Fizik

Parçacık Fiziğinin Standart Modeli, gözlemlenebilir Evrenin %5’ini doğru bir şekilde tanımlar. Higgs bozonunun keşfi, doğayı anlama biçimimizde yeni bir sayfa açtı.

Keşfetmeye hazır mısınız?

LHC’de 10 yıllık fizik çalışmaları süresince parçacık fiziği alanı büyük ölçüde gelişti. Bugün, en yüksek enerjili lepton çarpıştırıcısı (FCC-ee) ve ardından enerji sınırındaki hadron çarpıştırıcısından (FCC-hh) oluşan entegre bir Gelecek Dairesel Çarpıştırıcı programı, öngörülebilir teknolojinin sağlayabileceği en kapsamlı parçacık fiziği programını vaat ediyor.
FCC’nin fiziksel potansiyeline dair kapsamlı bir genel bakış, BURADAN indirilebilen FCC Kavramsal Tasarım Raporu (FCC CDR) cilt 1-3’te sunulmaktadır .

Doğayı yöneten temel etkileşimler nelerdir?

Evrendeki hemen hemen her şey dört temel etkileşimle açıklanabilir. Bu etkileşimler, yerçekimi yasalarıyla yönetilen çeşitli parçacıkların kesin hareketine bağlı olarak bir galaksinin şeklini ve yapısını veya kuantum mekaniği prensiplerine dayanan ve kimyasal bağ yasalarını belirleyen su molekülünün yapısını açıklayabilir.

Bu parçacıkların ve üç temel kuvvetin birbirleriyle nasıl ilişkili olduğuna dair en iyi anlayışımız, parçacık fiziğinin Standart Modeli’nde özetlenmiştir.

Temel etkileşimler şu dört kritere göre karakterize edilir: kuvvete maruz kalan parçacık türleri, kuvvetin göreceli gücü, kuvvetin etkili olduğu aralık ve kuvveti ileten parçacıkların doğası.

Standart Model ve ötesi…
Parçacık Fiziğinin Standart Modeli (SM), evrenin temel yapı taşları olan temel parçacıkları ve bunların nasıl etkileşimde bulunduğunu açıklayan en iyi teorimizdir. Proton ve nötronları oluşturan kuarklar ve elektronları içeren leptonlar adı verilen parçacıkların bilinen tüm maddeyi nasıl oluşturduğunu açıklar. Ayrıca, daha geniş bir bozon grubuna ait olan kuvvet taşıyıcı parçacıkların kuarkları ve leptonları nasıl etkilediğini de açıklar. Son yapı taşı olan Higgs bozonu, 2012 yılında CERN’de keşfedilmiştir.

Higgs bozonu, diğer tüm parçacıkların kütlelerini nasıl kazandığını açıklar. Teorik olarak öne sürülmesinden yaklaşık elli yıl sonra ATLAS ve CMS deneyleri tarafından keşfedilmiştir. Temel özelliklerini anlamak, gelecekteki çarpıştırıcılar için deneysel hedeflerden biridir.

Higgs bozonunun fizikteki en derin gizemlerin birçoğuyla olan bağlantısı, Higgs bozonunun öngörülebilir gelecekte deneyciler ve teorisyenler için bir araştırma odağı olmaya devam edeceği anlamına geliyor.

Higgs bozonunun incelenmesi
LHC, Higgs bozonunun kuarklar, leptonlar ve kuvvet taşıyıcıları olan W ve Z bozonlarıyla etkileşimlerinin ilk araştırmalarında çok başarılı olmuştur. FCC programının ana hedeflerinden biri, bu ölçümleri bir üst seviyeye, hassasiyet açısından bir mertebe daha ileriye taşımaktır. FCC’lerde üretilen bol miktardaki Higgs bozonunun ve diğer Standart Model parçacıklarının üretimi ve bozunmasının ölçümleri, Standart Model tahminlerinden olası sapmaları araştırabilir. Ayrıca, Higgs bozonunun temel doğasına ışık tutarak, onun temel bir parçacık mı yoksa bileşik bir parçacık mı olduğunu ortaya koyabilir.

Standart Model, Higgs bozonunun kendi kendine etkileşimini de öngörür. Higgs’in kendi kendine nasıl etkileşimde bulunduğunu ölçmek, LHC’de erişilebilenden çok daha yüksek istatistikler gerektirir. FCC’ler, doğanın büyük bir bölümünün buna dayandığı göz önüne alındığında, Higgs’in kendi kendine etkileşiminin varlığını ve özelliklerini kesin olarak ortaya koyabilir; bu da çok önemli bir kilometre taşıdır. FCC’de Higgs potansiyelinin belirlenmesi, erken evrendeki elektrozayıf faz geçişinin doğası gibi birçok temel olgu için sonuçlar doğurur.

Higgs bozonunun bu kadar çeşitli etkileşimlerin kesişme noktasında konumlanması, onun incelenmesinin Higgs’in ötesinde ne olabileceğine dair ipuçlarını ortaya çıkarmak için son derece umut vadeden bir yol sunduğunu da göstermektedir. FCC entegre programı, geniş ölçüm yelpazesi, hassasiyeti ve üretilen çok sayıda Higgs bozonu ile bu keşif için mümkün olan en iyi aracı sağlamaktadır.

Yoğunluk ve enerji sınırlarını zorlamak

Parçacık fiziği tarihinde önemli bir dönüm noktasına ulaştı. 125 GeV kütleli hafif bir Higgs bozonunun keşfi, Standart Modelin ötesindeki fiziğin araştırılması için yeni bir dönemin önünü açıyor. Parçacık fiziği, hassasiyet, doğruluk ve enerji aralığında radikal iyileştirmelerle birlikte, mümkün olan en geniş kapsamda araştırmalarına devam etmelidir.

Gelecekteki dairesel elektron-pozitron çarpıştırıcısı (FCC-ee), 90 ila 360 GeV arasında aşamalı olarak hayata geçirilecek ve günümüzde bilinen en ağır dört parçacığın (yani Z ve W bozonları, Higgs bozonu ve üst kuark) etkileşimlerini derinlemesine incelemeye olanak sağlayacaktır.

FCC-ee, bu parçacıkların incelenmesi için ideal koşullar (ışık şiddeti, enerji kalibrasyonu, ao) sunarak hassas ölçümler, nadir veya yasaklanmış süreçlerin araştırılması ve zayıf etkileşimli parçacıkların olası keşfi için birçok fırsat sağlar. FCC-ee aynı zamanda, altyapısının büyük bir bölümünü sağladığı 100 TeV’lik bir proton çarpıştırıcısı (FCC-hh) için mükemmel bir sıçrama tahtasıdır.

Bu iki makinenin birbirini tamamlayıcı ve sinerjik fizik programları, benzersiz derecede güçlü bir uzun vadeli vizyon sunmaktadır. Bu vizyon, 2020 Avrupa Parçacık Fiziği Stratejisinin temelini oluşturmaktadır.

Karanlık madde arayışı mı?
Birçok astronomik gözlem, evrenin çıplak gözle görülebilenden daha fazla madde içerdiğini göstermektedir. Görünür madde, evrenin içeriğinin yalnızca %5’ini oluşturmaktadır! Geri kalan %27’si ise, kütle çekimiyle galaksileri ve galaksi kümelerini bir arada tutan karanlık maddeden oluşmaktadır.

Baryonik madde olarak bilinen sıradan madde, proton, nötron ve elektronlardan oluşur ve Standart Model tarafından açıklanır. Karanlık madde adayları, Standart Modelin ötesindeki fiziği öne süren teorilerde sıklıkla ortaya çıkar ve henüz keşfedilmemiş yeni parçacıklardan oluşabilir.

Çarpıştırıcılarda veya başka herhangi bir yerde hiçbir deney, astrofiziksel gözlemlerin izin verdiği karanlık madde (KM) kütlelerinin tüm aralığını araştıramaz. Bununla birlikte, teorinin GeV’den birkaç on TeV’ye kadar kütlelere sahip karanlık madde adaylarını desteklediği çok geniş bir model sınıfı vardır. FCC, karanlık maddenin zayıf etkileşimli büyük kütleli parçacıklar biçiminde aranmasında çığır açacak ve karanlık maddenin üretimi veya sıradan maddeyle etkileşimine aracılık eden parçacıkların üretimiyle öngörülen çok çeşitli potansiyel sinyalleri kapsayacaktır. FCC-ee ve FCC-hh, daha hafif parçacıklardan (yani steril nötrinolar) oluşabilecek veya Higgs bozonunun bozunmalarında üretilebilecek karanlık maddeyi aramak için tamamlayıcı yollar sunmaktadır.

Nötrinoların neden kütleleri vardır?
Günümüz fiziğindeki temel deneysel sorulardan biri, nötrinoların kütlelerini nasıl kazandıklarıdır; çünkü bu, Standart Model tarafından öngörülmemektedir.

Yeni milenyumun ilk on yılında, modern nötrino deneyleri, nötrino salınımları olarak adlandırılan olguya dair ilk kanıtları sağladı ve bu da nötrinoların küçük bir kütleye sahip olduğunu gösterdi. Standart Modele göre nötrinolar kütlesiz parçacıklardır; bu nedenle bu keşif, Standart Modelin ilk çatlağını işaret etti. 2015 yılında Takaaki Kajita ve Arthur B. McDonald, “nötrinoların kimlik değiştirdiğini gösteren deneylere yaptıkları önemli katkılar” nedeniyle Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldüler.

Çatlak, Standart Modeli tamamen parçalayacak kadar büyük değil çünkü minik nötrino kütlelerini neyin ürettiğini bilmiyoruz. FCCee, bu konuya ışık tutmak için eşsiz bir fırsata sahip. Nötrino kütleleri, eğer varsa, Z bozonlarının bozunması yoluyla üretilecek olan Ağır Nötr Leptonlar adı verilen ağır karşıt ortakları tarafından üretilebilir. FCCee, ilk çalışma aşamasında trilyonlarca Z bozonu üretecek ve böylece bu parçacıkları elektrozayıf ölçeğe kadar aramasına olanak sağlayacaktır

Evrende neden antimaddeden daha fazla madde var?
Atom altı parçacıkların fiziğini keşfetmeye devam etme ihtiyacına işaret eden bir diğer deneysel kanıt, maddenin antimaddeye göre daha fazla olmasıdır. Yaklaşık 14 milyar yıl önce, bildiğimiz evreni doğuran olay olan Büyük Patlama, eşit miktarda madde ve antimadde yarattı. Ancak şu anda evren tamamen maddeden oluşuyor ve antimadde hiçbir yerde görünmüyor. “Antimadde nereye kayboldu?” sorusu, parçacık fiziğinde bugüne kadar cevaplanmamış en önemli sorulardan biridir. Kozmik madde-antimadde asimetrisinin kökenini açıklamak, parçacık fiziğinin ön saflarında yer alan bir zorluktur.

Doğanın, CP ihlali olarak adlandırılan olay yoluyla madde-antimadde dengesizliği yaratabileceğini biliyoruz. Sorun şu ki, mevcut deneylerde ölçtüğümüz CP ihlali miktarı, evrenimizin durumunu açıklamak için yetersiz. Bu nedenle, bu dengesizliği ele alan yaygın fikir, yeni bir CP asimetrisi kaynağının varlığını varsaymaktır. FCCee, muazzam entegre ışınımı sayesinde yeni CP ihlali kaynaklarını araştırabilecektir. FCC-hh ile birlikte, FCC, evrende maddenin baskın olmasını destekleyen güçlü bir birinci dereceden faz geçişinin gerektirdiği yeni durumları kesin olarak araştırmalıdır.

Süpersimetri mi arıyorsunuz?
Deneyler, parçacık fiziğinin Standart Modelini defalarca doğrulamıştır. Ancak model eksiktir. Diğer özelliklerinin yanı sıra, karanlık maddeyi, Higgs bozonunun küçük kütlesini veya parçacıklar arasındaki etkileşen kuvvetlerin yüksek enerjilerde neden birleşmediğini açıklayamaz. Bunlar, süpersimetrinin ele alabileceği sorulardan bazılarıdır. En basit süpersimetrik teoriler—Higgs bozonunu en iyi açıklayanlar—LHC’nin erişebileceği çok sayıda süpersimetrik parçacık öngörmektedir.

Teorisyenler, doğada görülen iki temel parçacık türü olan fermiyonlar ve bozonları birbirine bağlamak için 1960’larda süpersimetri kavramını ortaya attılar. Kabaca söylemek gerekirse, fermiyonlar maddenin bileşenleridir, bozonlar ise temel zihinsel güçlerin taşıyıcılarıdır. Süpersimetri, bilinen her bozona bir fermiyon olan ağır bir “süperortak” ve bilinen her fermiyona bir bozon olan ağır bir ortak verecektir.

LHC’de şu ana kadar süpersimetrik parçacıklara dair herhangi bir işaretin bulunmaması, SUSY’nin (süpersimetrik simetri) ne kadar ilginç olsa da evrenimizi tanımlamıyor gibi görünmesine neden oluyor. Gelecekte lepton ve proton çarpıştırıcılarında yapılacak araştırmalar, geçerli senaryoları daha da kısıtlayacak ve SUSY aday parçacıklarına giderek daha sıkı sınırlar koyacaktır. Araştırmalar, FCC’lerde (Federal Çarpıştırıcılar) toplanan verilerden faydalanabilir, çünkü bu veriler Standart Model arka planlarının daha iyi ayırt edilmesini sağlayacak ve olay yeniden yapılandırması için daha fazla bilgi sunacaktır. FCC’nin deneysel programı sırasında toplanan veriler, bu teorinin farklı tezahürlerini test etmeye ve teorik düşünceye rehberlik etmeye yardımcı olacaktır.