Madde diye bir şey var mı?

Günlük yaşam esnasında çevremize baktığımızda büyük bir kısmının maddeden ibaret olduğu görülür. Fakat yapılan deneyler sonucunda bilim dünyası çok daha farklı gerçeklerin farkına varmıştır. Bu nedenle bilim insanları bu konu üzerindeki araştırmaları daha da genişletmeye ve geliştirmeye çalışmaktadır. Bilindiği gibi doğadaki mevcut kuvvetler (zayıf, şiddetli, elektromanyetik ve yerçekim kuvvetleri) ve parçacıklar (elektron, proton, nötron vb) Standart Model (Gözlemlenen maddeyi oluşturan, şimdiye dek bulunmuş temel parçacıkların ve bunların etkileşmesinde önemli olan 3 temel kuvveti (yerçekim kuvveti hariç) açıklayan kuramdır.) denilen temel bir kuram tarafından açıklanmaktadır. Bu modelin öngördüğü en önemli şey ise parçacıkların kütleleri olmamasıdır. Bu noktada evreni dolduran karanlık maddenin ne olduğu hakkındaki bilgilerin bu konuda yardımcı unsur olabileceği düşünülmektedir. Daha da derinleşildiğinde ise uzay-zamanın doğasını açıklayabilecek yeni bilgilere ulaşılabilir.

Kavramsal olarak mevcut olan ama halen deneysel olarak gözlemlenememiş en önemli parçacık Higgs parçacığıdır. Standart Model’de öngörülen parçacıkların kütleleri olmaması gerekliliği 1960’lı yıllarda Peter Higgs tarafından, bir bozon olan kuramsal bir parçacık, Higgs parçacığı önerilerek çözülmeye çalışılmıştır. Higgs’in öngörüsüne göre tüm evreni dolduran bir alan, içinden geçen parçacıkları yavaşlatarak kendilerini çeken veya iten kuvvete karşı bir direnç kazanmalarına neden olmaktadır. Bu dirençte kendisini kütle olarak göstermektedir. Kurama göre Higgs alanıyla kuvvetli etkileşen parçacıklar daha büyük, zayıf etkileşenler ise daha küçük kütleler kazanmaktadır. Başka bir deyişle, evreni şekillendiren parçacık Higgs parçacığıdır.

 Eğer Higgs mekanizması olmasaydı elektron ve kuark gibi temel parçacıkların kütleleri açıklanamayacaktı. Einstein’ın m=E/c2 formülünden yola çıkılarak kütlenin önemli bir kısmının, proton ve elektronların temel yapıtaşları olan kuarkları çok küçük bir hacimde tutarken depolanan enerjiden kaynaklanması nedeniyle olduğu söylenebilir. Eğer tersi bir durum olsaydı, elektronun kütlesi sıfır olacak ve angstrom (10-10 m ) seviyelerindeki atom çekirdeğinin çapı sonsuz olacaktı. Elektronlara kütle sağlayacak başka etkiler olsa bile atomların çapı çok büyük boyutlarda olacaktı. Başka bir deyişle bilinen bu dünyanın varlığından söz edilemeyecekti.

Higgs bozonlarından oluşan en önemli madde süperiletken maddelerdir. Foton (ışığın tanecik yapısı) süperiletken madde içinde kütle özelliği kazanmakta ve böylece manyetik alanların malzeme içine girişini engellemektedir. Bu nedenle süperiletken malzemeler Higgs bozonunun tespiti için önemli bir araçtır. Diğer bir tespit ise hızlandırıcılar tarafından üretilen yüksek enerjili parçacıklar ile olabilmektedir. Bu amaçla Avrupa Parçacık Fiziği Laboratuarı’nda süregelen çalışmalar (CERN) hem Higgs parçacığı hem de olası süpersimetri parçacıklarının tespiti için oldukça büyük bir önem taşımaktadır.

İster fermiyon (elektron, proton gibi parçacıklar) ister bozon (foton gibi alan parçacıkları) olsun her parçacık süpersimetrik bir eş parçacığa sahiptir. Eş parçacıklar gerçek parçacıklardan daha ağırdır ve bizim ulaşamadığımız enerji düzeylerine sahiptirler. Büyük patlamanın ilk zamanlarında enerji düzeylerindeki simetri, evren genişleyip soğudukça bozulmuş ve şu andaki gözlemlediğimiz parçacıklar oluşmuştur. Bazı fizikçiler ise deneyler sonucunda elde edilmesi düşünülen ve süpersimetrinin öngördüğü en hafif parçacığın, karanlık madde için başlıca aday olacağını düşünmektedirler.

Higgs parçacığının 10 trilyon çarpışmadan birinde çıkılacağı hesaplanmaktadır.  Başka bir deyişle, her saniyede 800 milyon çarpışma gerçekleşse bile bir günde sadece tek bir Higgs parçacığı çıkabilir. CERN’deki dev araştırma laboratuvarı içindeki detektörlerin her birinden bir yıl boyunca alınacak verilerin DVD’lere doldurulup üst üste konulduğunda, 25 metrelik bir yükseklik elde edileceği bildirilmektedir.  Bu durumda bu bilgilerin incelenmesinin ne kadar uzun bir zaman alacağı ve Higgs parçacığı çıksa bile bu parçacığın tespit edilmesinin ne kadar zor olacağı akla gelen düşündürücü unsurlardandır.

Ünlü fizikçi Stephen Hawking, tesisi ziyareti esnasında Higgs parçacığının bulunacağı konusunda kuşkuları olduğunu belirtmiş, asıl ilgi çekici olan şeyin ise deneyler esnasında ortaya çıkabileceği düşünülen mini karadelikler olduğunu belirtmiştir.  Bilindiği gibi karadelikler çok kuvvetli bir çekim alanına sahiptirler ve ışık dâhil her şeyi yutmaktadırlar. Bu nedenle oluşan bu karadeliklerin dünyayı yutabileceğine dair bazı söylentiler doğmuştur.  Fakat CERN yetkilileri bir karadelik oluşsa bile bunun bir saniyeden çok daha kısa bir süre içinde yok olacağını belirtmişlerdir.

  

Deneyde çıkabilecek diğer bir sorun ise proton demetlerinin yolunu şaşırıp cihazı tahrip etmesiyle ilgilidir. Çünkü LHC hızlandırıcılarında dolaşan parçacık demetlerinin her biri 90 kg’lık bir TNT’nin patlama enerjisine denk bir enerjiye sahiptir. Bu enerjide yarım tonluk bir bakırı eritmeye yetecek bir enerjidir ve cihaz içinde 30-40 metre çaplı delikler açabilmektedir. Bu nedenle bu durumun oluşmaması için fizikçiler teknolojini en uç noktalarını kullanmaktadırlar.

Tüm bu çalışmalar sürerken Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki Aşamalı Elektron Lazer Hızlandırması adlı deney ile küçük bir parçacık hızlandırıcısı yapılmıştır. Bu hızlandırıcı ile elektronlar 54 MeV düzeyinde bir enerji seviyesine çıkartılabilmektedir. Araştırmalara göre bu teknik ile pahalı hızlandırıcılar yerine, çok daha yüksek enerjilerde parçacık üreten küçük hızlandırıcılar dizayn edilebilir.   Böylesine küçük ve ucuz hızlandırıcılar, hastanelerde radyoterapide, radyoizotop üretilmesinde ve besinlerin sterilize edilmesinde pratik bir şekilde kullanılabilmektedir.

Bilim adamlarının uzun süren çabaları sonucu elde edilmesi planlanan parçacıklar aslında evrenin kendi yapısında kendiliğinden üretilmektedir. Örneğin süpernova patlamaları bir kozmik parçacık hızlandırıcısıdır. Son olarak, süperiletkenlerle çok düşük maliyetlerle Higgs bozonunun tespitinin yapılmasına karşın, neden  milyar dolarlık hızlandırıcılar yapılmasına gerek var diye bir soru akla gelebilir!

Doç. Dr. Özden Aslan Çataltepe

 

 

Kaynaklar
The Future of Physics, Scientific American,  Şubat 2008, Syf 30-37
The Coming Revolutions in Particle Physics, Scientific American,  Şubat 2008, Syf 38-4
Parçacık Fiziğinde Beklenen Devrimler,  Bilim ve Teknik, Nisan 2008, Syf 40-45
Yeni Fiziğe Doğru, Bilim ve Teknik, Nisan 2007, Syf 22-31
Gizemli Parçacıklar, Bilim ve Teknik, Ocak 2003, syf 24
Karanlık Hızlandırıcılar, Bilim ve Teknik, Nisan 2005, Syf 15
Yeni Parçacıklar Yeni Hızlandırıcıyı bekliyor, Bilim ve Teknik, Mart 2003, Syf 6
Masaüstü Hızlandırıcı mı?, Bilim ve Teknik, Mart 2004, Syf 2004
http://www.kavramsitesi.org/admin/uploads/%7B1A92C3CE-5FE5-4BFF-8AB4-F12B17FFEA4D%7D.doc