İnsanoğlunun doğayı anlama çabasında bir büyük zafer günü

Zor sorulardan biri de ‘Evren nasıl ortaya çıktı’ sorusu. Bu, görece yeni bir soru. Bundan 100 yıldan bile az zaman öncesine kadar evrenin sonsuzluktan gelip sonsuzluğa gittiğini düşünürdük.
Ama insanoğlunun merakı bu düşünceyi de sorguladı ve sonuna kadar kurcaladı. Bugün, evrenin bir başlangıcı olduğunu biliyoruz. En azından bildiğimiz evren, bir ‘Büyük Patlama’ ile başladı.
Öyle başladı ama neden patladı? Patlayan neydi? Nasıl patladı?
Bu temel soruların cevaplarını bilmiyoruz; en azından bilmediğimizi biliyoruz.
Ne var ki, ‘Neden’ ve ‘Nasıl’ın cevabını bilmiyor olmak bizi durdurmadı. O patlama anını bir ‘tekillik’ olarak gördük; elimizdeki fizik kurallarının o ‘an’a uygulanamayacağına karar verdik ve o ‘an’ın çok kısa süre sonrasına, mesela saniyenin milyonda biri kadar sonrasına odaklandık.

***

Acaba patlamayla birlikte ortalığa saçılan enerji yüklü parçacıklar ne olmuş ve nasıl olmuştu da atom haline gelmişti?
Bu soruya cevabımız var. Onun adı Standart Model. 60 yıldır dünyanın dört bir yanında binlerce fizikçi modeli oluşturdu ve geliştirdi.
Ama modelin bir eksik parçası vardı. Parçacıkların enerjiden kütleye nasıl dönüştüğünün mekanizması bir türlü tam oturmuyordu. 1964 yılında üç ayrı grup halinde ama altı fizikçi aşağı yukarı aynı dönemde aynı teoriyle ortaya çıktılar. Bu fizikçiler, yani François Englert ve Robert Brout; Peter Higgs; Gerald Guralnik, C. R. Hagen, ve Tom Kibble’dan bugün sadece Peter Higgs’in adını biliyor olmamız, önerilen parçacığa ‘Higgs bozonu’ deniyor olması bilim dünyasındaki adaletsizliklerin öyküsü.
Her neyse, konuyu dağıtmadan devam edelim: Bu fizikçiler, parçacıklara, hiç değilse bazı parçacıklara kütle kazandıran bir mekanizmanın matematiğini yazdılar.
Bugün, zaman zaman ‘Tanrı Parçacığı’ olarak da anılan ‘Higgs Bozonu’ veya ‘Higgs Alanı’ işte bu matematiğin bir sonucu.
Parçacıklar bu ‘alan’ın içinden geçerken kütle kazanıyordu. Bu mekanizmaya da ‘Higgs mekanizması’ deniyor.
Ancak, matematiğin, saf teorinin bir şeyi öngörmesi başka, onun kanıtlanması başka.
En meşhur örnek, Einstein. Onun yüzyıldan da fazla zaman önce teorik olarak, salt matematikle öngördüğü hemen hemen her şey daha sonra deneysel yöntemlerle kanıtlandı. Buna kütle çekim kuvvetinin ışığı bükmesi de dahil, maddenin enerjiye dönüşmesi, yani atom bombası da dahil.
İşte dün Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi CERN’de izlediğimiz sunum da, taa 48 yıl önce teorisi yapılmış,
28 yıl önce nasıl bir deneyle kanıtlanacağı yazılmış olan Higgs bozonunun veya bozona adını veren Peter Higgs’in nefret ettiği ismiyle ‘Tanrı Parçacığı’nın varlığı deneysel yöntemle de kanıtlandı.
Yani artık, kütlenin nasıl oluştuğunu kesin biçimde biliyoruz. Kütle dediğiniz de bizleriz, dünyamız, etrafımızdaki her şey, evrende görebildiğimiz her şey.
Doğanın bir Higgs mekanizması olmasaydı bunların hiçbiri, hiçbirimiz olmazdık.
İnsanoğlunun sonsuz merakı bir zafer daha kazandı, doğayı biraz daha fazla anlıyoruz artık. Bu da az buz bir şey değil.

Higgs’i bulmak neden bu kadar zor ve uzun oldu?

ASLINDA ‘parçacık’ kelimesi insanda doğal olarak elle tutulur bir şey izlenimi bırakıyor. Oysa, güneşin bizi ısıtmasını, aydınlatmasını sağlayan fotonlar da ‘parçacık’ ama elle tutulabilir, kütlesi olan bir şey değiller.
Parçacık dendiğinde gözde bir şey canlandırmak zor. Higgs denince daha da zor. Çünkü Higgs aslında artık eskisi kadar var olmayan, varlığına çok ihtiyaç duyulmayan bir şey. Üstelik, elle tutulur bir şey olma anlamında ‘parçacık’ da değil. Belki bir enerji alanı.
Ve öyle bir alan ki, kütle kazanmaya çalışan parçacıklarla ilişkiye girdiği anda yok oluyor. Kendi varlığını bir anlamda o parçacığa kütle olarak hediye ediyor.
Ayrıca, az önce söylediğim şey var: Higgs’e bugün doğada eskisi kadar çok ihtiyaç yok.
İşte o yüzden, bilim insanları Higgs’in varlığını kanıtlayabilmek için Higgs’e en çok ihtiyaç duyulan dönemin, yani Büyük Patlama’nın şartlarını labaratuvar ortamında yaratmalıydı.
Bunu söylemek dile kolay. Avrupa’nın böylesi bir proje için 10 milyar dolarını ve 25 yıldan fazla zamanını vermesi gerekti. Bu iş için çalışan ve Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’na ‘makine’ diyen onbinlerce fizikçinin milyonlarca saati, emeği de cabası.
Neyse ki, insanoğlunun merakı bütün bu maddi zorluklara, uzun bekleyiş sürelerine vs galip geldi. Bugün, Higgs mekanizmasının varlığını hemen hemen kanıtlamış bulunuyor insanlık.
Bundan sonra Higgs mekanizması alanında yapılacak çalışmalarla bilim çok daha ileri gidecek.

Parçacık fiziğinde ‘kanıt’ işi biraz karışık

BİLMİYORUM aranızda fizikçi veya matematikçi olmadığı halde CERN’de yapılan basın toplantısını canlı yayında izleyen oldu mu?
O basın toplantısında, aynı deneyin ürettiği verilere farklı farklı açılardan yaklaşan iki devasa (her biri 10 bin kişiye kadar genişliyor) grubun sunumları yapıldı. Önce CMS sözcüsü geldi, ardından da ATLAS.
Her iki sözcünün de açıklamalarının önemli bir bölümünü eldeki verileri nasıl ele aldıkları oluşturdu.
Bir kere Higgs doğrudan gözlenemiyor. Higgs oluştuktan çok kısa bir süre sonra bozunduğu için deney grupları bu bozunmanın sonuçlarına bakıyorlar. Bozunma sırasında ortaya çıkan yeni parçacığa, enerjiye yani.
Doğrudan gözleyemediğimiz bir olgu için ilk dolayımlama bu.
Aslına bakacak olursanız Higgs’in bozunmasının sonuçlarını da tam olarak doğrudan gözlüyor sayılmayız. O yüzden, çeşitli ‘kanallar’ açılıyor, farklı enerji/kütle düzeylerine farklı biçimlerde bakılıyor, leptonlara, Z bozonlara, ZZ bozonlara, W bozonlara vs bakılıyor.
İkinci seviye dolayımlama da bu.
Derken birbirine benzeyen ‘olay’lar derleniyor. Aynı enerji seviyesinde aynı cinsten bir bozunma olup olmadığına yani. Bunların da sayısı önemli.
Büyük Hafron Çarpıştırıcısı ya da CERN’deki adıyla ‘makine’ milyonlarca, hatta milyarlarca çarpışma yarattı. Sayının çok olması önemli. Çünkü, anlatmaya çalıştığım dolayımlamalar yüzünden ve atom altı parçacıklar evreninin doğası gereği her şey olasılık teorisiyle hesaplanıyor.
CMS sözcüsü, inceledikleri kanallardan birinde 5.1 sigma ‘güven düzeyi’ni yakaladıklarını söylediğinde salonda alkış koptu. Ama aynı sözcü sunumunun en sonunda bütün kanallar ortalamasının 4.9 sigma olduğunu söyledi, biraz ümit kırdı. O yüzden sözcü, ‘Higgs’i bulduk’ diyemedi, onun yerine ‘Yeni bir parçacık bulduk’ dedi.
Buna karşılık ATLAS sözcüsü, bütün kanalların ortalamasını 5 sigma olarak açıkladığında, salonda sunumu izleyen Peter Higgs’in gözleri doldu, büyük bir alkış koptu.
Peki nedir 4.9 sigma ile 5 sigma arasındaki fark?
Şöyle söyleyeyim: Bir şeyin ‘güven düzeyi’nin 4.9 sigma olması, onun yüzde 99.9999 seviyesinde güvenli olması anlamına gelir. Ama fizikçilere bu yetmiyor. 5 sigma ise yüzde 99.9999426697 kadar güvenli olması anlamına geliyor.
5 sigmalık güven düzeyinin bir başka anlamı da şu: 3 milyon defa meydana tekrar edilecek bir deneyde bu seviyede bir sinyal sadece 1 kez tesadüfen ortaya çıkabilir. O kadar.
Aradaki fark bu. Buna kanıt deniyor.