Herşeyin Anahtarı

911 mi? Acil durum. Evrenin en önemli parçacığı kayıp. Florian Goertz, bunun bir polis vakası olmadığını biliyor ama yine de sabırsızca bir cevap bekliyor. Bu 911 bir telefon numarası değil, dünyanın kuzeyinde en büyük parçacık hızlandırıcısındaki bir bina.

Fransa-İsviçre sınırı altında 27 km boyunca uzanan ve Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nı içinde barındıran CERN, Temmuz 2012 de Higgs Bozonunun varlığını onaylamıştı. Bu çok büyük bir olaydı. Ama Goertz’in aradığı parçacıktan beklenenler ile kıyaslanamaz bile. Higgs parçacığı, diğer temel parçacıkların kütlelerini nasıl elde ettiklerini buldu. Goertz’in aradığı parçacık ise, fizikte cevaplanmayı bekleyen 5 problemi aynı anda çözebilecek. Bu problemler arasında atom altı parçacıkların açıklanamayan işleyişleri, evrenin başlangıcının gizemi, gizemli karanlık maddenin kimliği de yer almaktadır. Oxford Üniversitesi’nde parçacık kuramcısı Giulia Zanderighi: “Bu problemlerin her hangi birinin çözümlenmesi, fizik alanında Nobel ödülüne layık olabilecek bir buluş olacaktır.”

Gerçek olamayacak kadar güzel değil mi? Goertz bunu araştıran tek kişi değil. Almanya Heidelberg’deki Max Planck Enstitüsün’deki ofisinde tüm dünyadan araştırmacılarla iş birliği içinde çalışarak, parçacığın özelliklerini tanımlamaya ve neler yapabileceğini tahmin etmeye çalışıyorlar. Eğer haklı çıkarlarsa, öngörülerinin test edileceği yer olan 911’den gelen bir arama, şu ana dek evrende bulunan en önemli parçacığı onaylamış olacak. Bunun neden bu kadar önemli olduğunu anlamak için, öncelikle bir parçacığın ne olduğunu tanımlamakta fayda var. Genellikle parçacıkların mikroskobik boyutta bilyeler olduğunu, boşlukta birbirlerini itip durduklarını ya da katı bir şeyin içinde birbirlerine sıkıca bağlı olduklarını düşünürüz. Ama parçacıkların davranışlarını anlamak istiyorsak, bu bakış açısından vazgeçmemiz gerekir. Bunun yerine evrenin, dalgalanmakta olan alanlarla dolu olduğunu düşünmek daha iyi olacaktır. Bu alanların kuantum seviyede bozunumu, bize kendilerini parçacıklar ya da kuvvetler olarak göstermektedir.

Teorisyenler, temel problemlerden birisine çözüm bulabilmek için sürekli bu alanların var ve yok olduğunu hayal ederler. Ama her biri bir parçacık yarattığı için, sadece bir parçacık detektörü ile sağlam deneysel kanıt elde edilebilir.

Higgs alanı ve Higgs bozonu ile ilgili durum buydu. Higgs bozonu 1964 te, zayıf nükleer kuvvetin kısa menzilini açıklamak üzere öngörülmüştü. Higgs’in bulunması neredeyse 50 yıl sürdü. Bu esnada daha teorik sızıntılar ortaya çıktı.

Örneğin Süpersimetri teorisinde, bilinen her parçacık daha büyük bir ortağa sahipti. Parçacık fiziğinde tek seferde 3 problemi çözmesi beklenen ikili. Bu süpersimetrik parçacıkların işaretlerinin, 2009 yılında ilk başlatıldığında ve daha sonra 2015 yılındaki yenilenmeler sonrasında Büyük Hadron Çarpıştırıcısın’da da ortaya çıkması bekleniyordu. Ama henüz hiç biri saptanmadı.

Diğer teorisyenler daha da eli sıkı davrandılar. 2016 yılında Fransa’daki Paris-Saclay Üniversitesi’nden Guillermo Ballesteros, 6 extra parçacık ilave ederek 5 gizemi çözebileceğini iddia etti. Bu hipoteze SMASH  denmektedir.

Goertz ve çalışma arkadaşları için bu bile çok müsrifçedir. Goertz ve arkadaşları: “Bir sürü yeni parçacık hayal etmek yerine, ya zaten teorisi yapılan parçacıkların bir kısmı tek bir çatı altında toplanabilirse?” diyorlar. Bu kesinlikle teorisyenlerin utancını azaltırdı: Bir sürü parçacık bulamadıklarını kabul etmek yerine, sadece bir tanesinin peşine düşebilirler.

Sonuç, tüm karmaşık problemleri çözebilecek, çok yönlü bir parçacık. İlk tarih olarak, 1977de Stanford Üniversitesi’nden Roberto Peccei ve Helen Quinn, kuantum kromodinamiğindeki en zorlu problemlerden biri olan ve protonlar ve nötronlar arasındaki etkileşimi tanımlayan teoriyle karşılaştılar.

CP denilen problem, proton ve nötronların içinde ortaya çıkan güçlü kuvvetin, bazı durumlarda CP simetrisi denilen bir tür simetriyi bozmasıyla ortaya çıkmaktadır. Bu tür bir bozunum görmemiş olmamızın bir açıklaması olmalı. Peccei ve Quinn’in bunu bulma planları, görünmeyen simetri bozunumunu etkisiz hale getiren yeni bir alan tanıtmak ile eş değerdir. Bu alanın varlığını onaylama teşebbüsüyle, Nobel ödüllü Frank Wilczek, yeni alanın yeni bir parçacık için potansiyel yarattığını söyledi. Wilczek buna “axion” dedi.

Parçacık fiziğindeki ikinci bir problem de aynı zamanlarda ortaya çıktı. İngiltere Glasgow Üniversitesi’nden Colin Froggatt ve Danimarka Kopenhag Üniversitesi’nden Holger Nielsen, kuarklar, proton ve nötronları ve dolayısıyla da tüm maddeyi oluşturmak üzere bir araya gelen atom altı parçacıklar hakkında konuşuyorlardı. 6 tane kuark vardır ama kütlesel olarak birbirlerinden çok farklıdırlar. Üst kuark(top quark), yukarı yönde (up quark)ın kütlesinin yaklaşık 80bin katıdır. “Aradaki farkı anlayamazsınız. Bunların kütlelerinin aynı olmasını beklersiniz. Ama doğadaki şeyler birbirlerinden farklıysa, bu aradaki farkın nedenini de anlamak istersiniz.”

Froggart ve Nielsen problemi çözmek için “flavon alanı” dedikleri bir şey öngördüler. Bu alan farklı kuarklar tarafından farklı şekillerde bölünen bir simetriyi anlatmaktadır. Bu durum, kuarkların son deerce farklı kütlelere sahip olmalarına neden olur.

Peki, görünüşte farklı olan kuarklar nasıl olur da tek bir kuark da birleşir? Son birkaç yıl içinde, iki grup fizikçi bağımsız olarak kozmik bir tesadüfün perdesini araladılar: Flavon alanı tarafından üretilen parçacığın, axion benzeri bir bileşeni bulunmaktadır. Goertz: “Öyle görünüyor ki axion, flavon alanın bir parçasıysa, güçlü CP problemini yine de çözmektedir.” Bu arada flavon aynı zamanda problematik kuark kütlelerini de çözüme kavuşturuyor.

Axiflavon ya da flaxion denilen, axion ve flavon birlikteliğinin başka faydaları daha var. Evrenin devasa sıkalaları yüzünden şaşkınlığa düşen fizikçiler, evrenin büyük patlama sonrası son derece hızlı bir şekilde genişlediğini varsayıyorlar. Uzay ve zamanın bu şekilde genişlemesine inflaton denilen bir parçacık sebep olmuş olabilir. Üstelik karanlık maddeyle ilgili standart araştırmaların başarısızlığı, alternatif bir karanlık madde adayı olarak axion üzerine olan ilginin artmasına neden oldu.

Eğer bu yeterli değilse, axiflavonun ilave bir süper gücü olabilir. Goertz: “Çok daha büyük bir birleşme üzerinde çalışıyoruz: Axiflavon ve Higgs birleşimi.”

Bu son derece kayda değer teorik bir atılım ama başka bir temel probleme de çözüm getirebilir.2012 yılında Büyük Hadron Çarpıştırıcısı tarafından Higgs bozonu keşfedildiğinde, pek çok fizikçinin beklediğinden çok daha hafifti. Teori 10¹⁹ gigaelektronvolt olması gerektiğini söylerken, ağırlığı sadece 125 GeV idi. Hiç kimse aradaki bu farkın nedenini açıklayamıyor. Ama uygun şekilde konfigüre edilen  axiflavon, Higgs bozonunun kütlesini sınırlar içinde tutabilir.

Axiflavon, fizikteki en büyük problemlerden 5 tanesine tek seferde çözüm olabilir: güçlü kuvvet etkileşimindeki CP simetrisinin beklenmedik korunumu, kuarkların birbirinden çok farklı olan kütleleri, evrenin ani genişlemesi, karanlık maddenin kaynağı ve Higgs bozonunun şaşırtıcı hafifliği.

Çeviren : Sıdıka ÖZEMRE
18 August 2018 | NewScientist | 29