.jpg "müonlar")
MÜONLAR ÇILDIRIYOR
Parçacık fiziği ile uğraşanlar on yıllardır standart modelin ötesinde yeni yasalar ve bilinmeyen parçacıklar arıyorlar. Fermilab'da yapılan bir deney heyecan yaratıyor.
Tüm bilgisayar çağı, kuantum fiziğinin bulgularına dayanıyor. Örneğin SSD'ler bu bilgi olmadan geliştirilemezdi. Ancak yaklaşık 100 yıllık olan teori, yalnızca yarı iletken teknolojisinin geliştirilmesi için yararlı değil. Bu süreçte parçacık fizikçileri kuantum teorisini o kadar geliştirdiler ki; yerçekimi kuvveti dışında bilinen tüm doğal kuvvetler ve temel parçacıklar, parçacık fiziğinin standart modeli olarak adlandırılan modele dahil edildi.
Aynı zamanda bilim insanları bu güçlü teori ile mücadele ediyor: Einstein'ın yerçekimini açıklayan genel görelilik teorisi standart modele dahil edilemiyor. Dahası standart model, kozmik ölçekte bizlerin oluşturduğu sıradan maddeden çok daha büyük bir rol oynayan karanlık madde ve karanlık enerjiye en ufak bir atıfta bulunmuyor.
Dünyanın dört bir yanında standart modeli sınayan çok sayıda sofistike uzman var. Şimdiye kadar, sözde sapmaların erken olduğu ya da deneylerin kusurlu olduğu ortaya çıktı. Standart model şimdiye kadarki en güçlü rüzgarla karşı karşıya: Chicago yakınlarındaki Fermilab'da yapılan “müon g-2” deneyi (müon g eksi iki olarak okunabilir), yıllar süren veri toplama ve analiz çalışmalarının ardından teori ve deney arasında beş sigmadan fazla bir tutarsızlığa ulaştı ve veri toplamada herhangi bir sorun olduğuna dair hiçbir belirti yok. Tüm çapraz kontroller tutarlı. Analiz kör bir şekilde gerçekleştirildi ve ancak en sonunda — “körlük kaldırıldığında” — sonuçlar nihai ölçüm değerlerine çevrildi, böylece tahrifatlar veya bilinçsiz manipülasyonlar göz ardı edilebildi.
Peki fizikçiler tam olarak neyi ölçüyor?
Johannes Gutenberg University Mainz Parçacık Fiziği Profesörü Martin Fertl, “Bu deneyde müonun anormal manyetik momentini daha önce görülmemiş bir hassasiyetle belirledik.” diyor. Diğer şeylerin yanı sıra, araştırma grubu deneye yüksek hassasiyetli manyetometrelerle katkıda bulundu.
Fertl, “Müon, elektronun ağır ve kararsız kardeşi olan temel bir parçacık.” diyor. Elektron gibi müonun da bir manyetik momenti var, yani küçük bir mıknatıs gibi davranır. G-faktörü onun gücünü tanımlamak için kullanılır.
Vakum içinde kuantum köpüğü
Rölativistik kuantum mekaniği hesaplamalarına göre, g-faktörü tam olarak iki değerine sahip olmalıdır. Ancak, yaklaşık binde bir daha yüksek.
Fertl, “Bunun nedeni müonun vakumun sanal parçacıklarıyla sürekli etkileşim halinde olması.” diye açıklıyor.
Kuantum fiziği yasalarına göre, mükemmel vakum diye bir şey yoktur: Atomların, moleküllerin ya da elektromanyetik alanların olmadığı bir boşlukta bile, Heisenberg Uncertainty Principle uyarınca sürekli olarak parçacık ve antiparçacık çiftleri oluşur. Bu sanal parçacıklar, varoluşları için gereken enerjiyi vakumdan son derece kısa bir süreliğine ödünç alır ve sonra tekrar kaybolurlar.
Kulağa ürkütücü ve neredeyse metafiziksel gelen şeyin gerçeklik üzerinde ölçülebilir bir etkisi var: Müonun g-faktörünün iki değerinden sapması, sanal parçacıkların etkisini belirlemek için en iyi mihenk taşlarından biri olarak kabul ediliyor.
Bu konuda heyecan verici olan şey, prensipte, vakumun kuantum köpüğünün akla gelebilecek tüm parçacıkları içermesi; hatta bugün bilmediklerimizi bile. Mainz’lı araştırmacı, “Teori ve ölçümü karşılaştırarak, standart modelin gerçekten eksiksiz olup olmadığını ya da daha önce bilinmeyen parçacıkların veya doğal güçlerin belirtilerinin olup olmadığını anlayabiliriz.” diyor.
Anormal manyetik momenti ile müon bunun için en sıcak aday olarak kabul ediliyor. Bu miktar, bir müon demetinin bir halka içinde dolaştırılmasıyla ölçülür. Bu ışın bir parçacık hızlandırıcı tarafından üretiliyor ve deney halkasında besleniyor.
Müon, manyetik momenti nedeniyle manyetik alan içinde dönen bir topaç gibi davranır. Fertl, “Ve biz bu sözde presesyon hareketini çok hassas bir şekilde belirleyebiliyoruz.” diyor.
Yıllarca geliştirilmiş hassasiyet
Brookhaven National Laboratory’daki ön deney, 2001 yılında belirlenen teorik değerden açık bir sapma göstermişti.
Fermilab’daki müon ışını daha iyi özelliklere sahip olduğundan, Brookhaven’daki deney söküldü ve 2013 yılında Chicago yakınlarındaki Fermilab’a 5.000 kilometreden fazla taşındı.
Dört yıllık hazırlık sürecinin ardından 2018’de Run 1 ile veri toplanmaya başlandı. İlk sonuçlar, teorik değerle dört sigmanın üzerinde net bir tutarsızlık olduğunu gösterdi.
O zamandan beri sistem sürekli olarak geliştirildi. Fertl mutlulukla, “Run 2 ve Run 3’te deney sırasındaki yanlışlıklardan kaynaklanan sistematik hataları önemli ölçüde azaltmayı başardık. Şu anda orijinal tasarım hedeflerinden biraz daha iyiyiz.” diyor.
Örneğin Run 1’de, müonları yolda tutan mıknatısın demir boyunduruğunun gün boyunca yavaşça ısındığı ve tekrar soğuduğu görülebiliyordu. Araştırmacılar mıknatısı yalıtım malzemesiyle sardılar ve salondaki havalandırmayı iyileştirdiler.
Parçacık fiziğinin standart modeli
Standard Model, bilinen tüm temel parçacıkları ve bunlar arasında etkili olan kuvvetleri özetler.
Normal madde, elektronlar ve atom çekirdeklerinden oluşur; bunlar da proton ve nötronlardan; bunlar da yukarı ve aşağı kuarklardan meydana gelir. Kuarklar asla tek başlarına var olamazlar; ancak bileşik parçacıklar oluşturmak için gluonlar tarafından bağlanırlar.
Tıpkı kuarklar gibi, gluonlarla etkileşime girmeyen ve tek başlarına var olabilen leptonlar da toplam üç nesil temel parçacığa sahip. Elektronun “büyük kardeşleri” ise yaklaşık 200 kat daha ağır olan müon ve 3.500 kat daha ağır olan tauon. Ancak tauon son derece kısa ömürlü ve bu nedenle de incelenmesi zor.
Yüksek kütlesi ve iki milisaniyenin biraz üzerindeki deneysel olarak yönetilebilir yarı ömrü sayesinde müon, standart modeli test etmek için mükemmel bir aday. Bunun nedeni ise, sanal parçacıklarla birleşirken bilinen tüm etkileşimlerin aynı anda test edilmesi:
Elektromanyetik kuvvet (foton)
Zayıf nükleer kuvvet (W ve Z bozonları)
Güçlü nükleer kuvvet (gluon)
Standart model tehlikede!
Ölçülen değer ile teori arasındaki sapma beş sigmanın üzerinde. Fizikte bu önem genellikle bir olgunun güvenilir kanıtı olarak kabul edilir.
Bu sonuçlar ne anlama geliyor? En yüksek mertebeden bir fiziksel sansasyona mı tanık oluyoruz?
Kalan son temel parçacık olan Higgs Bozon’unun 2012 yılında CERN’de tespit edilmesiyle geçici bir sonuca ulaşan onlarca yıllık standart model çökmek üzere mi?
Sonuçlar yeniden üretilebilirse Nobel Ödülü kesin olacaktır. Ve birçok kuramcının çekmecesinde standart modelin uzantılarını içeren hazır teoriler var.
Teori tersine mi dönüyor?
Şaşırtıcı bir şekilde, g-faktörünün teorik değeri de hareket etmeye başladı. On yıllar boyunca giderek daha hassas bir şekilde hesaplandı ve oldukça sağlam olduğu düşünüldü. Şimdi ise baskı altında.
Vakum kuantum köpüğünün sonsuz karışık etkileşimleri matematiksel yöntemler kullanılarak ancak kısmen net bir şekilde hesaplanabilmekte. Küçük ama inatçı bir kısmı, kuramcıların çabalarından kaçıyor.
İki şekilde net sonuçlara ulaşmaya çalışıyorlar:
Deneysel verilerin yardımıyla
Bilgisayar simülasyonlarıyla
Bu prosedürlere “kafes gösterge teorisi hesaplamaları” denir; çünkü temel gösterge teorileri küçük boyut ölçeklerinde bir kafes üzerinde hesaplanır.
Bu, deneysel verilere başvurmadan yapılabilir ancak hesaplama açısından karmaşık. En hızlı süper bilgisayarlar ancak son zamanlarda kabul edilebilir yanılma payı ile anlamlı veriler üretebilmekte.
G-faktörü için yeni kafes teorisi değerleri eski tahminlerden farklı ve Fermilab’da ölçülen değerlerle uyumlu.
Geleneksel hesaplama yöntemleri için de yeni dürtüler var. CMD-3 Experiment deneyi, g-faktörünün geleneksel belirlenmesini etkileyen ve aynı zamanda yeni ölçülen değer yönünde kaydıran hassas ölçümler yayınladı.
Şimdilik, eski bir atasözü doğrulanıyor gibi görünüyor:
“Standart model öldü, yaşasın standart model!”
BUNLARADA GÖZ AT👇