Higgs Bozonu Nedir? Higgs Parçacığı Neden "Tanrı Parçacığı" Olarak Biliniyor?

"Higgs Parçacığı" veya yanıltıcı bir şekilde "Tanrı Parçacığı" olarak da bilinen Higgs Bozonu, parçacık fiziğinin temelinde yer alan Standart Model kapsamındaki temel parçacıklardan biridir. Temel parçacıkların, Alan Teorisi çerçevesinde tanımlanan Higgs Alanı'yla kuantum düzeyde etkileşmesi sonucunda üretilir. Standart Model'de Higgs Parçacığı, sıfır spin değerine ve çift (pozitif) pariteye sahip olan, elektrik yükü veya renk yükü bulunmayan, kütleyi taşıyan skaler bir bozon olarak tanımlanır.

Higgs Bozonu Fikri Nereden Çıktı?

Yirminci yüzyılın ikinci yarısında bilim insanları, Evren'in Büyük Patlama'yla ortaya çıktığına neredeyse kesin gözüyle bakıyorlardı. Büyük Patlama, modern kozmolojik teoriler ışığında, maddenin aşırı yoğun ve sıcak bir noktadan genişlemesi sonucu Evren'imizin oluşmasını mümkün kılan âna verilen isimdir. Diğer bir deyişle Büyük Patlama, "etraf" diye adlandıracağımız uzay-zaman düzlemini ortaya çıkarmıştır. Bu bağlamda "patlama" benzetimi tamamen hatalıdır; çünkü Evren'in başlangıcında, günümüzden aşina olduğumuz türden bir patlama sonucu ortaya çıkan ve şarapnel parçaları gibi etrafa saçılan bir şey yoktur. Şeyler ve onların bulunduğu uzay-zaman dokusu, bu süper-hızlı genişleme ile oluşmaya başlamıştır.

Bu süreçle ilgili kritik bir soru işareti, temel parçacıkların kütlesinin nereden geldiğiydi. Yapılan ölçümlere göre W⁺, W^- ve Z⁰ bozonlarının yaklaşık 80 GeV/c² seviyesinde, oldukça büyük sayılabilecek kütleleri olduğu biliniyordu. Ancak Standart Model'e göre bunların kütlesiz olması gerekiyordu.

Bunu açıklama yollarından biri, Evren'in geneline (veya Standart Model'deki Hilbert uzaylarına) yayılan, Higgs Alanı adı verilen yeni bir kuantum alanı ileri sürmekti.

Fizikte "Alan" Ne Anlama Gelir?

Fiziksel olarak "alan"lar:

1. Uzay-zaman dokusunun tamamına yayılmış hâldedirler.
2. Ortalama değerleri sıfır veya bir başka sayı olabilir.
3. İçinde dalgalar oluşabilir.
4. Eğer kuantum bir alandan söz ediyorsak, bu dalgalar aynı zamanda parçacık yapılıdır.

Örneğin elektrik alanı, doğanın her yerde bulunan bir parçasıdır. Uzayda herhangi bir noktada ve herhangi bir zamanda ölçebilirsiniz. Eğer belli bir bölgede bu alanın ortalama değeri sıfır değilse, saçınızı diken diken etmek veya kıvılcım çıkarmak gibi fiziksel etkileri olabilir ve bu etkileri gözleyebilirsiniz. Elektrik alanda dalgalanmalar da olabilir: Bunlar, söz konusu alanın büyüklüğünün tekrar tekrar ve arka arkaya büyüyüp küçülmesiyle oluşan pertürbasyonlardır. Örneğin görünür ışık, X-ışınları, radyo dalgaları (veya topluca, "elektromanyetik spektrum" dediğimiz yapı) birer dalgadır.

Benzer şekilde Higgs Alanı da uzay-zaman geneline yayılmış, fiziksel bir alandır. Ancak Higgs Alanı , doğanın temel alanlarının çoğunun aksine, Evren'in tamamında sıfırdan farklı bir ortalama değere sahiptir. Bu nedenle de elektronlar, kuarklar ve zayıf çekirdek kuvvetine sebep olan W ve Z parçacıkları da dahil olmak üzere birçok parçacığın kütlesi vardır. Higgs Alanı'nın ortalama değeri sıfır olsaydı, bu parçacıklar kütlesiz veya çok hafif olurdu. Bu bir felaket olurdu; çünkü atomlar ve çekirdekleri parçalanırdı. Higgs Alanı sıfırdan farklı bir ortalama değere sahip olmadan, insanlar veya üzerinde yaşadığımız dünya gibi hiçbir şey var olamazdı. Dolayısıyla hayatımızı Higgs Alanı'nın sıfır olmayan değerine borçluyuz diyebiliriz.

Parçacık Nedir?

Bir kuantum alanında oluşan dalgalarının büyüklüğü keyfi bir şekilde, herhangi bir değerde olamaz. Yani istedikleri kadar "sönük" olamazlar; bunun bir alt sınırı vardır. İşte bir alanda var olabilecek, büyüklüğü en küçük olan dalgaya "kuantum" veya daha sık olarak "parçacık" denir. Dalgaların aksine parçacıklar, insanların özsezileriyle daha uyumlu bir şekilde davranırlar: Bir top gibi tek bir çizgi üzerinde ilerlerler, yüzeylere çarptıklarında diğer tarafa doğru sekebilirler, vs. Ancak aslında orada gerçek anlamıyla bir parçacık olmadığı, dalganın parçacıkmışçasına tezahür edebildiğimiz bir doğası olduğu iyi anlaşılmalıdır.

Örneğin elektrik alandaki parçacıklara "foton" denir. Foton, var olabilecek en düşük şiddete sahip elektrik alan dalgalanmasıdır; bir nevi, olabilecek en loş ışık parlamasıdır. Teknik olarak gözlerimizdeki reseptörler, tek seferde tek foton emebilirler (ancak beynimize bir sinyal göndermeden önce, genellikle birkaç fotonun gelmesini beklerler; bu nedenle de tekil fotonları genelde algılayamayız). Bir lazer gerçekte çok yoğun dalgalar üretir, ancak bir lazerin önüne bir ekran koyarsanız ve bu ekranda çok ufak bir yarık açarak fotonların çoğunu filtrelerseniz, nihayetinde yarığı, o yarıktan sadece 1 tane foton geçebilecek kadar ufaltmanız mümkündür. Bu ufak fotonların her biri eşit derecede loş olacaktır.

Higgs Alanı Hakkında Ne Biliyoruz?

Higgs Bozonu ile Higgs Alanı arasındaki ilişki, foton ile elektrik alan arasındaki ilişkiyle aynıdır. Ancak elektrik alanın aksine, Higgs Alanı hakkında çok az şey bilmekteyiz:

• Var olduğunu biliyoruz.
• Ortalama değerinin sıfırdan farklı bir değer olduğunu biliyoruz.
• Maddeyle etkileşimlerine dair az sayıda şey biliyoruz.

Higgs Alanı hakkında bilmediğimiz önemli detayların bir kısmı şunlardır:

Evrim Ağacı'ndan Mesaj

Neden Desteğe İhtiyacımız Var?

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... Daha fazla göster

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.

Destek Ol

• Higgs Alanı illâ tek bir alan olmak zorunda değildir; birden fazla alan ve dolayısıyla birden fazla Higgs Parçacığı var olabilir. 2012 yılından bu yana yapılan gözlemler, Higgs Alanı'nın tek ve temel bir alan olduğuna işaret etmektedir; ancak bundan kesin olarak emin değiliz.
• Higgs Alanı, diğer alanların bir araya gelmesi ve etkileşmesinden doğan bir kompozit olabilir. Örneğin "proton" dediğimiz şey; kuarklar, antikuarklar ve gluonlardan oluşan bir yapıdır. Proton alanı da kuark, antikuark ve gluon alanlarından oluşmaktadır. Benzer şekilde, Higgs Alanı da bir kompozit olabilir; yani elektrik alan gibi temel bir alan olup olmadığından emin değiliz.

Yani fizikçiler için asıl önemli olan Higgs Alanı'dır. Ancak Higgs Alanı'nı doğrudan gözlemek mümkün olmadığı için, Higgs Bozonu ekstra öneme kavuşmaktadır: Higgs Alanı'nın doğasını çözmenin şu anda bilinen tek yolu Higgs Bozonu'dur.

Higgs Mekanizması Nedir?

Daha teorik olarak, Higgs Alanı, zayıf izospin SU(2) simetrisinin karmaşık bir ikilisini oluşturan iki nötr ve iki elektrik yüklü bileşenden oluşan, skaler bir alandır. "Meksika şapkası şeklindeki" potansiyeli, elektrozayıf etkileşimin zayıf izospin simetrisini kıran her yerde (başka türlü boş alan dahil) sıfır olmayan bir değer almasına yol açar ve Higgs Mekanizması aracılığıyla parçacıkların bir kısmına kütlelerini kazandırır.

Higgs Mekanizması, bazı aşırı yüksek sıcaklıkların altında, Higgs Alanı'nın etkileşimler sırasında kendiliğinden simetri kırılmasına neden olmasıdır. Simetrinin bozulması, Higgs mekanizmasını tetikleyerek etkileşime girdiği bozonların kütleye sahip olmasına neden olur. Standart Model'deyse, "Higgs Mekanizması" ifadesi, özellikle elektrozayıf simetri kırılması yoluyla W^± ve Z zayıf ayar bozonlarının kütle kazanmasına verilen isimdir.

Simetri ve Simetri Kırılımı Neden Önemli?

Simetri, fiziğin genelinde karşımıza çıkan önemli bir niteliktir. Bir şekli döndürdüğünüzde veya çevirdiğinizde görünümü değişmiyorsa ona "simetrik" diyebilmeniz gibi, doğa yasaları da benzer bir simetriye sahiptir. Örneğin, elektrik yüküne sahip parçacıklar arasındaki elektrik kuvveti, parçacığın elektron, müon veya proton olmasına bakılmaksızın her zaman aynı olacaktır. Bu tür simetriler, teorinin temelini oluşturur ve yapısını tanımlar.

Kuantum Alan Teorisi, elektromanyetik etkileşimin çok başarılı bir tanımı olan kuantum elektromanyetizmanın temelini oluşturmaktadır. Ancak fizikçilerin, daha önceden yaptıkları gibi zayıf etkileşime benzer bir yaklaşım uygulaması mümkün değildi: Eldeki teori, parçacıkların kütleye sahip olmasına izin vermiyordu.

Spesifik olarak, W ve Z bozonları olarak bilinen zayıf kuvvet taşıyıcılarının kütlesiz olması gerekiyordu, aksi takdirde teorinin temel simetrisi bozulacak ve teori çalışmayacaktır. Zayıf etkileşimin çok kısa menzilli olduğunu bildiğimiz için, bu menzili verecek kuvvet taşıyıcılarının devasa bir kütleye sahip olması gerekmektedir. Bu, Higgs-öncesi fizik için büyük bir sorun teşkil ediyordu.

Bu sorunun çözümü Higgs Mekanizması'ndan geldi. Bu mekanizmanın iki ana bileşeni vardır: İlki, buraya kadar gördüğümüz üzere, tamamen yeni bir kuantum alanıdır (ve onunla ilişkili bir parçacıktır). Ama bu alana bir "mekanizma" kazandıran şey, ikinci bileşendir: kendiliğinden simetri kırılması.

Kendiliğinden kırılan bir simetri, bir teorinin denklemlerinde bulunan ancak fiziksel sistemin kendisinde bozulan simetridir. Bir masanın ortasında, sivri ucu üzerinde duran bir kalem hayal edin. Bu, kusursuz olarak simetrik bir durumdur; ancak bu simetri, yalnızca bir an için korunabilir: Kalemi serbest bıraktığınız anda devrilecektir. Bu devrilmenin parçacık fiziğindeki karşılığı, kalemin belli bir yöne işaret edecek biçimde düşmesi, yani rotasyonel simetrinin bozulmasıdır. Öte yandan onlara önceden tanımlanmış bir yön bulunmadığından, doğa yasaları değişmeden (yani "devrilmeden") kalabilmektedir. Bu nedenle Higgs Mekanizması, bozonlarda karşımıza çıkan simetri eksikliğini "kandırarak", fiziğe yeniden simetriyi kazandırdı.

Bu, şu şekilde çalışmaktadır: Büyük Patlama ânında Evren, kararsız ama simetrik bir hâldeydi ve Higgs Alanı ile doluydu. Büyük Patlama'dan, 1 saniyeden çok ama çok daha kısa bir süre sonra alan, sabit bir konfigürasyona geçebildi; ancak bu, ilk simetriyi bozan bir konfigürasyondu. Bu konfigürasyonda, denklemler simetrik kaldı, ancak Higgs Alanı'nın kırık simetrisi, W ve Z bozonlarına kütlelerini verdi. Daha sonra ortaya çıktığı gibi, diğer temel parçacıklar da Higgs alanı ile etkileşerek kütle kazandı ve bugün gözlemlediğimiz parçacık özellikleri ortaya çıkmış oldu.

Nobel Karmaşası: Peter Higgs'in Keşifteki Rolü Ne?

Anlayacağınız, Higgs Bozonu'na karşılık gelen parçacığın varlığı, 1964 senesinde çok sayıda bilim insanı tarafından öngörülmüştü. O kişilerden biri de, bozona sonradan adı verilecek olan Peter Higgs idi. 8 Temmuz 2022 itibariyle 93 yaşında olan Higgs, bozonu nadiren bu isimle anmaktadır; genelde "skaler bozon" veya "insanların Higgs Bozonu dediği parçacık" gibi isimleri tercih etmektedir.

Bu çekingenliğinin potansiyel bir nedeni, Higgs Bozonu'nun keşfine verilen 2013 Nobel Ödülü'nün yarattığı tartışmalar olabilir. 2013 yılında Nobel Fizik Ödülü, Peter Higgs ile François Englert arasında paylaştırılmıştır - ki bunlar, 1960'larda, bugün Higgs Mekanizması olarak bildiğimiz konu üzerine çalışan araştırmacılardan ikisidir. Ancak 1964 yılında Higgs Mekanizması'nı öngören 3 farklı makale yayınlanmıştır ve bunları toplamda 6 kişi yazmıştır:^{[1], [2], [3]}

• Robert Brout ve François Englert
• Peter Higgs
• Gerald Guralnik, C. R. Hagen ve Tom Kibble

24 Temmuz 1964 günü, Robert Brout ve François Englert'in "Kırık Simetrinin Kütlesiz Parçacıkları ve Ayar Alanları" (İng: "Broken Symmetry Massless Particles and Gauge Fields") başlıklı makalesi, Physics Letters dergisinin CERN'deki editörü tarafından kabul edildi. Bu yazıda yazarlar, bozuk simetri problemiyle nasıl başa çıkılacağını ilk defa açıklamayı başardılar.

Aynı yılın 31 Temmuz günü Peter Higgs, aynı dergiye, Physics Review Letters'ın editörüne "Kırık Simetriler ve Ayar Bozonlarının Kütlesi" (İng: "Broken Symmetries and the Mass of Gauge Bosons") başlıklı kendi makalesini gönderdi. Bu makalede, burada Brout ve Englert'in teorik olarak önerdiği mekanizmanın pratikte nasıl uygulanabileceğini açıklamayı başardı. Ancak makalesi ilk başta reddedildi! Peter Higgs, yaz boyunca makalesini gözden geçirdi ve şu sonunda, şu notu da makaleye ekleyerek yayına gönderdi:

Agora Bilim Pazarı

Sihirli Ağaç Evi -Çizgi Roman- 2: Gizemli Şövalye

Dünya çocuklarının sevgilisi Sihirli Ağaç Evi şimdi çizgi roman!

HER ŞATONUN BİR GİZLİ GEÇİDİ VARDIR…

Yeni serüvenimizde Sihirli Ağaç Evi, Tim ve Lea’yı Orta Çağ’a uçuruyor. Şövalyeler, şatolar, şenlikler ve büyülü bir asa burada onları bekliyor.

Ama casus sanılıp yakalandıklarında, eğlenceleri gerçek bir maceraya dönüşecek. Kaçış için çok iyi bir plana ihtiyaçları var!

Sihirli Ağaç Evi serisi hakkında:

Küçük okurları hem okuma keyfi hem de tarihteki farklı kültürler ile tanıştıran Sihirli Ağaç Evi serisi, bu yönüyle sadece dünyanın dört bir yanındaki çocukların değil, anne babalar ve eğitimcilerin de gözdesi oldu.

New York Times çoksatanlar listesinde bir numaraya kadar çıkıp beş yıldan uzun bir süre bu listede kalmayı başaran, 33 dilde 130 milyondan fazla satan bu ödüllü seri şimdi rengarenk ve soluksuz okutan çizimleriyle çizgi roman formatında okurunun karşısında.

Devamını Göster

₺130.00

Satın Al Tüm Ürünler

• Dış Sitelerde Paylaş

Bu notta açıklanan teorinin temel bir özelliğinin, skaler ve vektör bozonlarının tamamlanmamış katlarının tahmini olduğunu belirtmekte fayda vardır.

Gözden geçirilmiş makale, Physical Review Letters tarafından 31 Ağustos'ta alındı ​​ve sonunda kabul edildi! Aynı zamanda hakem (Y. Nambu), aynı fikrin R. Brout ve F. Englert tarafından da önerildiğini Peter Higgs'e anlattı. Bu iki makale, aynı tarihte yayınlandı. Aynı yılın Kasım ayındaysa kısaca "GHK" olarak bilinen  Gerald Guralnik, Carl Hagen ve Tom Kibble, "Küresel Korunum Yasaları ve Kütlesiz Parçacıklar" (İng: "Global Conservation Laws and Massless Particles") kendi makalelerini Physical Review Letters'da yayınladılar.

Ne var ki kurallar gereği Nobel Ödülü en fazla 3 kişi arasında paylaştırılabilmekteydi. Komite, yukarıda verdiğimiz 3 gruptan sonuncusuna 2013 Nobel Fizik Ödülü'nden hiç pay vermedi. Halbuki bu 3 makaleden 2 tanesi (Higgs'inki ve GHK grubununki) sözü edilen ve sonradan Higgs Alanı olarak anılacak hipotetik alanın ve sonradan Higgs Bozonu olarak bilinecek parçacığın teorik altyapısını denklemlerle izah etmekteydi. Benzer şekilde, Englert'in Nobel Ödülü alan makalesinin eş yazarı Robert Brout da ödülün dışında bırakıldı.

Bu makalelerin her biri eşsizdir ve her biri, ayar parçacıklarında kütlenin nasıl ortaya çıktığını gösteren farklı yaklaşımlar içermektedir. Yıllar geçtikçe, bu makaleler arasındaki farklar, zamanın geçmesi ve nihai sonuçların parçacık fiziği topluluğu tarafından kabul edilmesi nedeniyle artık geniş çapta bilinmemektedir. Atıf indeksleri üzerine de ilginç bir araştırma yapılmıştır: Physical Review Letters dergisinde bu 3 makalenin 1964 yılında yayımlanması üzerinden geçen 40 yıldan uzun bir süre boyunca, literatürdeki yeni makaleler bu 3 makaleden herhangi birine özel bir öncelik veya ayrıcalık tanımamıştır. Her üçü de aşağı yukarı eşit miktarda atıf almıştır ve genellikle hepsinden bir arada söz edilmiştir.

Bu durumdan rahatsız olan fizikçiler, Higgs Mekanizması'na çeşitli şekillerde hitap edebilmektedirler:^{[4], [5], [6], [7]}

• Brout–Englert–Higgs Mekanizması
• Englert–Brout–Higgs–Guralnik–Hagen–Kibble Mekanizması
• Anderson–Higgs Mekanizması
• Anderson–Higgs–Kibble Mekanizması
• Higgs–Kibble Mekanizması (Abdus Salam tarafından kullanılmaktadır)
• ABEGHHK'tH Mekanizması (Peter Higgs tarafından kullanılmaktadır ve isimdeki baş harfler Anderson, Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Higgs, Kibble ve 't Hooft içindir.)

Peter Higgs'in kendisi de tıpkı bozonu gibi epey zor bulunur bir varlık olarak nitelenebilir; çünkü kendisi çok az röportaj vermektedir, hakkında epey az şey bilinmektedir ve hatta Nobel Ödülü'nü kazandığı gün de saatlerce kimse kendisine ulaşamamıştır. Bu konuda İngilizcesi olanlara, Frank Close tarafından yazılan ve Peter Higgs'in ilk kapsamlı biyografisi olan Elusive'i önerebiliriz.

Ama buraya kadar olan kısmı özetleyecek olursak: Bilim insanlarına göre gizemli bir parçacık, diğer parçacıklarla etkileşime girerek onları bir araya getirdi ve atom altı parçacıkları oluşturdu. "Higgs Bozonu" olarak anılan bu parçacık, Peter Higgs ve diğer birkaç bilim insanı tarafından Standart Model'deki fermiyonlara kütle kazandırmak için varlığı öne sürülmüş, spini sıfır olan parçacıktır. Higgs bozonunun kütlesi Standart Model tarafından belirlenemediğinden (genel olarak Standart Model, bünyesindeki parçacıkların kütlesini öngöremez), bu bozonun hangi enerji aralığında olduğu önceden bilinmemekteydi. Tüm bu zorluklar nedeniyle Higgs bozonunun varlığının doğrulanması yıllar sürmüştür.

Nuclear Power

Higgs Bozonu Neden "Tanrı Parçacığı" Olarak Biliniyor?

Higgs parçacığının aradan anca 48 yıl geçtikten sonra, 2012 yılında doğrulanabilmesinin nedeni, bu bozona doğada kolay kolay rastlamıyor olmamızdır. Higgs Bozonu, bir parçacık hızlandırıcısında yapılan çarpışma testlerinde çok nadiren (yaklaşık 10 milyar çarpışmada 1 kez) oluşur ve oluştuktan sonra da müthiş bir hızla bozunur. Dahası, Higgs Bozonu'nun imzasını taşıyan başka türden etkileşimler de mümkündür; yani bilim insanlarının, gözledikleri şeyin "Higgs Bozonu" olduğundan emin olması çok zordur. 

Bu bulunması aşırı zor parçacığı bulmanın yollarından biri, giderek daha büyük parçacık hızlandırıcıların yapılmasıdır. İşte Avrupa'nın günümüzde hâlen devam etmekte olan parçacık hızlandırıcı konusundaki üstünlüğünü Amerika'ya taşımak isteyen Nobel Ödüllü teorik fizikçi (ve Fermilab’ın o zamanki direktörü) Leon Lederman, yeni ve daha büyük bir parçacık hızlandırıcısının Amerika Birleşik Devletleri'nde bir an önce inşa edilmesini (ve var olan hızlandırıcıların maddi olarak desteklenmesinin devam etmesini) savunmak amacıyla, 1993 yılında The Goddamn Particle (yani "Tanrı’nın Belası Parçacık") adını verdiği bir kitap yazdı. Tahmin edebileceğiniz gibi, bu ismi seçme nedeni, bu bozonun hala bulamamış olmalarıydı.

Ne var ki kitabı yayınlayacak olan Dell Yayınevi'nin editörleri, başlığı çok uzun ve tartışmalı buldular; çünkü başlıkta geçen "goddamn" sözcüğü, Hristiyanlar arasında Tanrı'nın adını kötüye kullanmak olarak (dolayısıyla da bir günah olarak) görülüyordu. Bu nedenle kitabın başlığı, biraz da yaratacağı sansasyondan faydalanmak amacıyla, The God Particle (yani "Tanrı Parçacığı") olarak kısaltıldı.^[8]

Yani Higgs Bozonu'na "Tanrı Parçacığı" lakabının takılması, bir yayınevinin kitap satış merakından kaynaklanmaktadır. Günümüzde bilim çevrelerinde bu isim kullanılmamaktadır ve hatta çok kötü bir tercih olduğu, insanları yanlış yönlendirdiği ve abartılı bir iddiada bulunduğu için bilim iletişimine de zarar verdiği düşünülmektedir. Harvard Üniversitesi teorik fizikçilerinden Prof. Dr. Matt Strassler şöyle anlatıyor:^[9]

Bir fizikçinin Higgs parçacığından bilimsel bir makale, bir konferansta, bir konuşmada ve hatta resmi olmayan bir bilimsel tartışma bağlamında bu şekilde ["Tanrı Parçacığı" adıyla] bahsettiğini hiç duymadım veya görmedim. Matematik denklemlerinde, fiziğin yorumlanmasında, bildiğim herhangi bir felsefede veya aşina olduğum herhangi bir dini metin veya gelenekte, Higgs parçacığını veya Higgs alanını herhangi bir dini kavramla veya tanrısallıkla ilişkilendiren hiçbir bulgu yoktur. Bu, tamamen uydurma bir lakaptır.

Şahsen, yayıncılık sektörünün kitap satma ihtiyacıyla ya da medyanın hikaye satma ihtiyacıyla bilimin ya da dinin itilip kakılmasının sağlıklı olmadığını düşünüyorum. Bu düşünceden ne kadar erken vazgeçersek o kadar iyi.

Higgs Bozonu Nasıl Keşfedildi?

Protondan 120 kat daha büyük bir kütleye sahip olan Higgs Bozonu, bugün bilinen en büyük kütleli ikinci parçacıktır. Bu büyük kütle, son derece kısa bir ömür (10^-22 saniye) ile birleştiğinde, parçacığın doğada bulunamayacağı anlamına gelir. Bu nedenle Higgs Bozonu'nun varlığı, ancak laboratuvarda üretilerek doğrulanabilir. Bu kadar yüksek kütleli bozonların üretilebilmesi için, çok yüksek enerjili parçacık çarpıştırıcılarına ihtiyaç vardır ve bunu yapabilecek tek çarpıştırıcı, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'dır.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Nedir? Ne İşe Yarar?

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nı anlamanın en kolay yolu, "Büyük Hadron Çarpıştırıcısı" adındaki her bir kelime üzerinden gitmektir.

Büyük

"Büyük" diyoruz; çünkü Cenevre yakınlarında, Fransa-İsviçre sınırında, 5 milyar dolar harcanarak yerin 50-175 metre altına inşa edilmiş, 26,7 kilometre uzunluğunda, 4 metre çapında, devasa bir halkadan söz ediyoruz. Bu halkada yapılan deneyler üzerinde 100 küsur farklı ülkeden 20.000 civarında akademisyen çalışmaktadır. Bu muazzam sayılar dolayısıyla bu ekipman, insanlık tarihinde üretilmiş en büyük dedektör unvanına sahiptir.

Hadron

"Hadron" sözcüğü, Standart Model yazımızda da anlattığımız, kuarklardan oluşan parçacıkların genel adıdır. CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda diğer parçacıkları üretmek için birbiriyle çarpıştırılan madde de protonlar olduğu için ve protonlar da 2 adet "yukarı" ve 1 adet "aşağı" kuarktan oluştuğu için, "hadron" olarak sınıflandırılmaktadır. 

Burada ufak bir parantez açalım: Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, CERN kompleksindeki dedektörlerden biri ve en büyüğüdür. Ama aynı komplekste, örneğin Düşük Enerjili İyon Halkası adında bir başka dedektör de vardır ve adından da tahmin edebileceğiniz gibi bu cihaz, protonları değil de iyonları birbiriyle çarpıştırmaktadır. Aynı komplekste Ekstra Düşük Enerjili Antiproton Halkası (ELENA) diye bir diğer halka da vardır; burada da antiparçacıklardan olan antiprotonlar (yani anti madde) çarpıştırılmaktadır. Dolayısıyla illâ protonlar kullanılmak zorunda değildir.

Çarpıştırıcı

Ama bu muhteşem dedektörün asıl olayı, isimdeki "çarpıştırıcı" kısmındadır. Bu devasa tünelin bir ucundan enjekte edilen inanılmaz küçük kütleli (proton gibi) maddeler, toplamda 10.000'den fazla mıknatıs yardımıyla tünelin istenen bir kısmında hareket ettirilmektedir (ve bu mıknatısların zekice kontrolü sayesinde protonlar, halkanın kıvrımları boyunca yön de değiştirebilmektedirler). Çoğu niyobyum ve titanyumdan yapılmış bu mıknatıslar, helyumun süper akışkan bir izotopu olan Helyum-4'ten 96 ton kullanılarak -271.25 santigrat dereceye kadar soğutulmaktadır – ki bu, tüneli yeryüzündeki en büyük kriyojenik tesis yapmaktadır: Bu inanılmaz düşük sıcaklık, bırakın yıldızlararası boşluğu, galaksiler arası boşluk kadar soğuktur!

İşte bir deney yapılacağı zaman bu mıknatısların manyetik gücü 0.54 Tesla'dan 7.7 Tesla'ya kadar çıkarılabilmektedir. Kıyas olması bakımından, Dünya'nın toplam manyetik alanı 50 mikroTesla civarındadır; yani bu deneyde ulaşılan manyetik güçten 154.000 kat daha zayıftır! Bu muazzam manyetik alan altında pozitif yüklü protonlar giderek hızlandırılmaktadır – ki hızın artması, kinetik enerjinin artması demektir.

O meşhur "5 TeV" veya "6.5 TeV" gibi enerji değerleri de işte buradan gelmektedir: Oradaki 1 TeV, durgun 1 elektronu, 1 Volt gerilim altında hızlandırdığımızda ona kazandırdığımız kinetik enerjinin 1 trilyon katına eşittir. Bu muazzam enerji, protonların ışık hızının %99.999999'una kadar hızlanmasına neden olmaktadır. Bu öylesine akıl almaz bir hız ki, bu protonlar için 1 saniye geçmesi için, bizim dünyamızda 1 dakikadan fazla zaman geçmesi gerekmektedir. Bu hız sayesinde protonların 26.7 kilometrelik halkayı tamamlaması 90 mikrosaniye sürmektedir; yani 1 saniyede protonlar, 26.7 kilometrelik halka içinde 11.245 tur atmaktadırlar.

Bu deneylerde sadece 1-2 tanecik proton kullanılmamaktadır. Genelde tek seferde 115 milyar civarında proton, 2800 küsur gruba ayrıştırılarak, eş zamanlı olarak tünel içinde (bir kısmı saat yönünde, bir kısmı saat yönünün tersine) döndürülmektedir. Bu protonlar başlangıçta tünel içinde epey dağınık halde bulunmaktadırlar (ve inanılmaz küçük oldukları için, devasa sayılarda olmalarına rağmen birbirlerine denk gelme şansları çok azdır). Ama dedektörleri çalıştırma vakti geldiğinde, mıknatısların gücü yine akıllıca ayarlanarak protonlar halkanın merkezine doğru yaklaştırılmaktadırlar ve doğru anda, neredeyse ışık hızında birbirlerine çarpıştırılmaktadırlar.

Bu çarpışmanın etkisiyle protonlar, kendi boyutlarının 10.000'de biri kadar küçük olan kuarklarına kadar parçalanmaktadır ve etrafa çok sayıda parçacık saçıp, civardaki diğer parçacıklarla anlık olarak etkileşmektedir. İşte giderek daha büyük enerji seviyelerinin önemi de burada devreye girmektedir: Çarpışma anında protonların sahip olduğu enerji, onların ne şekilde parçalanacağını ve dolayısıyla ne tür parçacıkların ortaya çıkacağını belirlemektedir.

Örneğin inanılmaz kısa ömürlü Higgs Bozonu'nun neredeyse 50 sene boyunca bulunamaması, protonların doğru enerji seviyesinde çarpıştırılmamasıydı. 2012 yılında bu engel nihayet aşılabildi. 2022 yılındaysa protonlar, 13.6 TeV seviyesinde bir enerjiyle birbirlerine çarpıştırıldı. Bu enerji seviyeleri o kadar yüksek ki, bugüne kadar üretilmiş en çok sayıda ve en net tespit edilebilir Higgs Bozonları üretilecektir ve bu sayede bu bozonu karakterize etmek çok daha kolay olacaktır.

Burada bir parantez daha açalım: Protonlar gibi parçacıkların çarpışması, aslında iki arabanın birbirine çarpışması gibi bir olay değildir. Çünkü o kadar küçük boyutlarda artık arabaların çarpışmasına hükmeden klasik fizik yasalarının yerini, atom altı parçacıkların etkileşimlerine hükmeden kuantum fiziği almaktadır. Parçacık fiziğinde "çarpışma" olması için protonların bilardo topu gibi kafa kafaya tokuşması gerekmemektedir. Eğer yeterince yüksek enerjili iki proton birbirine yeterince yakın mesafeden geçecek olursa, "proton" dediğimiz kuantum mekanik yapılar birbiriyle eş zamanlı olarak etkileşmeye başlamaktadır (bir nevi, "rezonansa girmektedirler") ve bu etkileşim yeterince güçlü olursa, yeni parçacıklar o kadar kolay ve fazla üretilmektedir. Dedektörlerin tespit ettiği şey de işte bu parçacıklardır.

Parçacık Üretmek İşin İlk Adımı!

Ancak bir parçacığın üretilmesi, işin yalnızca ilk adımdır. Ömrü göz önüne alındığında, Higgs bozonu hemen hemen başka parçacıklara bozunur (veya dönüşür). Dolayısıyla Higgs Bozonu'nu doğrudan gözlemlemek mümkün değildir. Bozonun bozunması sırasında üretilen parçacıklar, bu bozonun geride bıraktığı tek izdir. Bu izlerin parçacık dedektörleri tarafından tespit edilmesi ve hassas bir şekilde ölçülmesi gerekir.

Bozunma ürünleri tespit edildikten sonraki adım, Higgs Bozonu'nun üretilip üretilmediğinin belirlenmesidir. Sorun, Higgs Bozonu'nun bozunduğu parçacıkların, parçacık çarpışmalarında bolca üretilen parçacıklar olmasıdır. Örneğin Higgs Bozonu bozununca, geriye bir çift foton kalabilir; ancak bir dedektörde bir çift foton görmek, Higgs Bozonu'nun var olduğuna ve deneyde üretilmekte olduğuna dair herhangi bir gösterge değildir. Hele ki Higgs Bozonu'nun, her 1 milyar çarpışmada 1 kez üretildiği düşünülecek olursa...

Bu nedenle bilim insanları, bir çift fotonun (veya Higgs'in bozunduğu bir diğer durum olan 4 müonun) bir Higgs Bozonu bozunmasından gelip gelmediğini ve geldiğinde de ne zaman geldiğini belirlemek zorundadırlar.

Bir çeşit "samanlıkta iğne arama" sorunu olan bu problem, çözülemez değildir. Çözülebilir; ancak doğrudan değil: İğneyi bulmak mümkün değildir ama iğnenin samanlıkta bir yerde olduğunu doğrulamak mümkündür.

İstatistik, Çok Güçlü Bir Araçtır!

Higgs bozonunun spesifik olarak hangi çarpışmada üretildiğini bilmek mümkün değildir; ancak yeterince çarpışma analiz edildikten sonra, Higgs Bozonu'nun üretilip üretilmediği güvenle belirlenebilir. Bunu yapmak için 4 adımdan oluşan şu süreç izlenmektedir:

1. Bozunma ürünlerinin tümü saptanıp özellikleri ölçüldüğünde, bu ölçümlerden değişmez kütle (İng: "invariant mass") adı verilen bir miktar hesaplanabilir.
2. Bu değişmez kütle, yalnızca Higgs bozunmasından gelen parçacıklar için Higgs'in kütlesine eşittir (parçacık detektöründeki ölçüm isabetliliği %100'den düşük olduğu için, neredeyse eşittir demek daha doğrudur).
3. Başka kaynaklardan gelen parçacıklar için bu kütle her seferinde farklı olacaktır. Genel olarak, bir dizi olası kütle içinden rastgele bir sayı olacaktır.
4. Bu, benzersiz bir sonuç karışımı yaratır: Çoğu durumda kütle rastgele bir sayıdır, ancak bazı (çok nadir) durumlarda bu sayı rastgele değildir; bunun yerine sabit ve her zaman aynı değerde olan bir sayıdır.

Bunu daha iyi anlamak için şu analojiyi düşünün: Zarı birçok kez attığınızı düşünün; ancak göz ardı etmemeniz gereken bir detay olsun: Çoğu atış normal olsun, ancak arada sırada zar, kişi tarafından seçilen ve önceden tanımlanmış bir sayıyı (örneğin 3 sayısını) gösterecek şekilde manipüle edilsin. Bunu defalarca yaparsak ve gelen sonuçları düzenli olarak kaydedersek, sadece sonuçlara bakarak bile, birinin zara müdahale ettiği gerçeğini gözlemleyebiliriz. Nihayetinde, normalde bir zarı çok sayıda attığımızda, olası altı sonucun hepsinin kabaca aynı sıklıkta gelmesini beklerdik (çünkü her birinin gelme ihtimali aynıdır); ancak az önce tanımladığımız "hileli" durumda, bunlardan birinin (önceden ayarlanmış olan 3 sayısı) diğerlerinden daha sık gelmiş olacaktır. İşte bilim insanlarının Higgs Bozonu arayışında yaptığı da budur.

İhtiyaç duyulan son unsur, sonuçların istatistiksel analizidir. İster değişmeyen kütlelerden söz ediyor olalım, ister zar atışlarından söz ediyor olalım, aradığımız sinyali bir histogram ile görselleştirmemiz mümkündür:

Yukarıdaki histogramlarda, aradığımız sinyal belirli bir noktada "çıkıntı" veya "tepe" olarak görünmektedir. Zirvenin gerçek bir sinyal olduğunu söyleyebilmek için, iki koşulun yerine getirilmesi gerekir: zirvenin yeterince büyük olması ve toplam sonuç sayısının yeterince büyük olması. Örneğin zarı sadece 5-6 kez attığınızda, 3 sayısının kayırıldığını göremeyebilirsiniz; ancak yukarıdaki ikinci animasyonda da gösterildiği üzere, 300 kez atacak olursanız, 3 sayısının kayırıldığını net olarak gösterebilirsiniz. Aynı şey, ilk grafikteki tümsek için de geçerlidir.

Peki ne kadar deney yapılması gerekir? Hangi noktada "Evet, artık sonuçlarıma güvenebilirim." diyebiliriz? Bu sorunun cevabı, istatistik bilimiyle verilmektedir: Bir veri örneğinde görmeyi beklediğimiz bir "tümsek" için, o miktardaki fazlalığın tamamen şans eseri ortaya çıkma olasılığını hesaplamak mümkündür. Bunu hesaplayabilirsek, onun şans eseri olmama (dolayısıyla anlamlı bir sapma olma) ihtimalini de belirleyebiliriz.

Bilimde, bir deneyin sonucunun şans eseri olup olmadığını anlamak için keyfî (ama makul) bir şekilde belirlenmiş sınırlar kullanılır. Fizik için bu sınır, yaygın olarak "5 sigma" olarak belirlenmiştir. 5 sigma, yukarıda bahsettiğimiz o sonucu rastgele üretme ihtimali yaklaşık 3.5 milyonda 1 olduğunda erişilen seviyedir.

4 Temmuz 2012'de ilan edilen deney sonuçları, yukarıdaki animasyonlardan ilkinde gösterilen verilerin 5 sigma eşiğine ulaştığını göstermektedir. Yani o animasyonun ortasında gördüğünüz hafif zıplama, neredeyse kesin olarak, 50 yıldır aranan Higgs Bozonu'dur.

Higgs Alanı Nereden Geliyor?

Higgs Alanı, bir süreç tarafından oluşturulması gereken bir alan değildir. Diğer tüm alanlar gibi, Higgs Alanı da sadece oradadır, her zaman oradaydı ve her yerde olmak zorundadır.

Daha önce de söylediğimiz gibi Higgs Alanı'nın değeri ortalamada sıfırdan farklıdır (ama örneğin elektrik alanın ortalama değeri sıfırdır). Bu sıfır olmayan değer de alanın kendisi gibi sadece oradadır; bir süreç tarafından üretilmesi gerekmez. Higgs Alanı'nın sıfır olmaması, içinde yaşadığımız bu Evren için tercih edilen durumudur. Nedenini bilmiyoruz ama Higgs Alanı'nın değerinin sıfırdan farklı olması için ekstra bir çaba sarf etmemiz gerekmemektedir.

Higgs Alanı'nın sıfırdan farklı olan değerini, çok sayıda Higgs Bozonu'ndan oluşan bir deniz olarak düşünmek sizi yanıltabilir. Unutmayın: Bir Higgs Parçacığı, Higgs Alanı'nda meydana gelebilecek en düşük şiddetli dalgalanmaya verdiğimiz addır ve herhangi bir dalga gibi Higgs Alanı'ndaki dalgalar da uzaydaki konuma ve zamana göre değişebilir. Buna rağmen, Higgs Alanı'nın sıfırdan farklı değeri uzay-zaman genelinde sabittir; hiçbir yerde değişmez.

Bunu anlamak için daha iyi bir benzetme yapalım: Havanın yoğunluğu (özkütlesi) bir alandır; sabit bir ortalama değere sahiptir. Havadaki dalgalara "ses dalgaları" deriz ve havanın sabit olan ortalama yoğunluğunun, havada sürekli olarak uçup giden dalgalar olan bir ses dalgaları denizinden oluştuğunu düşünmenin hiçbir anlamı yoktur.

Zaten Higgs Parçacıkları da kendiliğinden oluşmaz. Bir Higgs Bozonu'nun oluşması için bol miktarda enerji gerekmektedir. Bunun için de Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda yaptığımız gibi, çok büyük enerjilere çıkarılan protonların birbiriyle çarpıştırılması gerekir. Bu, tıpkı ses çıkarmak için ellerimizi çırpmak, su dalgaları oluşturmak için bir gölün yüzeyine bir cismi çarptırmak ya da müzik üretmek için keman tellerini titreştirmek için bir yay kullanmak zorunda olmamız gibidir. Üstelik tıpkı bir dalganın bir süre sonra yok olması veya bir keman telinin er ya da geç titreşimini durdurması gibi, bir Higgs Parçacığı da er ya da geç bozunacaktır. Buna rağmen, üzerindeki titreşim dağıldıktan sonra havanın, gölün, keman telinin var olmaya devam etmesi gibi, Higgs Alanı da var olmaya devam eder.

Higgs Alanı'nın Kütleçekimle Bir İlgisi Var mı?

Standart Model'in en büyük eksiklerinden biri, doğadaki 4 temel kuvvetten 3 tanesini bir arada açıklamayı başarırken, dördüncüsü (ve en zayıfı) olan kütleçekim kuvvetini tamamen dışlıyor olmasıdır. Higgs Bozonu'nun parçacıklara kütlesini veriyor olduğu fikri (ki bunun isabetliliğini de az sonra ele alacağız), doğal olarak bu bozonun kütleçekimiyle bir ilgisi olabileceğini düşündürmektedir. Ne var ki Higgs Bozonu/Alanı ile kütleçekim kuvveti arasında bilinen herhangi bir ilişki bulunmamaktadır.

Sorunun önemli bir parçası, kütleçekim kuvvetini Newton Fiziği çerçevesinde düşünmekten gelmektedir: Bu teoriye göre kütleçekimi, kütleli cisimler arasındaki bir etkileşimdir. Ne var ki Albert Einstein tarafından ortaya konduğu üzere, kütleçekiminin kütleden ziyade enerji ve momentum ile ilgisi vardır. Dolayısıyla kütlenin kütleçekimi üzerindeki etkisi artık ikincil plandadır. Elbette, durgun kütleler için (yani hızı, ışık hızının çok altında olan kütleler için) Einsteincı kütleçekimi ile Newtoncu kütleçekimi birbiriyle orantılıdır ve bu sayede iki teori birbiriyle kısmen de olsa uyumludur: Newton'un teorisi, gündelik yaşamdaki düşük hız profillerinde kullanılmaya devam edilebilmektedir; ancak Evren'in sırlarını anlamak konusunda fazlasıyla yetersiz ve eksiktir. Yani Newton'un teorisi, arabalar, binalar ve uçaklar gibi pratik uygulamaları bir yana, teorik fizik konularında artık tamamen terk edilmiştir.

Birbirine göre yüksek hızlara sahip veya aşırı derecede güçlü bir kütleçekimine maruz kalan nesneler için (ki güçlü kütleçekimine maruz kalan nesnelerin başlangıç hızı sıfırsa bile, kısa sürede çok yüksek hızlara erişirler), Einstein'ın kütleçekimi yasası, momentum ve enerjinin karmaşık bir kombinasyonunu içerir. Bu formülasyonda kütle, açıkça görünen bir kavram değildir. Einstein'ın kütleçekimi teorisi çerçevesinde kütlesi olmayan fotonlardan oluşan ışık gibi şeylerin de kütleçekiminden etkilenebilmesinin nedeni veya tıpkı ışık gibi kütlesiz olan kütleçekimi dalgalarının birbirinin yörüngesinde dönen nesneler tarafından oluşturulabilmesinin nedeni budur.

Anlayacağınız, artık deneysel olarak da tekrar tekrar ispatlanmış olan Einstein'ın kütleçekimi görüşü, Newtoncu görüşten önemli ölçüde farklıdır. Artık biliyoruz ki kütleçekim konusunda birincil olan kütle değil, enerji ve momentumdur. Ve tüm nesneler, neyden yapıldıkları veya sizin bakış açınızdan nasıl hareket ettiklerinden bağımsız olarak, belli bir enerjiye sahiptir - bu nedenle Evren'deki her şey, diğer her şey üzerine bir kütleçekimi etkisi uygular. Dolayısıyla kütleçekim kuvveti, Higgs Bozonu veya Higgs Alanı'ndan bağımsız, evrensel (yani Genel Görelilik Teorisi ile tam olarak tanımlanabilen) bir kuvvettir.

Gerçekten de, fizikçilerin kullandığı denklemlerde kütleçekimi ile Higgs alanı arasında matematiksel bir bağlantı bulunmamaktadır. Kütleçekimi alanlarının spin değeri 2'dir, uzay-zamanın bir parçası olarak tanımlanırlar ve doğadaki tüm parçacıklar ve alanlarla etkileşime girerler. Öte yandan Higgs Alanı'nın spin değeri 0'dır ve Higgs Alanı, yalnızca elektromanyetik ve zayıf nükleer kuvvetlere katılan temel parçacıklar ve alanlarla doğrudan etkileşime girer.

Dolayısıyla konuya hâkim olmayan birinin Higgs Bozonu/Alanı ile kütleçekimi arasında bir ilgi olduğunu düşünmesi normaldir; fakat bunun fiziksel bir karşılığı bulunmamaktadır. İlk bakışta öyle değilmiş gibi gözükse de kütleçekimi ve Higgs Bozonu/Alanı arasındaki ilişki sadece yüzeyseldir.

"Maddeye Kütlesini Kazandıran Parçacık": Higgs Bozonu'nun Kütleyle İlgisi Nedir?

Yukarıda izah ettiğimiz üzere Higgs Bozonu, Higgs Alanı içinde yaşanan en minimal dalgalanmaya verdiğimiz isimdir. Diğer parçacıklar (ve hatta Higgs Bozonu’nun kendisi de), Higgs Alanı ile etkileştiğinde, "kütle" dediğimiz özelliği kazanmaktadırlar. Higgs Mekanizması'nın çözdüğü büyük gizem de zaten budur. Bir parçacık, bu alanla ne kadar güçlü etkileşirse, o kadar büyük kütleye sahip olmaktadır. İşte "maddeye kütlesini kazandıran parçacık" lafı da buradan gelmektedir.

Eureka Sparks

Ancak Higgs Bozonu'nun popüler medyada bu şekilde tanıtılmasıyla ilgili birden fazla sorun vardır.

Her şeyden önce, Higgs Bozonu'nun kendi kütlesinin tamamı, Higgs Alanı ile etkileşimden gelmemektedir. Bu durum, Evren'in temel özellikleriyle ilgili çok derin ve karmaşık bir problem olan Hiyerarşi Problemi'nden kaynaklanmaktadır ve burada bunun detaylarına girmek, konuyu gereğinden fazla teknik hâle getirecek ve uzatacaktır. Şu anda bilinmesi gereken temel gerçek şudur: Higgs Parçacığı'nın kendi kütlesinin tekil, basit ve iyi anlaşılmış bir kaynağı yoktur. Zaten kütlesinin neden bu kadar küçük olduğu da net değildir (Standart Model'in parçacıkların kütlelerinin neden o değerde olduğunu izah edemediğini unutmayınız).

İkincisi, "madde" denince kastedilen şeyin, genelde insanlar, eşyalar, gezegenler, yıldızlar, kara delikler gibi cisimler olmasıdır. Eğer "madde" derken kastedilen, bu şekilde atom altı parçacıkların bir araya gelmesiyle oluşan daha büyük yapılarsa (örneğin bir "proton"sa veya "siz"seniz), o zaman "maddeye kütlesini kazandıran parçacık" lafı da hatalı olmaktadır; çünkü örneğin protonların kütlesinin sadece %1'i Higgs mekanizmasından gelmektedir; geri kalan %99’unun Higgs Bozonu ile hiçbir alakası yoktur. Kütlenin ezici çoğunluğu, proton ve nötron gibi yapıları üreten kuarkların birbiriyle etkileşmesini sağlayan Güçlü Nükleer Kuvvet'ten kaynaklanmaktadır.

Higgs Bozonu'nun "maddeye kütlesini kazandıran parçacık" olarak tanımlanmasının doğru olduğu tek yer, Standart Model'de sözü edilen atom altı parçacıkların tekil kütleleridir. Bu parçacıklara kütlesini kazandıran Higgs Bozonu'dur (veya daha doğrusu Higgs Alanı'dır); ancak bunların oluşturduğu ve gündelik yaşantımızda görmeye aşina olduğumuz, Evren'i boydan boya dolduran atomlar, elementler, moleküller ve onların karmaşık şekillerde bir araya gelmesinden oluşan cisimlerin kütlesini veren Higgs Bozonu/Alanı değildir.

Higgs Bozonunun Keşfi Neden Önemlidir?

Tüm bunların en bariz önemi, Evren'deki en temel yapıtaşlarının kütlesinin nereden geldiğini artık cevaplayabiliyor olmamızdır. Ama daha da önemlisi, Higgs Bozonu/Alanı, Evren tarihinde ilk kez "kütle" dediğimiz özelliği ortaya çıkarmıştır.

Evren’in başlangıcında "Higgs Alanı" diye bir alan yoktu; dolayısıyla "kütle" diye de bir nitelik de yoktu. Hiçbir parçacığın kütlesi bulunmuyordu ve dolayısıyla o dönemde var olan bütün parçacıklar, ışık hızında etrafa savruluyordu. Ama ne zaman ki Higgs Alanı (günümüzde bilinmeyen bir neden ve mekanizmayla) oluştu, işte o zaman parçacıklar bu alanla etkileşmeye başladılar ve böylece ilk kez kütle kazandılar. Bu ilk kütlenin kazanımı, artık ışık hızında gidememek anlamına geliyordu (çünkü kütleli hiçbir şey ışık hızında gidemez). Böylece bildiğimiz anlamıyla madde oluşabildi. Dolayısıyla yıldızların, gezegenlerin ve yaşamın varlığını Higgs Bozonu'nun bu etkisine borçluyuz.

Buna ek olarak, Higgs Bozonu'nun Standart Model tarafından öngörülüp de onlarca yıl sonra bile olsa keşfedilebilmesi, bilimin, özellikle de parçacık fiziğinin müthiş öngörü gücünün açık bir ispatı oldu. Yani medeniyetimizin bilime olan güvenini katlayarak artırdı. Ayrıca bu bozonun keşfi, kendisinden önce gelen alternatiflerden bir kısmını eleyerek, Evren’in yapısını ve dokusunu daha iyi anlayabilmemizi sağladı. Böylece insanlığı gerçeğe bir adım daha yaklaştırmış oldu. 1974 yılında Review of Modern Physics dergisinde yayınlanan bir makalede, metaforik olarak şöyle anlatılıyor:^[10]

Hiç kimse bu argümanların [matematiksel] doğruluğundan şüphe duymuyordu; ama aynı zamanda hiç kimse, doğanın bu matematiksel altyapıdan faydalanacak düzeyde şeytani bir zekaya sahip olduğuna da inanmamıştı. 

Higgs Alanı'nın ilk olarak ortaya sürülmesi sayesinde geliştirilen Elektrozayıf Teori, doğadaki temel 4 kuvvetten 2 tanesini birbirine bağlamayı başardı: Elektromanyetizma ve Zayıf Nükleer Kuvvet. Ayrıca Higgs Alanı öngörüsü üzerine inşa edilen Standart Model, diğer birçok keşfin yanı sıra zayıf nötr akımları, üç farklı bozon türünü, üst ve cazibe kuarkları, bunlardan bir kısmının kütle değerlerini ve diğer özelliklerini büyük bir isabetle, doğru bir şekilde tahmin etmeyi başarmıştır. Örneğin Standart Model, elektronun anormal manyetik dipol momentinin ölçümünü yaklaşık 1 milyarda 1 parça doğrulukla öngörmüştür ($a=0.00115965218073$).Bu araştırmalarda görev alan bilim insanlarının çoğu, nihayetinde alana yaptıkları katkılar nedeniyle Nobel Ödülü'ne veya diğer önemli bilim ödüllerine layık görülmüştür.

Higgs ve diğerlerinin öngörüsü öylesine önemliydi ki, 1985'lerden sonra parçacık fiziğinin merkezi problemi, Standart Model'in Higgs sektörünü anlamak ve kanıtlamak hâline gelmişti.^[11]

Higgs Parçacığı, Gelecekte Bize Neler Verebilir?

Higgs Bozonu ile ilgili hikayenin sonuna gelebilmiş değiliz. Daha hâlen yapacak çok iş bulunuyor.

Örneğin yukarıda da anlattığımız gibi, Higgs Bozonu'nun temel parçacıklara kütle kazandırdığını biliyoruz; ama parçacıkların kütlelerinin neden şu anki değerlerinde olduğunu ve bir başka değerde olmadığını bilmiyoruz. Yani kütlenin nereden geldiğini bilmek, neden o değerde geldiğini bilmemiz anlamına gelmiyor. Bu konuda araştırmalar devam ediyor.

Dahası önümüzdeki yıllarda Higgs Bozonu, Evren'in %27'sini, Evren’deki kütleninse %85'ini oluşturan karanlık maddenin sırlarını aydınlatma konusunda da karşımıza çıkacağı kesindir. Çünkü karanlık madde, Evren'deki kütlenin sadece %15'ini oluşturan "bildiğimiz madde" ile sadece kütleçekim yoluyla etkileşmektedir - ve Higgs Bozonu'nun kütleçekimi ile doğrudan ilgisi olmasa bile, özellikle de atom altı parçacıklara kütlesini kazandıran mekanizma olmasından ötürü, karanlık maddeyi anlamak konusunda anahtarımız da Higgs Bozonu olabilir. 

Son olarak, Standart Model'in kütleçekimi hâlâ açıklayamadığı gerçeğini de düşünecek olursak, bu düğümü çözecek olan şey de Higgs Bozonu olabilir. Eğer bu sırrı çözebilirsek, Her Şeyin Teorisi veya Büyük Birleşik Teori gibi isimlerle adlandırılan, Evren'in tamamını (her türlü maddeyi, enerjiyi ve etkileşimi) kâğıt üzerinde birkaç santimetre uzunluğunda bir denklemle açıklamamız mümkün olabilir.