Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Hızlanırken Fizikçilerin Umutları Yükseliyor

Nisan ayında, Cenevre dışındaki Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi’ndeki veya CERN’deki bilim adamları bir kez daha kozmik silahları Büyük Hadron Çarpıştırıcısını ateşlediler. Onarımlar ve yükseltmeler için üç yıllık bir kapatmanın ardından çarpıştırıcı, 17 millik elektromanyetik yeraltı yarış pistinin etrafında protonları – hidrojen atomlarının çıplak bağırsaklarını – çekmeye devam etti. Temmuz ayının başlarında, çarpıştırıcı, ilkel enerji kıvılcımları yaratmak için bu parçacıkları birbirine çarpmaya başlayacak.

Ve böylece, yeni gelişmeler ve parçacık fizikçilerinin tazelenen umutları arasında, evrenin sırrını arama büyük oyunu yeniden başlamak üzere. Çarpıştırıcı, yenilenmeden önce bile, doğanın muhteşem bir şey sakladığına dair ipuçları veriyordu. CERN’de bir deney yürüten Imperial College London’da parçacık fizikçisi olan Mitesh Patel, önceki çalışmalarından elde edilen verileri “profesyonel yaşamımda gördüğüm en heyecan verici sonuçlar dizisi” olarak nitelendirdi.

On yıl önce, CERN fizikçileri, evrendeki diğer tüm parçacıklara kütle kazandıran, uzun süredir aranan bir parçacık olan Higgs bozonunun keşfiyle küresel manşetlere taşındı. Bulmak için ne kaldı? İyimser fizikçiler neredeyse her şey diyor.

CERN çarpıştırıcısı 2010’da ilk kez açıldığında, evren kapmak için hazırdı. Şimdiye kadar yapılmış en büyük ve en güçlü makine, Higgs bozonunu bulmak için tasarlandı. Bu parçacık, bilim adamlarının atom altı dünya hakkında ölçebildiği her şeyi açıklayan bir dizi denklem olan Standart Model’in temel taşıdır.

Ancak evren hakkında Standart Model’in açıklamadığı daha derin sorular var: Evren nereden geldi? Neden antimaddeden değil de maddeden yapılmıştır? Evreni kaplayan “karanlık madde” nedir? Higgs parçacığının kendisinin kütlesi nasıldır?

Fizikçiler, büyük çarpıştırıcının ilk çalıştırıldığı 2010 yılında bazı cevapların gerçekleşeceğini umuyorlardı. Higgs dışında hiçbir şey ortaya çıkmadı – özellikle de karanlık maddenin doğasını açıklayabilecek yeni bir parçacık yok. Sinir bozucu bir şekilde, Standart Model sarsılmadan kaldı.

Çarpıştırıcı, kapsamlı yükseltmeler ve onarımlar için 2018’in sonunda kapatıldı. Mevcut programa göre, çarpıştırıcı 2025 yılına kadar çalışacak ve ardından diğer kapsamlı yükseltmelerin kurulması için iki yıl daha kapanacak. Bu yükseltmeler arasında, proton ışınlarının çarpıştığı ve çarpışma kalıntılarını analiz ettiği dört noktada bulunan dev dedektörlerde yapılan iyileştirmeler yer alıyor. Temmuz ayından itibaren, bu dedektörler işlerini onlar için durduracak. Proton ışınları, onları daha yoğun hale getirmek için sıkıştırılmıştır, bu da protonların kesişme noktalarında çarpışma şansını arttırır – ancak dedektörler ve bilgisayarlar için birbirinden ayırt edilmesi gereken çoklu parçacık spreyleri şeklinde kafa karışıklığı yaratır.

“Veriler alıştığımızdan çok daha hızlı bir şekilde gelecek” dedi Dr. Patel. Her kiriş geçişinde bir zamanlar sadece birkaç çarpışma meydana gelirken, şimdi beş gibi daha fazla olacak.

“Bu, hayatımızı bir anlamda zorlaştırıyor çünkü tüm bu farklı etkileşimler arasında ilgilendiğimiz şeyleri bulabilmemiz gerekiyor. “dedi. “Ama bu, aradığınız şeyi görme olasılığının daha yüksek olduğu anlamına geliyor.”

Bu arada, çeşitli deneyler Standart Modeldeki olası çatlakları ortaya çıkardı ve daha geniş, daha derin bir evren teorisine işaret etti. Bu sonuçlar, kozmik ağartıcılarda isimleri çoğumuzun aşina olmadığı atom altı parçacıkların nadir davranışlarını içerir.

Geçen yıl kısaca ünlü olan bir atom altı parçacık olan müonu ele alalım. Müonlara genellikle yağ elektronları denir; aynı negatif elektrik yüküne sahipler ama 207 kat daha büyükler. “Bunu kim emretti?” fizikçi Isador Rabi, 1936’da müonlar keşfedildiğinde demişti.

Müonların büyük planın neresine oturduğunu kimse bilmiyor. Kozmik ışın çarpışmaları tarafından – ve çarpıştırıcı olaylarda – yaratılırlar ve mikrosaniyeler içinde radyoaktif olarak bir elektron fışkırmasına ve nötrino adı verilen hayalet parçacıklara bozunurlar.

Geçen yıl, Illinois’deki Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ile ilişkili yaklaşık 200 fizikçiden oluşan bir ekip, bir manyetik alanda dönen müonların Standart Model tarafından tahmin edilenden çok daha hızlı sallandığını bildirdi.

Teorik tahminlerle tutarsızlık, parçacığın bir manyetik alana nasıl tepki verdiğini tanımlayan g-2 adlı bir parametrenin değerinin sekizinci ondalık basamağında geldi.

Bilim adamları, kesirli ama gerçek farkı, müon çevresinde kısa bir süre için cisimleşecek ve özelliklerini etkileyecek, henüz bilinmeyen parçacıkların kuantum fısıltısına bağladılar. Parçacıkların varlığının doğrulanması, sonunda Standart Modeli kıracaktır.

Fakat iki grup teorisyen, Fermilab deneyinden daha fazla veri beklerken, g-2’nin ne olması gerektiğine dair tahminlerini uzlaştırmaya çalışıyor.

Muon g-2 Teori Girişimi olarak adlandırılan üç yıllık bir çabaya öncülük eden Illinois Üniversitesi’nden fizikçi Aida X. El-Khadra, “g-2 anomalisi hâlâ çok canlı,” dedi. bir fikir birliği tahmini oluşturmak için. “Şahsen, Standart Modeldeki çatlakların bir depreme yol açacağı konusunda iyimserim. Ancak çatlakların tam konumu hala hareketli bir hedef olabilir.”

Müon ayrıca başka bir anormallik içindedir. Bu dramadaki ana karakter veya belki de kötü adam, proton ve nötron gibi daha ağır parçacıkları oluşturan altı çeşit kuarktan biri olan B kuarkı adı verilen bir parçacıktır. B, alt veya belki de güzellik anlamına gelir. Bu tür kuarklar, B mezonları olarak bilinen iki kuarklı parçacıklarda meydana gelir. Ancak bu kuarklar kararsızdır ve Standart Modeli ihlal ediyormuş gibi görünen şekillerde dağılmaya eğilimlidirler.

Bir B kuarkının bazı nadir bozunmaları, farklı, daha hafif bir kuark türü ve leptonlar, elektronlar veya onların tombul kuzenleri, müonlar olarak adlandırılan bir çift hafif parçacıkla biten bir papatya dizilimi reaksiyonlarını içerir. Standart Model, elektronların ve müonların bu reaksiyonda ortaya çıkma olasılığının eşit olduğunu kabul eder. (Tau adı verilen üçüncü, daha ağır bir lepton vardır, ancak gözlemlenemeyecek kadar hızlı bozunur.) Ancak Dr. Patel ve meslektaşları, lepton evrenselliği adı verilen bir ilkeyi ihlal ederek, müon çiftlerinden daha fazla elektron çifti buldular.

“Bu bir Standart Model katili olabilir” dedi. Ekibi Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın büyük dedektörlerinden biri olan LHCb ile B kuarklarını araştıran Dr. Patel. Bu anormallik, müonun manyetik anomalisi gibi, bilinmeyen bir “etkileyiciye” – reaksiyona müdahale eden bir parçacık veya kuvvete – işaret ediyor.

Dr. Patel, bu verilerin yaklaşan çarpıştırıcı çalışmasında tutarsa, en dramatik olasılıklardan birinin leptokuark adı verilen atom altı bir spekülasyon olduğunu söylüyor. Parçacık varsa, maddi evreni oluşturan iki parçacık sınıfı arasındaki boşluğu kapatabilir: hafif leptonlar – elektronlar, müonlar ve ayrıca nötrinolar – ve kuarklardan oluşan protonlar ve nötronlar gibi daha ağır parçacıklar. Heyecan verici bir şekilde, altı çeşit kuark ve altı çeşit lepton vardır.

“Bu koşuya bir devrimin geleceğine dair daha iyimser bir şekilde giriyoruz” dedi Dr. Patel. “Parmaklar geçti.”

Bu hayvanat bahçesinde garip davranan başka bir parçacık daha var: radyoaktif bozunmadan sorumlu sözde zayıf kuvveti taşıyan W bozonu. Mayıs ayında, Fermilab’daki Çarpıştırıcı Dedektörü veya CDF ile fizikçiler, dünyanın en güçlü çarpıştırıcısı olan Fermilab’ın Tevatron’undaki çarpışmalardan elde edilen yaklaşık 4 milyon W bozona dayanarak bu parçacığın kütlesini ölçmek için 10 yıllık bir çaba bildirdiler. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı inşa edilene kadar.

Standart Modele ve önceki kütle ölçümlerine göre, W bozonu, fizikçiler tarafından tercih edilen kütle enerjisi birimi olan yaklaşık 80.357 milyar elektron volt ağırlığında olmalıdır. Karşılaştırma yapacak olursak, Higgs bozonu 125 milyar elektron volt, yaklaşık bir iyot atomu ağırlığındadır. Ancak, şimdiye kadar yapılmış en kesin olan W’nin CDF ölçümü, 80.433 milyar olarak tahmin edilenden daha yüksek geldi. Deneyciler, fizik jargonunda 2 trilyon – 7-sigma’da tek bir şans olduğunu hesapladılar – bu tutarsızlık istatistiksel bir şanstı.

W bozonunun kütlesi, kötü şöhretli Higgs de dahil olmak üzere diğer parçacıkların kütleleriyle bağlantılıdır. Yani bu yeni tutarsızlık, eğer tutarsa, Standart Modelde başka bir çatlak olabilir.

Yine de, üç anormallik ve teorisyenlerin devrim umutları daha fazla veriyle buharlaşabilir. Ancak iyimserlere göre, üçü de “bilinen” fiziğe müdahale eden gizli parçacıklara veya kuvvetlere yönelik aynı cesaret verici yönü işaret ediyor.

“Yani hem g-2’yi hem de W kütlesini açıklayabilecek yeni bir parçacık LHC’de erişilebilir durumda olabilir,” diyor fizikçi Kyle Cranmer. CERN’de başka deneyler üzerinde çalışan Wisconsin Üniversitesi.

CERN ve Kings College London’da teorisyen olan John Ellis, yeni W-kütle uyuşmazlığı için açıklamalar öneren en az 70 makalenin yayınlandığını kaydetti.

“Bu açıklamaların çoğu ayrıca LHC’nin erişebileceği yeni parçacıklar gerektiriyor” dedi. “Karanlık maddeden bahsetmiş miydim? Yani, dikkat edilmesi gereken çok şey var!”

Yaklaşan koşu hakkında Dr. Patel şunları söyledi: “Heyecan verici olacak. Zor bir iş olacak, ancak elimizde ne olduğunu ve verilerde gerçekten heyecan verici bir şey olup olmadığını görmek için gerçekten hevesliyiz.”

Ekledi: “Bilimsel bir kariyer yapabilirsin ve bunu bir kez söyleyemezsin. Bu yüzden bir ayrıcalık gibi geliyor.”