Higgs bozonunun varlığı onlarca yıldır teorik olarak öngörülmesine rağmen, 2012 yılında CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC/Large Hadron Collider) gözlemlendi.
‘Tanrı parçacığı’ olarak da adlandırılan Higgs bozonu, o tarihten bu yana LHC’de yoğun bir şekilde inceleniyor. LHC’deki iki genel amaçlı dedektörden ATLAS’ın son iki çalışma döneminden elde edilen verileri birleştiren yeni bir çalışma, Higgs bozonunun muon-antimuon çiftine bozunabileceğine dair kanıtlar ortaya koydu.
CERN yani Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (Fransızcası ‘Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) ise, dünyanın en büyük parçacık fiziği laboratuvarını yöneten araştırma kuruluşu. Türkiye, CERN’e ortak üyeyken, toplam 23 tam üyesi bulunuyor.
Physical Review Letters dergisinde yayınlanan yeni bir makale, arka plan gürültüsüne kıyasla 3,4 standart sapma düzeyinde sinyal fazlalığı bildiriyor. 3,4’lük değer, Compact Muon Solenoid (CMS) deneyinden elde edilen önceki 3,0 standart sapmalık veriden daha yüksek.
Makale, Standart Model’in temel bir öngörüsünü ilk kez deneysel olarak doğrulaması bakımından önemli. Higgs bozonunun, elektronun daha ağır “kuzeni” muon gibi ikinci nesil, daha hafif temel parçacıklarla da etkileşime girdiğini kanıtlayarak, parçacıklara kütle kazandıran Higgs mekanizmasının evrenselliğini güçlü bir şekilde destekliyor.
Veriler, Standart Model’i destekliyor
Higgs bozonu, evrendeki temel parçacıklara kütle kazandıran Higgs alanının kuantum parçacığına verilen isim. Standart Model’in eksik kalan son parçası olarak görülüyor. Higgs alanı, tüm uzayı dolduran görünmez bir enerji alanı gibi düşünülebilir; parçacıklar bu alanla etkileşime girdikçe kütle kazanır. Higgs bozonunun bulunması, evrenin neden bugünkü yapısına sahip olduğunu anlamamızda kritik önem taşıyor.
Standart Model, temel parçacık fiziğinin ve etkileşimlerini yöneten kuvvetlerin şu ana kadarki en kapsamlı ve en başarılı teorik çerçevesi olarak kabul görüyor. Evrendeki tüm maddenin (fermiyonlar) ve kuvvet taşıyıcılarının (bozonlar) yapı taşlarını tanımlıyor. Model, üç temel kuvveti (elektromanyetizma, güçlü nükleer kuvvet ve zayıf nükleer kuvvet) ve bu kuvvetlerin parçacıklar üzerindeki etkilerini kuantum mekaniği ile açıklıyor.
Modelin en büyük başarılarından biri, varlığı 2012 yılında deneysel olarak kanıtlanan Higgs bozonunu öngörmüş olması. Higgs alanı ve Higgs bozonu, temel parçacıkların neden kütleye sahip olduğunu açıklamakta. Ancak kütleçekimini kapsamaması ve karanlık madde gibi gözlemlenen bazı fenomenleri açıklayamaması gibi eksiklikleri nedeniyle, evrenin nihai teorisi olarak görülmüyor, daha kapsamlı bir teoriye giden yolda sağlam bir basamak olarak görülüyor.
Higgs bozonu nedir?
Fizikçilerin bu Higgs bozonu bozunumunu araştırmak istemelerinin geçerli bir nedeni var; bir parçacığın kütlesi Higgs alanı ile etkileşimleri yoluyla ortaya çıkar. Standart Model’e göre, Higgs bozonu Higgs alanının bir tezahürü ve bir parçacıkla etkileşime girdiğinde, o parçacığa kütlesini veriyor.
Gerçeklik daha karmaşık olsa da fizikçiler bu etkileşimleri gözlemlediklerinde, Higgs mekanizmasının bir parçacığın kütlesinden sorumlu olduğu ve Standart Model’in geçerli olduğu teorisini destekliyor.
Etkileşimlerin gücü, etkileşime giren parçacığın kütlesiyle orantılı, böylece güçlü etkileşimlere sahip parçacıklar daha yüksek kütlelere sahip. Öte yandan, kütlesiz parçacıklar Higgs alanı ile hiçbir şekilde etkileşime girmez.
Önceki deneylerde fizikçiler, “üçüncü nesil fermiyonlar” olarak adlandırılan üst kuark, alt kuark ve tau leptonu (tau parçacığı) gibi daha ağır atom altı parçacıklar arasındaki etkileşimleri “Yukawa kuplajı” adı verilen etkileşimler aracılığıyla gözlemledi.
Makale yazarları, “Higgs bozonunun üçüncü nesil yüklü fermiyonlarla Yukawa etkileşimleri kesin olarak kanıtlanmıştır ancak ikinci nesil fermiyonlarla Yukawa kuplajı henüz kesin olarak belirlenememiştir.” şeklinde açıklama yaptı.
Higgs bozonunun ikinci nesil fermiyonlarla kuplajı
Muonlar, ikinci nesil fermiyon türü ve üçüncü nesil fermiyonlardan daha hafif fakat elektronlar gibi birinci nesil fermiyonlardan daha ağır. Bir Higgs bozonunun muon-antimuon çiftine bozunması, Higgs mekanizmasının ikinci nesil fermiyonlar için önemli bir testi niteliğinde. ATLAS’taki proton-proton çarpışmaları, bu fenomeni tespit etmek için fırsat sunuyor.
Bozunma bir Higgs bozonu için son derece nadir gerçekleşse de, ATLAS’tan gelen son veriler bu bozunumun varlığına dair daha güçlü kanıtlar sağlıyor ve ekip, sonuçlarının Standart Model beklentileriyle uyumlu olduğunu belirtiyor.
ATLAS ve CMS’te yapılacak yeni çalışmalar, bulgulara güveni daha da artırabilir ve hatta daha hafif parçacıklar için Higgs kuplajlarının araştırılmasının önünü açabilir.
Kaynak: Physical Review Letters