Süpersimetri Prensibi Nedir? Standart Model'in Cevaplayamadığı Soruları, Süpersimetri Prensibi Cevaplayabilir mi?

1970'li yılların başından beri fizikçiler, gördüğümüz ve göremediğimiz neredeyse her şeyi "Standart Model" ile açıklamaktadır. Örneğin enerji, uzay-zaman ve maddeler... Standart model; parçacıkların etkileşim ve davranışlarını bir bütün olarak ele alma ve açıklamaya yönelik, bilim dünyası tarafından kabul görmüş bir modeldir. Ancak her bilimsel çalışma gibi, Standart Model de gelişime açıktır. Dahası Standart Model'in tamamlanmış bir model olmadığını bilmekteyiz; yani bu modelin gelişime özellikle ihtiyacı vardır. Standart Model'i geliştirme ve cevaplanmamış soruları cevaplayabilme amacıyla üzerine çalışılan konulardan bir tanesi süpersimetri prensibidir. Ancak daha başlamadan şunu belirtmekte fayda var: Süpersimetri bir teori değildir! Sadece bir teorinin geliştirilebilmesi amacıyla üzerine çalışılan bir prensiptir.

Süpersimetri prensibinin çalışmaları hala CERN ve Fermilab gibi kurumlardan bulunan parçacık hızlandırıcılarında devam ediyor. Eğer yapılan teorik çalışmalar doğru ise, parçacık hızlandırıcılarda yapılan çalışmalar sonucunda süpersimetrik parçacıkları görmemiz mümkün olabilir!

Peki süpersimetri prensibi fizik dünyası için neden bu kadar önemli? Çünkü süpersimetri prensibi sayesinde henüz anlamlandırmakta zorlandığımız kavramları açıklığa kavuşturabilir, gizemli karanlık maddeyi tanımaya hiç olmadığımız kadar yaklaşabilir ve Higgs Bozonu'nu daha iyi tanıyabiliriz.

Instituto de Física Corpuscular / Türkçe: Ali Mert Turaçlar

Parçacık Sayısı İkiye Katlanıyor!

Süpersimetri prensibine göre her bir standart model parçacığı için bir "süperpartner" yani "süpersimetrik parçacık" olması gerekiyor. Böylelikle standart modelde bulunan parçacık sayısı kadar yeni parçacıklarımız olacak.

Süpersimetrik Parçacıklar Nerede? Keşfedildi mi?

CERN Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) ve Fermilab gibi araştırma laboratuvarlarında yıllardır süregelen çalışmalar olmasına rağmen, henüz süpersimetri prensibi ile ilgili kesin bir sonuç alınamadı; süpersimetrik parçacıklara (süperpartner) dair bir ize rastlayamadık.

Bunun sebebi ne olabilir? Bu sorunun iki temel cevabının olabileceği üstünde duruluyor:

1. Mevcut parçacık hızlandırıcı teknolojisi ile yeteri kadar enerji elde edilemiyor olabilir. Bundan dolayı, elde edilen enerjiden çok daha fazla enerjiye ihtiyaç duyan süpersimetrik parçacıklara rastlayamıyor olabiliriz.
2. Mevcut parçacık hızlandırıcılarda süpersimetrik parçacıklar üretiliyor olabilir; ancak parçacıklar, -sebebi bilinmeyen bir şekilde- dedektörlerden kaçmayı başarıyor olabilir. Bu noktada nötrinoları örnek olarak gösterebiliriz: Nötrinolar, elektrik yükü sıfır ve çok hafif parçacıklardır. Maddelerin içinden, onlarla neredeyse hiç etkileşime girmeden geçebilen nötrinoları tespit edebilmek oldukça zordur. Sırf bu sebeple CERN ATLAS detektörünün nötrinoları tespit edebilmek için özel olarak geliştirilmiş bir bölgesi bulunur. Eğer süpersimetrik parçacıklar da nötrinolar ile bu yönden benzerlik gösteriyor ise, onları gözlemleyebilmek için detektörlerde daha fazla değişikliğe gidilmesi gerekebilir.

Süpersimetrik parçacıkları henüz keşfedememiş veya tespit edememiş olmamızın sebeplerinden birisi de teorik çalışmalardaki hatalar olabilir. LHC'de yapılan çoğu çalışmalarda süpersimetrik parçacıkların (neredeyse) anında bozunacağı düşünülüyor. Ancak -bu durumun aksine- süpersimetri prensibini konu alan teorik çalışmaların bir kısmı, süpersimetrik parçacıkların bozunmasının vakit alacağını öngörüyor. Bu durumda, süpersimetrik parçacıklar bozunmadan yüzlerce, hatta binlerce kilometre kat edebilir. CERN LHC'de alınan bu yolun kalıntısını tespit etmek amacıyla mevcut detektörlerde çalışma yapılıyor. Fakat bu tespitin yapılabilmesi için mevcut detektör teknolojisinde geliştirmelerin yapılması ve standart tekniklerin dışına çıkılması gerekiyor.

Süpersimetri Prensibi Hangi Sorulara Cevap Verebilir?

Fizikte standart modele göre parçacıklara (dolayısıyla maddeye) kütle kazandıran Higgs bozonu olukça hafif olmalıdır. Peki ama neden hafif olmalı? İşte bu soruyu standart model ile açıklamak fazlasıyla zor; belki de imkansız. Ancak süpersimetrik parçacıkların keşfi, Higgs bozonunun bu özelliğini açıklamamıza yardımcı olabilecek gibi görünüyor.

Higgs bozonunun kütlesini açıklamasının yanı sıra süpersimetri prensibi; karanlık maddeye aday olan parçacığı da bünyesinde barındırıyor olabilir! Süpersimetri prensibini konu alan çalışmaların bir çoğunda, en hafif süpersimetrik parçacık; elektriksel yük bakımından nötr ve standart model parçacıklarıyla çok çok az etkileşime giriyor. Peki bu özellikleriyle süpersimetrik parçacığımız kime benziyor? Karanlık maddeye! Bir maddenin/parçacığın karanlık madde olabilmesi için gereken karakteristik özellikleri taşıyan süpersimetrik parçacık, karanlık madde olmaya aday! Yani teorik çalışmalar doğru ise ve bu teoriler deneysel çalışmalar ile kanıtlanırsa, süpersimetri prensibi sayesinde karanlık maddeyi bir parçacık ile tanımlayabiliriz!

Süpersimetri prensibi her ne kadar çok önemli sorulara cevap verebilecek olsa da yeni sorulara da sebep oluyor. Nedir bu sorular?

• Süpersimetrik parçacıklar neden standart model parçacıklarından daha ağır? Bu soru, süpersimetri prensibine yöneltilen sorulardan cevaplaması en zoru.
• Süpersimetri prensibi, kozmolojiyi nasıl etkiliyor? En hafif süpersimetri parçacığının karanlık madde olduğunu nasıl kanıtlayabiliriz?
• Ve şimdilik en önemli soru: Süpersimetrik parçacıkları deneysel olarak nasıl tespit edebilir, kanıtlayabiliriz? Süpersimetri prensibi deneysel kanıta muhtaç!

Süpersimetri prensibinin geçerlilik kazanabilmesi için bu sorulara cevap bulmamız şart.

Sonuç

Süpersimetri prensibi sürekli üzerine çalışılan bir konu ve uzun bir süre de öyle kalacaktır. Özellikle daha önceden gerçekleştirilmesi mümkün olmayan çalışmalar, CERN LHC'ye getirilen yapısal güncellemeler ile mümkün olabilecek. Bu güncellemeler sayesinde süpersimetri prensibine daha fazla yoğunlaşılabilir.

Unutmamak gerekir ki teorik çalışmalarından sonra nötrinoların deneysel keşfi 25 sene, Higgs bozonu 50 sene ve yer çekimi dalgaları 100 sene sonra gerçekleşti. Bu yüzden süpersimetri prensibi ile ilgili (kanıtlayan veya yanlışlayan) bir gerçeğe ulaşmamız on yıllar sürebilir.