Editörün notu: 8 Ekim 2013'te Peter Higgs ve Francois Englert, Higgs bozonu üzerindeki çalışmaları nedeniyle Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı. Aşağıda, bilim köşe yazarımız Brian Greene, keşfin arkasındaki bilimi açıklıyor.

Bu Hikayeden

[×] KAPAT



CERN'in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki parçacık çarpışmalarında bulunması zor Higgs bozonunu tespit etmeye yönelik iki deneyden biri olan ATLAS dedektörü, yüz 747 jet ağırlığında ve 1.800 milden fazla kablo barındırıyor.(Claudia Marcelloni / CERN)



Büyük Hadron Çarpıştırıcısındaki Kompakt Müon Solenoidi, hareket halindeyken parçacıkları yakalar.(Michael Hoch / CERN)

Çizim tahtasına geri dönelim: Fizikçi Peter Higgs, bir parçacığın kütlesinin kaynağını tanımlayan ünlü denklemini karalıyor. Doğruluğunu kanıtlamak yarım yüzyıl alacaktı.(Stuart Wallace / Splash News / Newscom)



Ekip, parçacık çarpışmalarında bulunması zor Higgs bozonunu tespit etmek için yapılan iki deneyden biri olan ATLAS dedektörü ile çalışıyor.(Claudia Marcelloni / CERN)

sahra ne zaman çöl oldu

Kurulumdan önce, CMS dedektörünün parçaları CERN'deki bir temizlik odasında yaşıyordu.(Maxilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN)

CMS dedektöründeki mıknatıs, Dünya'nınkinden 100.000 kat daha güçlü bir manyetik alan üretir.(Gobin / CERN)



Higgs bozonunun imzalarını tespit etmeye yönelik iki deneyden biri olan CMS dedektörünün yakından görünümü.(Gobin / CERN)

Higgs bozonu doğrudan tespit edilemeyecek kadar kısa görünse de, CMS'deki fizikçiler proton-proton çarpışmalarından sonra geride kalan parçacıkların yağmurlarını inceleyerek varlığını çıkarabilirler.(T. McCauley, L. Taylor / CERN)

Fotoğraf Galerisi

Fizik yıllıklarındaki ünlü bir hikaye, yatakta hasta olan ve babasından bir oyuncak pusula alan 5 yaşındaki Albert Einstein'ı anlatır. Çocuk, dinlenme pozisyonu bozulduğunda pusula iğnesini kuzeyi gösterecek şekilde yönlendiren, iş başındaki görünmez güçler karşısında hem şaşırmış hem de büyülenmişti. Einstein'ın daha sonra söylediği bu deneyim, onu doğada derin ve gizli bir düzen olduğuna ikna etti ve hayatını bunu ortaya çıkarmaya çalışmakla geçirmeye zorladı.

Hikaye bir asırdan daha eski olmasına rağmen, genç Einstein'ın karşılaştığı muamma, çağdaş fizikte son 50 yıldaki en önemli deneysel başarı için gerekli olan anahtar bir tema ile yankılanıyor: bir yıl önce bu Temmuz'da yapılan keşif , Higgs bozonunun.

Açıklamama izin ver.

Genel olarak bilim ve özel olarak fizik, kalıpları arar. Bir yayı iki kat uzatın ve iki kat direnci hissedin. Bir desen. Kütlesini sabit tutarken bir nesnenin kapladığı hacmi artırın ve suda daha yüksekte yüzer. Bir desen. Araştırmacılar, kalıpları dikkatlice gözlemleyerek, matematiksel denklemlerin dilinde ifade edilebilecek fiziksel yasaları ortaya çıkarırlar.

Pusula durumunda da net bir desen belirgindir: Onu hareket ettirin ve iğne tekrar kuzeyi gösterir. Genç bir Einstein'ın, asılı metal iğnelerin kuzeye itilmesini şart koşan genel bir yasa olması gerektiğini düşündüğünü hayal edebiliyorum. Ama böyle bir yasa yok. Bir bölgede bir manyetik alan olduğunda, belirli metalik nesneler, yön ne olursa olsun, onları alanın yönü boyunca hizalayan bir kuvvete maruz kalır. Ve Dünya'nın manyetik alanı kuzeyi gösteriyor.

Örnek basit ama ders derin. Doğanın kalıpları bazen iç içe geçmiş iki özelliği yansıtır: temel fiziksel yasalar ve çevresel etkiler. Bu, doğanın doğaya karşı beslenme versiyonudur. Pusula söz konusu olduğunda, ikisini çözmek zor değildir. Bir mıknatısla manipüle ederek, mıknatısın yönünün iğnenin yönünü belirlediğini kolayca sonuca varırsınız. Ancak çevresel etkilerin çok yaygın olduğu ve manipüle etme yeteneğimizin ötesinde, etkilerini tanımak çok daha zor olacak başka durumlar da olabilir.

Fizikçiler, fizik yasalarını araştıran, ancak sulu dünyalarına o kadar alışmış olan balıklar hakkında bir mesel anlatırlar, onun etkisini hesaba katmazlar. Balıklar, bitkilerin hafif sallanmasını ve kendi hareketlerini açıklamakta büyük bir mücadele veriyor. Sonunda buldukları yasalar karmaşık ve hantaldır. Sonra, parlak bir balık bir atılım yapar. Belki de karmaşıklık, karmaşık, viskoz, sıkıştırılamaz ve her yeri kaplayan bir sıvıyla dolu olan karmaşık bir ortamda hareket eden basit temel yasaları yansıtıyor: okyanus. İlk başta, anlayışlı balık göz ardı edilir, hatta alay edilir. Ancak yavaş yavaş diğerleri de çevrelerinin, aşinalıklarına rağmen, gözlemledikleri her şey üzerinde önemli bir etkisi olduğunu fark ederler.

Mesel eve düşündüğümüzden daha mı yakın? Çevrenin, şimdiye kadar anlayışımıza uygun şekilde katlamayı başaramadığımız başka, ince ama yaygın özellikleri olabilir mi? Cenevre'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı tarafından Higgs parçacığının keşfi, fizikçileri cevabın kocaman bir evet olduğuna ikna etti.

Yaklaşık yarım yüzyıl önce, Peter Higgs ve bir avuç başka fizikçi, temel bir fiziksel özelliğin kökenini anlamaya çalışıyordu: kütle. Kütleyi bir cismin ağırlığı veya biraz daha kesin olarak hareketini değiştirmeye karşı gösterdiği direnç olarak düşünebilirsiniz. Hızını artırmak için bir yük trenini (veya tüyü) itin ve hissettiğiniz direnç kütlesini yansıtır. Mikroskopik düzeyde, yük treninin kütlesi, temel parçacıklardan, elektronlardan ve kuarklardan inşa edilmiş olan kurucu moleküllerinden ve atomlarından gelir. Ama bu ve diğer temel parçacıkların kütleleri nereden geliyor?

1960'larda fizikçiler, kuantum fiziğine dayanan denklemleri kullanarak bu parçacıkların davranışlarını modellediklerinde, bir bilmeceyle karşılaştılar. Parçacıkların hepsinin kütlesiz olduğunu hayal etselerdi, o zaman denklemlerdeki her terim, mükemmel bir kar tanesinin uçları gibi mükemmel simetrik bir modele tıklarlardı. Ve bu simetri sadece matematiksel olarak zarif değildi. Deneysel verilerde belirgin olan kalıpları açıkladı. Ama - ve işte bilmece - fizikçiler parçacıkların kütlesi olduğunu biliyorlardı ve bu gerçeği açıklamak için denklemleri değiştirdiklerinde matematiksel uyum bozuldu. Denklemler karmaşık ve hantal hale geldi ve daha da kötüsü tutarsız hale geldi.

Ne yapalım? İşte Higgs'in öne sürdüğü fikir. Parçacıkların kütlelerini güzel denklemlerin boğazına itmeyin. Bunun yerine, denklemleri bozulmamış ve simetrik tutun, ancak özel bir ortamda çalıştıklarını düşünün. Tüm uzayın, parçacıklar içinden hızlandıklarında onlara bir sürükleme kuvveti uygulayan görünmez bir maddeyle (şimdi Higgs alanı olarak adlandırılır) eşit şekilde doldurulduğunu hayal edin. Hızını artırmak için temel bir parçacığı itin ve Higgs'e göre bu sürükleme kuvvetini bir direnç olarak hissedeceksiniz. Haklı olarak, direnci parçacığın kütlesi olarak yorumlarsınız. Zihinsel bir ayak için, suya batırılmış bir pinpon topunu düşünün. Pinpon topunu ittiğinizde, suyun dışında olduğundan çok daha büyük hissedecektir. Sulu ortamla etkileşimi, ona kütle kazandırma etkisine sahiptir. Yani Higgs alanına batırılmış parçacıklarla.

1964'te Higgs, önde gelen bir fizik dergisine bu fikri matematiksel olarak formüle ettiği bir makale gönderdi. Kağıt reddedildi. Teknik bir hata içerdiği için değil, uzaya nüfuz eden, kütlelerini sağlamak için parçacıklarla etkileşime giren görünmez bir şeyin öncülü, yani, hepsi aşırıya kaçılmış spekülasyon yığınları gibi görünüyordu. Derginin editörleri, bunun fizikle bariz bir ilgisi olmadığını düşündüler.

etiyopya ortodoks kilisesi ahit sandığı

Ancak Higgs sebat etti (ve gözden geçirilmiş makalesi o yıl başka bir dergide yayınlandı) ve teklifi incelemek için zaman ayıran fizikçiler, yavaş yavaş onun fikrinin bir dahi olduğunu fark ettiler, hem pastalarını yiyip hem de yemelerini sağlayan bir fikir . Higgs'in şemasında, temel denklemler bozulmamış formlarını koruyabilirler çünkü parçacıkların kütlelerini sağlamanın kirli işi çevreye havale edilir.

1964'te Higgs'in önerisinin ilk reddedilişine tanık olmak için ortalıkta olmasam da (evet, etraftaydım ama çok az), 1980'lerin ortalarında değerlendirmenin değiştiğini doğrulayabilirim. Fizik topluluğu, çoğunlukla, uzaya nüfuz eden bir Higgs alanı olduğu fikrine tamamen inanmıştı. Aslında, Parçacık Fiziğinin Standart Modeli (fizikçilerin maddenin parçacıklarını ve birbirlerini etkiledikleri baskın güçleri tanımlamak için bir araya getirdikleri kuantum denklemleri) olarak bilinen şeyi kapsayan bir lisansüstü derste, profesör Higgs'i sundu. alan o kadar kesindi ki, uzun bir süredir deneysel olarak henüz kurulmadığını bilmiyordum. Bazen, bu fizikte olur. Matematiksel denklemler bazen o kadar inandırıcı bir hikaye anlatabilir ki, gerçeği o kadar güçlü bir şekilde yayabilir ki, onları doğrulayacak veriler olmadan önce bile çalışan fizikçilerin yerel diline yerleşirler.

Ancak gerçekliğe bir bağlantı yalnızca verilerle oluşturulabilir. Higgs alanını nasıl test edebiliriz? İşte burada Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) devreye giriyor. İsviçre, Cenevre'nin altında yüzlerce yarda dolaşan, Fransız sınırını geçip tekrar geri dönen LHC, yaklaşık 17 mil uzunluğunda dairesel bir tüneldir ve bir yarış pisti görevi görür. madde parçacıklarını birbirine çarparak. LHC, yaklaşık 9.000 süper iletken mıknatısla çevrilidir ve tünelin etrafında her iki yönde dönen, akan proton ordularına ev sahipliği yapar; bu mıknatıslar, ışık hızının biraz gerisinde kalacak şekilde hızlanır. Bu hızlarda, protonlar tünelin etrafında saniyede yaklaşık 11.000 kez dönerler ve mıknatıslar tarafından yönlendirildiklerinde, göz açıp kapayıncaya kadar milyonlarca çarpışmaya girerler. Çarpışmalar, sırayla, mamut dedektörlerinin yakaladığı ve kaydettiği havai fişek benzeri parçacık spreyleri üretir.

10 milyar dolara mal olan ve onlarca ülkeden binlerce bilim insanını içeren LHC'nin ana motivasyonlarından biri Higgs alanı için kanıt aramaktı. Matematik, eğer fikir doğruysa, eğer gerçekten bir Higgs alanı okyanusuna dalmışsak, o zaman şiddetli parçacık çarpışmalarının, iki çarpışan denizaltının etraflarındaki suyu sallaması gibi, alanı sallayabilmesi gerektiğini gösterdi. Ve ara sıra, uzun zamandır aranan Higgs parçacığı olarak görünecek olan, alanın bir lekesini -Higgs okyanusunun küçük bir damlasını- fırlatmak için sallanma tam olarak doğru olmalıdır.

Amerika'da ilk kitlesel çekim neydi

Hesaplamalar ayrıca Higgs parçacığının kararsız olacağını ve saniyenin çok küçük bir bölümünde diğer parçacıklara ayrışacağını gösterdi. Güçlü bilgisayarlarla donanmış bilim adamları, çarpışan parçacıkların ve dalgalanan parçacık bulutlarının girdabında Higgs'in parmak izini arayacaktı - denklemler tarafından dikte edilen bir bozunma ürünleri modeli.

4 Temmuz 2012 sabahın erken saatlerinde, Cenevre'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı tesislerinde bir basın konferansının canlı yayınını izlemek için Aspen Fizik Merkezi'ndeki bir konferans odasında yaklaşık 20 diğer cesur adamla bir araya geldim. Yaklaşık altı ay önce, LHC verilerini toplamak ve analiz etmekle görevli iki bağımsız araştırmacı ekibi, Higgs parçacığının bulunduğuna dair güçlü bir işaret açıkladı. Şimdi fizik camiasında dolaşan söylenti, ekiplerin nihayet kesin bir iddiada bulunmak için yeterli kanıtları olduğuydu. Peter Higgs'in Cenevre gezisini yapmasının istendiği gerçeğiyle birleştiğinde, duyuruyu canlı dinlemek için saat 3'ten sonra kalmak için yeterli motivasyon vardı.

Ve dünya hızla öğrenmeye başladıkça, Higgs parçacığının tespit edildiğine dair kanıt, keşif eşiğini geçecek kadar güçlüydü. Higgs parçacığının resmi olarak bulunmasıyla, Cenevre'deki seyirciler, Aspen'deki küçük grubumuzun yaptığı gibi çılgınca bir alkış kopardı ve şüphesiz dünya çapında onlarca benzer toplantı yapıldı. Peter Higgs bir gözyaşını sildi.

Bir yıllık geçmişe bakışla ve yalnızca Higgs için davayı daha güçlü hale getirmeye hizmet eden ek verilerle, keşfin en önemli sonuçlarını şu şekilde özetleyeceğim.

Birincisi, uzayda görünmez canlılar olduğunu uzun zamandır biliyorduk. Radyo ve televizyon dalgaları. Dünyanın manyetik alanı. Yerçekimi alanları. Ama bunların hiçbiri kalıcı değil. Hiçbiri değişmez. Hiçbiri evrende aynı şekilde mevcut değildir. Bu bağlamda, Higgs alanı temelde farklıdır. Değerinin Dünya'da Satürn'ün yakınında, Orion Bulutsusu'nda, Andromeda Galaksisi boyunca ve diğer her yerde aynı olduğuna inanıyoruz. Anlatabildiğimiz kadarıyla, Higgs alanı uzamsal dokuya silinmez bir şekilde basılmıştır.

İkincisi, Higgs parçacığı, on yıllardır yaygın olarak beklenen ancak hiç görülmemiş olan yeni bir madde biçimini temsil ediyor. 20. yüzyılın başlarında fizikçiler, parçacıkların kütlelerine ve elektrik yüklerine ek olarak üçüncü bir tanımlayıcı özelliğe sahip olduklarını fark ettiler: spinleri. Ancak bir çocuğun tepesinden farklı olarak, bir parçacığın dönüşü değişmeyen içsel bir özelliktir; zamanla hızlanmaz veya yavaşlamaz. Elektronlar ve kuarkların hepsi aynı dönüş değerine sahipken, fotonların -ışık parçacıklarının- dönüşü elektronların ve kuarklarınkinin iki katıdır. Higgs parçacığını tanımlayan denklemler, diğer temel parçacık türlerinin aksine, hiç dönüşü olmaması gerektiğini gösterdi. Büyük Hadron Çarpıştırıcısından alınan veriler şimdi bunu doğruladı.

Maddenin yeni bir formunun varlığını tespit etmek nadir görülen bir başarıdır, ancak sonuç başka bir alanda yankı uyandırır: kozmoloji, tüm evrenin nasıl başladığını ve şu anda tanık olduğumuz forma nasıl geliştiğini gösteren bilimsel çalışma. Uzun yıllar boyunca, Big Bang teorisini inceleyen kozmologlar engellendi. Evrenin başlangıçtan sonraki bir saniyeden itibaren nasıl evrimleştiğine dair sağlam bir açıklamayı bir araya getirmişlerdi, ancak ilk etapta uzayı neyin genişlemeye başlamasına neden olan konusunda herhangi bir fikir veremediler. Hangi kuvvet bu kadar güçlü bir dışa itme uygulayabilirdi? Tüm başarısı için, Big Bang teorisi patlamayı dışarıda bıraktı.

1980'lerde, yüksek sesle bir Higgs zili çalan olası bir çözüm keşfedildi. Eğer uzayın bir bölgesi, tanecikli bileşenleri spinsiz olan bir alanla düzgün bir şekilde kaplanırsa, o zaman Einstein'ın yerçekimi teorisi (genel görelilik teorisi), güçlü bir itici kuvvetin üretilebileceğini ortaya çıkarır - bir patlama ve bunda büyük bir kuvvet. Hesaplamalar, bu fikri Higgs alanı ile gerçekleştirmenin zor olduğunu gösterdi; parçacık kütleleri sağlama ve patlamayı körükleme şeklindeki ikili görev, önemli bir yük olduğunu kanıtlıyor. Ancak anlayışlı bilim adamları, ikinci bir Higgs benzeri alan (aynı kaybolan dönüşe, ancak farklı kütle ve etkileşimlere sahip) varsayarak, yükü -bir alan kütle ve diğeri itici itme için- bölebileceklerini ve zorlayıcı bir açıklama sunabileceklerini fark ettiler. patlamanın. Bu nedenle, 30 yıldan fazla bir süredir teorik fizikçiler, Higgs benzeri alanların önemli bir rol oynadığı kozmolojik teorileri şiddetle araştırıyorlar. Bu fikirleri geliştiren binlerce dergi makalesi yazıldı ve bu teorilerin evrenimizi doğru bir şekilde tanımladığına dair dolaylı kanıt arayan ve bulan derin uzay gözlemlerine milyarlarca dolar harcandı. LHC'nin bu tür en az bir alanın gerçekten var olduğunu doğrulaması, böylece çok daha sağlam bir temele bir kozmolojik teori nesli yerleştirir.

Son olarak ve belki de en önemlisi, Higgs parçacığının keşfi, matematiğin evrenin işleyişini ortaya çıkarma gücünün şaşırtıcı bir zaferidir. Fizikte defalarca özetlenen bir hikaye, ancak her yeni örnek aynı şekilde heyecan veriyor. Kara deliklerin olasılığı, Alman fizikçi Karl Schwarzchild'in matematiksel analizlerinden ortaya çıktı; sonraki gözlemler kara deliklerin gerçek olduğunu kanıtladı. Big Bang kozmolojisi, Alexander Friedmann'ın ve ayrıca Georges Lemaître'nin matematiksel analizlerinden ortaya çıktı; sonraki gözlemler de bu görüşün doğru olduğunu kanıtladı. Anti-madde kavramı ilk olarak kuantum fizikçisi Paul Dirac'ın matematiksel analizlerinden ortaya çıktı; sonraki deneyler bu fikrin de doğru olduğunu gösterdi. Bu örnekler, büyük matematiksel fizikçi Eugene Wigner'ın, matematiğin fiziksel evreni tanımlamadaki mantıksız etkinliğinden söz ederken ne demek istediği konusunda bir fikir verir. Higgs alanı, parçacıklara kütle kazandırmak için bir mekanizma arayan matematiksel çalışmalardan ortaya çıktı. Ve bir kez daha matematik uçan renklerle geldi.

Ben de bir teorik fizikçi olarak, Einstein'ın birleşik teori dediği şeyi bulmaya kendini adamış birçok kişiden biri olarak, Einstein'ın, pusulanın gizemli işleyişiyle fiziğe bağımlı olduktan uzun süre sonra hayalini kurduğu tüm doğa güçleri ve madde arasındaki derin gizli bağlantıları - Higgs'in keşfi özellikle sevindirici. Çalışmamız matematik tarafından yönlendiriliyor ve şimdiye kadar deneysel verilerle temas kurmadı. Yeni verilerin teorilerimizin doğru yönde ilerlediğine dair kanıt sağlama şansı olduğu için, yükseltilmiş ve daha güçlü bir LHC'nin tekrar devreye gireceği 2015'i endişeyle bekliyoruz. Başlıca kilometre taşları, denklemlerimizin öngördüğü, şimdiye kadar görülmemiş bir parçacık sınıfının (süpersimetrik parçacıklar olarak adlandırılır) keşfini veya hepimizin deneyimlediği üçün ötesinde uzaysal boyutların vahşi olasılığının ipuçlarını içerecektir. Daha da heyecan verici olanı, hepimizi karatahtalarımıza geri döndüren tamamen beklenmedik bir şeyin keşfi olurdu.

Birçoğumuz bu matematiksel dağları 30 yıldır, hatta bazılarımız daha da uzun süredir ölçeklendirmeye çalışıyoruz. Bazen birleşik teorinin parmak uçlarımızın ötesinde olduğunu hissettik, diğer zamanlarda ise gerçekten karanlıkta el yordamıyla ilerliyoruz. Higgs'in onaylanmasına tanık olmak, LHC dedektörlerinde patlamalar ve çatırtılar olarak gerçekleşen dört on yıllık matematiksel içgörülere tanık olmak bizim kuşağımız için büyük bir destek. Nobel ödüllü Steven Weinberg'in sözlerini kalpten almamızı hatırlatıyor: Hatamız teorilerimizi çok ciddiye almamız değil, onları yeterince ciddiye almamamızdır. Masalarımızda oynadığımız bu sayıların ve denklemlerin gerçek dünyayla bir ilgisi olduğunu anlamak her zaman zordur. Bazen, bu sayılar ve denklemler, gerçekliğin karanlık köşelerini aydınlatmak için esrarengiz, neredeyse ürkütücü bir yeteneğe sahiptir. Bunu yaptıklarında, kozmostaki yerimizi kavramaya o kadar yaklaşırız.



^