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 $E=m{c}^2$ eşitliğine göre büyük kütlede ($m$) bir parçacığı yaratabilecek kadar enerji ($E$) 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 (ν_e, ν_μ, ν_τ) 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).

Forbes

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.

Pexels

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:

1. W₁ ve W₂ parçacıkları Higgs'in yüklü ve kırık simetri hallerini tüketerek W⁺ ve W^- parçacıkları hâline gelir.
2. 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.
3. Higgs'in kalan son nötr ve kırık simetrisinden kaynaklanan hal ise kütle kazanarak Higgs bozonu hâline gelir.
4. 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:

1. Higgs alanının beklenti değeri.
2. 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 ($E$) bu kararsız parçacıkları oluşturmak için gereken kütle ($m$) karşılığının altına düştüğü zaman $E=m{c}^2$ 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!