Manyetik alanlarla etkileşime giren atom altı parçacıklardan yeni haberler var. İşte bu yeni haberler bildiğimiz fiziğe katkıda bulunacak öyle ki fizikte önemli bir güncellemeyi zorunlu kılabilir.

Bu yeni haberler bu defa ABD’nin CERN’i olan Fermilab’tan geliyor. Chicago'nun eteklerindeki Fermi Ulusal Laboratuvarında (Fermilab) toplanan bilim insanları, 10 Ağustos 2023'te, müonların manyetik alanla etkileşim biçiminin yeni ve daha hassas bir ölçümünü duyurdu.

Bu güncelleme büyük bir merakla bekleniyordu çünkü önceki ölçümler, parçacık fiziğinin Standart Modelinin öngörüleriyle uyuşmuyordu. Bu tutarsızlık ise olası bir beşinci doğa kuvvetinden söz edilmesine yol açmıştı.

Bildiğiniz gibi bu gün dört temel kuvvet olduğunu düşünüyoruz. Bunlar; Kütle çekimi, elektromanyetik kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ve zayıf nükleer kuvvet. Nükleer kuvvet çekirdek kuvveti olarak daha Türkçeye uyumlu olduğu için yazının geri kalan bölümünde çekirdek kuvveti olarak söz edeceğiz. 

Kütle çekimini tanımlayan teori görelilik. Elektromanyetik kuvvet ile çekirdek kuvvetlerini parçacık fiziğinin Standart Modeli tanımlamakta. Eğer yeni bir kuvvetten söz edeceksek Standart Model’in ötesinde olacaktır. Bu nedenle yaşadığımız dünyanın hatta evrenin içine gömülü fiziği anlamamızda çok yardımcı olacaktır.

Bütün fizikçiler biliyor ki ortada bir takım parçalar eksik. Standart Model bize birçok fenomeni açıklasa da sonuçta bir “Her Şeyin Teorisi” değil. Bakalım Fermilab’tan gelen bilgiler fizikçilerin çektikleri atılım açlığını giderecek mi?

Neden fizikçiler yeni bilgilere aç? Örneğin Standart Model az önce yukarıda sözünü ettiğimiz kütle çekimini içermiyor. Hatta görelilik ile Standart Model çok yüksek enerjiler söz konusu olduğunda birbiriyle tutarsız sonuçlar üretiyor. Mevcut teoriyle uyuşmayan her ölçüm, daha büyük ve daha iyi (daha açıklayıcı) olabilecek bir teoriye dair ipuçları olarak görülüyor.

Fermilab'ta yapılan müon deneyleri sayesinde böyle bir atılım yakın olabilir. Müonlar, Standart Model'e göre temel parçacıklardır yani maddenin temel yapı taşlarından biridir. Müon, elektrona çok benzer ama yaklaşık 210 kat daha ağır bir parçacıktır.

Müonlar elektrik yükü taşır ve "spin" denilen açısal momentuma sahiptir. Bu da küçük bir manyetik momente (çubuk mıknatıs veya Dünya gezegeni gibi kuzey ve güney kutupları olan bir eksen) sahip oldukları anlamına gelir.

Fermilab'daki deney, milyarlarca müonu bir depolama halkasına topluyor. Halka, çok hassas bir şekilde kalibre edilmiş elektrik alanlar ve manyetik alanlarla yönetiliyor. Ardından, müonlar halkanın etrafında dolaşırken manyetik eksenlerinin nasıl yalpaladığı (presesyon) ölçülüyor.

Bu yalpalamalar Standart Model'de çok hassas bir şekilde hesaplanabiliyor. Hesaplamalarda "sanal" parçacıklar kullanılıyor. Bunlar doğrudan gözlemlenmeyen ancak kuantum döngülerinde geçici görünümler yaparak sonuçları etkileyen teorik parçacıklar.

Yapılan ölçümler tahminlerle uyuşmuyorsa bu durum, döngülerde ortaya çıkan bilinmeyen bir parçacık olduğunun işareti olabilir. İşte böyle bir parçacık belki de beşinci bir kuvvetin taşıyıcısı olabilir. Bu parçacık, elektromanyetik kuvveti taşıyan bir fotona eş değer olacaktır ama Standart Model'in bir parçası olmayacaktır.

Fermilab'ın yeni ölçümü, etkileyici bir başarı çünkü daha önce ölçülmüş değeri, çok daha yüksek bir hassasiyetle doğruluyor. Ancak beşinci bir kuvvet keşfettiğimizi söyleyebilmek için çözülmesi gereken iki büyük sorun var.

Birincisi, ölçüm o kadar hassas ki teorinin kesinliğine meydan okuyor. Söz konusu tutarsızlık, teorik hesaplamaların geniş ölçüde kabul gören bir kombinasyonuna dayanıyor; ancak ölçüme bu kombinasyondan daha yakın olan bazı yeni tahminler var ve tahminlerin hepsi de birbiriyle tutarlı değil.

Bu farklılıklar yeni fizik yasalarının işareti olabilir ama gördüğümüzün beşinci kuvvet olduğunu iddia edebilmemiz için kesinlikle çözülmeleri gerekiyor. İkinci sorun ise daha incelikli ve daha heyecan verici.

Tutarsızlık doğrulanırsa, tam olarak ne olduğunu bilmesek de yeni bir şeyler olduğundan emin olabiliriz.

İdeal sonuç, tutarsızlığın yeni teorik fikirler doğurmasıdır. Örneğin, yeni kuvveti -tabii böyle bir kuvvet varsa- taşıyan parçacığı nasıl bulabileceğimize dair tahminler ileri sürebiliriz.

Nihai doğrulama ise ancak bu parçacığı doğrudan keşfedecek bir deneyin yapılmasıyla gerçekleşebilir. Tıpkı Robert Brout, François Englert ve Peter Higgs'in fikirlerinin ancak Higgs bozonunun keşfiyle doğrulanması gibi.

Standart Model'le çelişen ölçümlerin görüldüğü başka deneyler de var. Örneğin CERN Büyük Hadron Çarpıştırıcısındaki (LHC) deneylerden elde edilen çeşitli ölçümlerde bazı tutarsızlıklar mevcut. Ancak fizikte yeni alanlar keşfedildikçe tutarsızlıkların ortaya çıkması kaçınılmaz bir durum. Daha fazla veri topladıkça ve tutarsızlıkların ortaya çıktığı deneyler daha iyi anlaşıldıkça bu gibi anomaliler sonradan çözüme kavuşabiliyor.

Zamanı geldiğinde Fermilab daha da hassas bir ölçüm yaparak sonuçları güncelleyecek. LHC de önümüzdeki yıllarda çok daha fazla veri toplanacak. LHC'de çalışan fizikçiler, yeni ve hassas ölçümlere dayanarak çözüme kavuşmamış tutarsızlıkları sürekli izliyor olacak.

Bununla birlikte müon manyetik momenti, ölçümlerle Standart Model arasında süregelen en uzun süreli ve en önemli tutarsızlıklardan biri. Ölçümün yanlış olma ihtimali çok düşük. Yani teoriye dair tahminler çözülürse Standart Model'in ötesinde yeni bir şeyin ilk sağlam kanıtı ortaya çıkabilir ve o şey, doğanın beşinci kuvveti olabilir.

Levent Aslan

24 Mayıs 2024

Kaynak : Popular Science