Yaşayan Efsaneler Bölüm 1: Peter Ware Higgs

Peter Higgs, 29 Mayıs 1929’da Newcastle upon Tyne, İngiltere’nin Elswick bölgesinde İskoç bir anne ve BBC’de ses mühendisi olarak çalışan İngiliz bir babanın çocuğu olarak dünyaya geldi. Higgs çocukken eğitimini; astım olması, babasının işi yüzünden ailesinin sürekli taşınması ve İkinci Dünya Savaşı nedenlerinden dolayı evinde görmek zorunda kaldı. Daha sonra babası Bedford’a taşındı. O da annesi ile birlikte çocukluğunun büyük bir kısmının geçeceği Bristol’de kaldı. 12 ve 17 yaşları arasında (1941-1946) Bristol’de bulunan Cotham Grammar okuluna gitti. Okulun eski mezunlarından ve ayrıca kuantum mekaniğinin kurucularından olan Paul Dirac’tan etkilendi.

1946 yılında 17 yaşındaki Higgs, City of London okuluna başladı, matematik üzerinde yoğunlaştı. Sonrasında 1947 yılında King’s College London da öğrenim görmeye başladı. 1950 yılında, henüz 21 yaşındayken, birinci sınıf onur seviyesi ile mezun oldu. 1952 yılında mastırını tamamladı. Doktorasını 1954 yılında Charles Coulson ve Christopher Longuet-Higgins denetimi altında “Moleküler titreşimler teorisi ile ilgili problemler” başlıklı tezi ile tamamladı.

1954-1956 yılları arasında University of Edinburg’ta kidemli araştırma görevini yerine getirdi. Imperial College London ve University College London üniversitelerinde çeşitli görevlerde bulundu, ayrıca geçici olarak matematik derslerine de girdi. 1956’da kuantum alan teorisinde çalışmaya başladı. 1960 yılında Tait Institute of Mathematical Physics’te öğretim üyesi olarak görev almak için Univesity of Edinburg’a geri döndü.

Yukarıda Higgs’in 1960 yılına kadar yaşadıklarını yüzeysel bir biçimde anlattım ama asıl olay şimdi başlıyor. Yaklaşık yarım yüzyıl önce, yine 1960’lı yıllarda, Peter Higgs ve bazı başka fizikçiler temel bir fiziksel özelliğin kökenini anlamaya çalışıyorlardı: kütle. Kütleyi bir nesnenin ağırlığı olarak veya biraz daha kesin olarak, hareketinin değişmesine karşı sunduğu direnç olarak düşünebilirsiniz. Bir yük trenini veya başka bir şeyi mesela tüyü ittirdiğinizi düşünün. İttirirken hissettiğiniz direnç size o cismin kütlesini yansıtır ve yük treninin kütlesi tüyden fazla olduğu için size uygulayacağı dirençte fazla olur. Mikroskobik düzeyde, yük treninin kütlesi, temel parçacıklardan, elektronlardan ve kuarklardan inşa edilen kurucu moleküllerinden ve atomlarından gelir.

Fakat bu ve diğer temel parçacıkların kütleleri nereden geliyor?

Fizikçiler, bu parçacıkların davranışını kuantum fiziğine dayanan denklemleri kullanarak modellediklerinde, bir bilmeceyle karşılaştılar. Parçacıkların tamamen kütlesiz olduğunu hayal ettiklerinde, denklemlerdeki her bir terim, mükemmel bir kar tanesinin uçları gibi mükemmel simetrik bir modele benziyordu. Ve bu simetri sadece matematiksel olarak zarif değildi. Deneysel verilerde açıkça görülen örüntüleri açıkladı. Ama -ve işte bilmece şu- fizikçiler parçacıkların kütleye sahip olduğunu biliyorlardı ve bu gerçeği hesaba katmak için denklemleri değiştirdiklerinde, matematiksel uyum bozulmuştu. Denklemler karmaşık ve hantal hale geldi ve daha da kötüsü tutarsız hale geldi.

Sonra Higgs ortaya bir fikir attı. Parçacıkların kütlelerini güzel denklemlerin içine tüm her şeyi bozacak şekilde koymak yerine, denklemleri yine saf ve simetrik tuttu, ancak bunların özel bir ortamda çalıştığını düşündü. Tüm uzayın, içinden hızlandıklarında parçacıklara sürükleme kuvveti uygulayan görünmez bir maddeyle (şimdi Higgs alanı olarak adlandırılır.) dolduğunu hayal edin.

Hızını artırmak için temel bir parçacığı itin ve Higgs’e göre bu sürükleme kuvvetini bir direnç olarak hissedersiniz. Haklı olarak, direnci parçacığın kütlesi olarak yorumlayacaksınız. Bir masa tenisi topu düşünün. Bu topu suyun içine (her tarafı suyun içinde olacak şekilde) bastırdığınızda su, bu topu dışarda olduğundan daha büyük zannedecektir. Sulu çevre ile etkileşimi, ona kütle verme etkisine sahiptir. Bu olay Higgs alanına batık parçalarda da geçerlidir.

1964’te Higgs, bu fikri matematiksel olarak formüle edip o dönem tanınmış bir fizik dergisine göndermişti fakat makalesini reddettiler. Teknik bir hata içerdiği için değil; görünmez bir şeyin uzaya nüfuz etmesi, kütlelerini sağlamak için parçacıklarla etkileşime girmesi nedeniyle hepsi birden fazla spekülasyon gibi görünüyordu. Derginin editörleri, bunun “fizikle bariz bir ilgisi olmadığını” ileri sürerek reddetti.

Higgs bozunu,CERN-

Ancak Higgs yılmadı (ve gözden geçirilmiş makalesi o yıl başka bir dergide yayınlandı) ve öneriyi incelemek için zaman ayıran fizikçiler yavaş yavaş onun fikrinin bir deha olduğunu fark ettiler.

1980’lerin ortalarında değerlendirmenin çoğu değişti!

Ve artık fizik topluluğunun çoğu, Higgs alanının nüfuz eden bir uzay olduğu fikrine tamamen inanmıştı. Sonra, Parçacık Fiziğinin Standart Modeli (fizikçilerin madde parçacıklarını ve birbirlerini etkiledikleri baskın kuvvetleri tanımlamak için bir araya getirdikleri kuantum denklemleri) olarak bilinen şeyi kapsayan bir lisansüstü derste Profesör, Higgs alanını çok kesin bir şekilde sundu. Teorisinin matematiksel denklemlerini çok mükemmel bir şekilde yapmış ki fizik ve matematik hiç takılmadan su gibi akıyordu. Ve dinleyicilerde hikaye dinler gibi dinliyordu.

Tamam, denklemler falan gayet güzel ama böyle bir şeyi nasıl kanıtlayacağız, test edeceğiz? Burada Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) devreye giriyor. Cenevre, İsviçre’nin altında yüzlerce metre dolanan, Fransız sınırını geçen ve tekrar geri dönen LHC, madde parçacıklarını bir araya getirmek için bir yarış pisti görevi gören yaklaşık 17 mil (27-28 kilometre) uzunluğundaki dairesel bir tüneldir.

LHC, yaklaşık 9.000 süper iletken mıknatısla çevrilidir ve her iki yönde de tünelin etrafında dönen proton ordularına ev sahipliği yapar. Bu da mıknatısların ışık hızından biraz az bir şekilde hızlanmasını sağlar. Bu hızlarda, protonlar tünelin etrafında saniyede yaklaşık 11.000 kez dolanır. Ve mıknatıslar tarafından yönlendirildiğinde, göz açıp kapayıncaya kadar milyonlarca çarpışmaya girer. Çarpışmalar, sırayla, büyük dedektörlerin yakaladığı ve kaydettiği havai fişek benzeri parçacık saçıcılar üretir.

-Peter Higgs, CERN-

10 milyar dolara mal olan ve düzinelerce ülkeden binlerce bilim adamının dahil olduğu LHC’nin ana hedeflerinden biri, Higgs alanı için kanıt aramaktı. Eğer fikir doğruysa, gerçekten Higgs alanının bir okyanusuna dalmış olsaydık, o zaman şiddetli parçacık çarpışmaları, iki çarpışan denizaltıların etrafındaki suyu sallayacağı kadar alanı sallayabilmelidir. Ve zaman zaman gerçekleşen sallanmalar, uzun zamandır aranan Higgs parçacığı olarak ortaya çıkacak olan Higgs okyanusunun küçük bir damlası olan alanın bir noktasını bulmak için doğru olmalıdır.

Hesaplamalar ayrıca Higgs parçacığının kararsız olacağını ve saniyenin çok küçük bir bölümünde diğer parçacıklara parçalanacağını gösterdi.

Çarpışan parçacıklar ve dalgalanan parçacık enkazı bulutları girdabında, güçlü bilgisayarlarla donanmış bilim adamları, Higgs’in parmak izini arayacaklardı. 2012 Temmuz ayında bilim adamları 125-126 gigaelectron bir kütleye sahip bir Higgs bozonu olması muhtemel ilginç bir sinyal tespit ettiğini açıkladı. Parçacığın Higgs bozonu olduğuna dair kesin onay 2013 Mart ayında geldi.

Ve tam 7 ay sonra, 8 Ekim 2013 yılında Peter Higgs ve François Englert atomaltı parçacıkların kütlelerinin kaynağını açıklayacak teorik mekaniklerin keşfi ile Atlas-CMS deneylerinde oluşacak parçacığı öngördükleri için Nobel ödülünü kazandılar. Ve çok gariptir ki Higgs bu ödülü kazandığını telefon kullanmadığı ve medyadan uzak durduğu için eski komşusundan öğrenmiştir.

-2013 Nobel ödül töreni-

Higgs parçacığının keşfi, matematiğin evrenin işleyişini ortaya çıkarma gücünün şaşırtıcı bir zaferidir. Bu, fizikte defalarca özetlenen bir hikaye, ancak her yeni örnek aynı şekilde heyecan veriyor. Kara delik olasılığı, Alman fizikçi Karl Schwarzchild’in matematiksel analizlerinden ortaya çıktı; sonraki gözlemler kara deliklerin gerçek olduğunu kanıtladı. Big Bang kozmolojisi, Alexander Friedmann ve ayrıca Georges Lemaître’nin matematiksel analizlerinden ortaya çıktı; sonraki gözlemler de bu anlayışın 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’in “matematiğin fiziksel evreni tanımlamadaki mantıksız etkililiğinden” söz ederken ne demek istediğine dair bir bilgi veriyor. Higgs alanı, parçacıklara kütle kazandırmak için bir mekanizma arayan matematiksel çalışmalardan ortaya çıktı.

Higgs’in keşfi adeta motivasyon etkisi oluşturdu. Bu keşfin ardından Einstein’ın ‘birleşik teori’ dediği şimdi de daha çok ‘Her Şeyin Kuramı/Teorisini’ bulma çalışmalarında matematiksel denklemlerde mükemmeli elde etme ve doğru kanıtlar bulma çabaları hızlanmaya başladı. Umulur ki yakın gelecekte ‘matematiğin fiziksel evreni tanımlamadaki mantıksız etkililiğine’ yeniden tanık olunur.

Berk Keskin