Maddeye Kütle Kazandıran Parçacık: Higgs Bozonu Nedir?

Higgs Bozonu, gündelik hayat içerisinde karşımıza sıklıkla çıkan bir kavram olmasa da fizik dünyasında bu kavramın ne denli önemli olduğu biliniyor. Çünkü birçok bilim insanının aklına, maddeye kütle veren şeyin ne olduğu gelmiştir. Gerçekten de maddelerin neden kütleleri vardır ya da bu kütleleri nereden almıştır? Higgs Bozonunun keşfinden önce bu soruya etkili bir cevap vermek mümkün olmasa da artık maddeye kütle veren şeyin Higgs Bozonu olarak adlandırılan ve spini 0 olan temel bir parçacık olduğunu biliyoruz. Elbette bu yeterli değil! Higgs Bozonu nedir, bahsi geçen temel parçacık neden bu kadar önemlidir?

Higgs Bozonunu Anlamak için Küçük Çırpınışlar

Higgs Bozonu; Gerald Guralnik, Peter Higgs, Richard Hagen, Tom Kibble, François Englert ve Robert Brout tarafından varlığı öne sürülen ve Standart Modeldeki fermiyonlara kütle kazandırmak amacını bünyesinde taşıyan bir çeşit temel parçacıktır. Burada bir parça soluklanıp tam olarak neyden bahsettiğimizi açıklamakta fayda var.

Standart Model, Stephen Hawking’in Zamanın Kısa Tarihi adlı kitabında da yer alan bir kavramdır. Gözlemlenen maddeyi oluşturan temel parçacıkları ve bunların etkileşimlerini inceleyen model, Standart Model olarak tanımlanır. Fakat Standart Modelin birçok bakımdan eksiklikleri bulunduğunu da söylemek gerekir. Higgs Bozonu, temel olarak Standart Modeldeki Higgs alanının kuantum uyarlamasıyla üretilmiş temel bir parçacıktır.

Higgs Bozonunun simgesi “H” ya da “h”dir. Daha önceleri Higgs Bozonuna dair teoriler öne sürülmüş olsa da bu parçacığın keşfi 4 Temmuz 2012 tarihinde olmuştur. CERN’de (Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi) yapılan deneyler sonucunda bilim insanları, Higgs Bozonunun özelliklerine uygun olabilecek bir parçacık keşfettiklerini belirtmiştir. 14 Mart 2013 tarihinde ise bilim insanları yaptıkları açıklamalar ile Higgs Bozonunun varlığından emin olduklarını ifade etmiştir. Bu, bilim adına önemli bir adımdı. Bu nedenle Peter Higgs ve François Englert 8 Ekim 2013 tarihinde Nobel Fizik Ödülü’nü almaya hak kazandı. Peki Higgs Bozonu neden bu kadar önemlidir, bize neyi açıklar?

Parçacıklar Nasıl Kütle Kazanır?

Parçacıkların nasıl kütle kazandıkları, evreni anlayabilmek açısından çok önemli bir yere sahiptir. Her şey ama her şeyin parçacıklardan meydana geldiğini biliyoruz. Bu nedenle atom altı dünya ve bu dünyada olan biten her şey bizler için çok önemli. Evrenin ilk anlarında hiçbir parçacığın kütlesi yoktu. Evren, saf enerji ile doluydu.

Einsten’in bize söylediği üzere madde ve enerji adeta aynı madalyonun iki farklı yüzüdür. Madde enerjiye dönüşebilir, aynı şekilde enerjinin de maddeye dönüşebildiğini söylemek mümkündür. Einstein bunu e=mc² formülüyle açıklar. Enerji, kütle ile ışık hızının karesinin çarpımından ibarettir. Bu neden önemli? Evrenin ilk anlarında saf enerjinin bulunduğunu söylemiştik. Aslında madde, enerjinin yoğun bir formudur. İşte tam da bu noktada Higgs Bozonu devreye girer. Bilim insanlarının gizemini yavaş yavaş çözümledikleri Higgs Bozonu, gizemli bir enerji alanı oluşturmuş ve kütlesiz parçacıkların kütle kazanmasını sağlamıştır. Peki parçacıklar nasıl kütle kazanır?

Parçacıklar Higgs alanı ile etkileşime girerek kütle kazanırlar, yani parçacıklar Higgs alanıyla etkileşime girene kadar herhangi bir kütleye sahip değildir. Bu durumda Higgs alanı ile çok fazla etkileşime giren bir maddenin kütlesi çok daha fazladır. Bunun yanı sıra bir madde Higgs alanıyla çok daha az etkileşime giriyorsa, kazanacağı kütle de az olacaktır. Bu konuda verebileceğimiz en iyi örnek fotonlardır. Bilindiği üzere fotonların bir kütlesi bulunmaz. Demek ki fotonlar bu alanla hiçbir şekilde etkileşmez ve bu nedenle kütle kazanmaz.

Parçacıklara Kütlelerini Veren Higgs Alanı Nedir?

Fizik dünyasında farklı temel parçacıkların adlarının sürekli geçtiğini gözlemlemekteyiz. Aslında temel parçacık dediğimiz şey, Kuantum Alan Teorisinde tanımlanmış alanların uyarılmış halleridir. İsmini sürekli duyduğumuz fotonları burada örnek olarak verebiliriz. Fotonlar, elektromanyetik alanın uyarılmış hali olarak karşımıza çıkar. Demek ki diğer temel parçacıklarda da aynı durum söz konusudur.

Higgs Bozonu, Higgs alanının uyarılmış halidir. Higgs alanı, Kendiliğinden Simetri Kırılması olarak adlandırılan sürecin sonunda iki kısma ayrılır. İlk bölümün dinamik olarak kaldığını fakat ikinci bölümde Higgs bozonlarının oluştuğunu söyleyebiliriz. Fiziksel bir sistem uyarıldığındaki durumu ile minimum enerji tabanındaki durumu birbirinden farklıdır. Kendiliğinden Simetri Kırılması da burada devreye girer. Sistemin uyarılmış durumdaki simetrisinin taban durumda ortadan kalkması halinde Kendiliğinden Simetri Kırılması meydana gelir.

Kütlesiz parçacıklar, Higgs alanı içerisinde Kendiliğinden Simetri Kırılması meydana geldikten sonra Higgs alanı ile etkileşime geçerek kütle kazanmaktadırlar. Aslında evrende gördüğümüz kütleli parçacıkların tamamının kütle kazanmasının sebebi Higgs alanının varlığıdır.

Konuyla ilgili yapılan araştırmalar, Higgs alanının tüm uzayı kapladığını göstermiştir. Kendisine takılan bütün parçacıklara kütle kazandıran Higgs alanı, temel olarak parçacıkların hızını yavaşlatmakta ve bu şekilde kütle kazanmalarını sağlamaktadır. Atom altı dünyada ismini sıklıkla duyduğumuz leptonlar ve kuarklar Higgs alanı içerisinde birleşmiş ve ilk proton ile nötronları oluşturmuştur. Proton ve nötronlar ise elektronlarla bir araya gelerek atomları oluşturmuş, daha sonra ise madde meydana gelmiştir.

Uzun zamandır bilim dünyasında merak edilen konu, yani Evrenin başlangıcında saf enerjinin neden ve nasıl maddeye dönüştüğü hususu Higgs alanı ve bozonu ile açıklık kazanmış durumda. Daha önce de belirttiğimiz üzere her alanın bir taşıyıcısı vardır. Higgs Bozonu, Higgs alanının bir taşıyıcısıdır. Bu nedenle her iki kavram da fizik dünyası açısından çok önemlidir.

Artık maddelerin nasıl kütle kazandıklarını biliyoruz. Bunun yanı sıra fotonların neden kütlesiz oldukları hakkında da bir fikrimiz var. Evreni anlama yolculuğumuz elbette ki bitmedi, bu yolculuğun çok uzun olduğunu ve hâlâ açıklanmayan pek çok konunun olduğunu biliyoruz. Örneğin bir parçacık dalga gibi davranırken gözlemlendiğini bildiği anda dalga fonksiyonunun çökmesi ve parçacık gibi davranmasının ardında yatan sır nedir? Evren, onu anlamamızı bekliyor.