kazanarak Higgs bozonu hâline gelir.
- Nihayetinde Higgs bozonu, Standart Model'deki diğer tüm maddelerle birleşerek evrene kütle kazandırır.
İşte evrendeki kütlenin kaynağı bu olaylardan gelir. Tüm bu süreç kendiliğinden simetri kırılması olarak adlandırılan durumdur. Higgs simetrisi kırıldığında Standart Model'deki tüm kuarklar ve leptonlar iki etmenden dolayı kütle kazanır:
- Higgs alanının beklenti değeri.
- Bağlanma sabiti.
Ancak burada da bir sorun vardır: Higgs alanının beklenti değeri tüm bu parçacıklar için aynıdır ve hesaplanması çok da zor değildir. İş bağlanma sabitine gelince sorun oluşur. Çünkü bu sabit, her parçacık için farklı olmakla kalmayıp Standart Model'deki yeri de tesadüfidir.
Şimdi maddelerin kütlesinin olduğunu, nasıl kütle kazandıklarını biliyoruz. Kütleden sorumlu parçacıkları da keşfettik. Fakat parçacıkların neden oluşturdukları kütle değerine sahip oldukları hakkında hâlâ bir fikrimiz yok. Bağlanma sabitlerinin neden bu tür bağlantılara sahip olduğu hakkında da hiçbir fikrimiz yok.
Higgs bozonu, gauge bozonları, kuarklar ve leptonların var olduğunu biliyoruz. Bunların özelliklerini hassas bir şekilde ortaya çıkarabilir, tespit edebilir ve ölçebiliriz. Ancak iş bunların neden oluşturdukları değere sahip olduklarını anlamaya geldiğinde karşımıza henüz çözemediğimiz, cevapsız bir bilmece çıkar.
Sonuç
Elektrozayıf simetrinin kırılmasından önce, evrende bugün var olduğu bilinen her şey kütlesiz ve ışık hızında hareket etmektedir. Higgs simetrisi; kırıldığı zaman evrendeki kuarklara ve leptonlara, W ve Z bozonlarına ve Higgs bozonunun kendisine kütle kazandırır. Ağır olan parçacıklar, hafif parçacıklar ile aralarındaki büyük kütle farkları sebebiyle aniden ve çok kısa zaman aralıklarında daha hafif olanlara kendiliğinden bozunur. Bu bozunma, özellikle de evrendeki enerji (EE) bu kararsız parçacıkları oluşturmak için gereken kütle (mm) karşılığının altına düştüğü zaman E=mc2E=mc^2 eşitliğine göre meydana gelir.
Elekrozayıf simetri kırılmasıyla ilişkili olan kritik gauge simetrisi olmasaydı tamamen kütlesiz maddelerden oluşan kararlı ve bağlı hallere sahip olmadığımız için varoluş mümkün olmazdı. Ancak kuarkların ve yüklü leptonların temel kütleleri sayesinde artık evren daha önce mümkün olmamış bir şeyi yapabiliyor: Soğuyup proton ve nötronlardaki gibi bağlı hâller oluşturabiliyor.
Bunlarsa daha da soğuyarak atom çekirdekleri ve en sonunda nötr atomlar oluşturabilir. Yeterli miktarda zaman da geçtikten sonra yıldızlar, galaksiler, gezegenler ve insanlar oluşabilir. Evrene kütle kazandıran Higgs olmadan bunların hiçbiri mümkün olmazdı. Yani Higgs, keşfedilmesi 50 yıl sürmesine rağmen 13.8 milyar yıldır evrenin varlığını mümkün kılan şey!
İçeriklerimizin bilimsel gerçekleri doğru bir şekilde yansıtması için en üst düzey çabayı gösteriyoruz. Gözünüze doğru gelmeyen bir şey varsa, mümkünse güvenilir kaynaklarınızla birlikte bize ulaşın!
Bu içeriğimizle ilgili bir sorunuz mu var? Buraya tıklayarak sorabilirsiniz.
Soru & Cevap Platformuna Git- 10
- 7
- 5
- 3
- 3
- 2
- 1
- 1
- 0
- 0
- 0
- 0
- Çeviri Kaynağı: Forbes | Arşiv Bağlantısı
- E. Siegel. What Was It Like When The Higgs Gave Mass To The Universe?. (1 Ağustos 2018). Alındığı Tarih: 2 Ağustos 2024. Alındığı Yer: Forbes | Arşiv Bağlantısı
Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?
Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:
kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci
Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 07/11/2024 10:16:41 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/18278
İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.
This work is an exact translation of the article originally published in Forbes. Evrim Ağacı is a popular science organization which seeks to increase scientific awareness and knowledge in Turkey, and this translation is a part of those efforts. If you are the author/owner of this article and if you choose it to be taken down, please contact us and we will immediately remove your content. Thank you for your cooperation and understanding.