Atomun içinde bulacaklarımız üzerine

 Teleskop, birkaç ufak teknik değişiklikle içe, küçüklerin dünyasına çevirildi. Mikroskop, bu cümlenin sonundaki noktaya binlercesinin rahatlıkla sığacağı mikropların engin karmaşık dünyasını açığa çıkardı. Bu dünya giderek genetiği, mikrobiyolojiyi, virüsleri ve mikroplardan yüzlerce daha küçüklerin yani atomların tuhaf yeni âlemlerini içermeye başladı. Bilimciler atomların davranışlarını açıklayabilmek için kuantum kuramını icat etmek zorunda kaldılar. Bu da 20. yüzyılın ekonomik çıktılarının büyük bir parçasını oluşturan yarıiletkenlere ve diğer teknolojilere götürdü.

Bunlar iyi bir aygıtın güçleridir. Doğanın büyük kısmı görmek için ya çok küçük, ya çok uzak ya da çok silik olduğundan, bilimsel ilerleme hep daha iyi aygıtların icadını gerektirdi.

Bugün bilim dünyası yeni bir aygıtın, “Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC)”nın (1) tamamlanışına tanık olmakta. Bu ise ucuzca bir dürbün değil. Bunun, nesnelerin özeliklerinin büyültülmesine parçacık fiziği tarihindeki en çok kat artmayı –bir hesâba göre bugünkünün 500 kat ötesine– getireceği beklenmekte.

LHC Cenevre yakınlarında, Fransa –İsviçre sınırına yakın CERN’de (Centre Européenne pour le Recherche Nucléaire-Avrupa Çekirdek Fiziği Araştırma Merkezi) bir parçacık hızlandırıcısıdır; 4,3 km yarıçaplı dev boyutlu bir yeraltı tüneli. Tünelde güçlü üstüniletken mıknatıslar protonları halka çevresinde dolandırmakta. Bunlar da muazzam enerjilere –en tepede 7 trilyon elektronvolt (2)– erişene dek çok yüksek voltajlarla hızlandırılırlar. Önümüzdeki birkaç ay içerisinde, teknisyenler koca makinaları sisteme bağlarken yüksek enerjili protonlar birbirleriyle çarpıştırılıp binlerce küçük parçacığa dağılmalarına yol açılır. Bunların kısa ve kararsız ömürleri çevredeki varlayıcılarda (3) kaydedilecek. LHC yapılan ilk hızlandırıcı değilse de en yüksek enerjiye erişecektir. Bunun anlamı şudur, içindeki çarpışmalar daha da müthiş olacak ve diğer çarpıştırıcılardakinden saniyde 100 kat daha çok çarpışma yaptırabilecektir.

Ne görülecek?

Galile’nin teleskobunun yaptığına benzer olarak, LHC de bilimcilere çok küçükler ve dolaylı olarak çok büyükler âleminde yeni içgörüler sağlayacaktır. Bilimciler LHC ile ne görecekler ki? Makinanın erişimi ve duyarlılığı yeni bir âlemi, 21. yüzyılın bir armağanı olarak ortaya çıkarabilir. Ne tür bir âlem? Geçmişi beş yüzyıllık anlayış sayesinde Galileo’nun teleskobunun öngördüklerini sırlayabiliriz, ama LHC için böyle bir lüksümüz yok. Galileo’nun bir çağdaşı, teleskoptan gelişkin bir cep telefonuna nasıl ekstrapolasyon yapabilirdi ki? İnsanların şimdiki anlayışlarıyla Galileo’dan bu yana yapılan pek çok aygıt ve donanımın ortaya çıkarttığı pek çok âlemin harmanı açısından LHC sürprizler getirecek mi?

Getirse iyi olur. Bu sıkı bütçe çağında binlerce bilimci, mühendis ve öğrencinin dünya çapında işbirliği olan LHC’nin mâliyeti 8 milyar ABD doları olup ulusal bütçelerden ciddî parçalar içerir. Önümüzdeki onyıllarda LHC’nin olabilecek çarpıcılığını anlayabilmek için, yanıtlaması amacıyla yapılmış olduğu temel sorulara bakmak gerekir. Bu aygıtın fiziksel âlemin doğasına ne denli derinlemesine bakacağını yalnız parçacık fiziği lâbirentine birkaç adım atmayı deneyerek hissedebiliriz. Şimdilerde karmaşıklık fizikçilerin sıkıntısıdır. Yakından baktıkça fiziksel âlem görünürde daha karmaşık ve işlenemez olur. Yüzyılın büyükçe bir kısmı kadar süre fizikçiler basit ve güzel bir kurama öykündüler, ama bunun yerine bulduğumuz, sayıları artan parçacıklar ve birbirlerine uymayan bir kuvvetler bataklığıydı. Tıpkı televizyon, kayıt cihazı, DVD göstericisi vb. için ayrı ayrı kumanda cihazları olmak gibi. Asıl istediğiniz ise tek bir evrensel kumanda; fizikte ise bir herşeyin kuramı. LHC’nin böyle bir şeyi sihirle sağlayacağına kimse inanmıyor ama hiç olmazsa ortalığı biraz toparlamaya yardım edeceğini umuyoruz.

LHC bize basitliği, bizi başlangıca geri götürerek getirecek. Evrenin, doğumu ânındaki hâline bir göz atmamızı sağlayacak. Bu önemlidir çünkü o sıralarda her şey çok daha basitti. Tek (şimdilik) işe yarar kuram evrenin 13,7 milyar yıl önce zaman ve uzayı yaratan bir kozmik patlamayla –büyük patlama (4)– doğmuş olmasıdır. Bu ilk anda, bugün varolan her şey –her zaman varolacak tüm madde ve enerji– hayal edilemeyecek kadar küçük bir bölgeye sıkıştırılmıştı. Bu anda iki çok farklı saha –parçacık fiziğinin mikroskop aygıtlarıyla (çoğunlukla parçacık hızlandırıcıları) ortaya çıkarılan iç uzayı ile, yer ve Hubble gibi uzay teleskoplarının sağladığı verilerle ortaya konulan kozmoloji ve astrofiziğin dış uzayı– birleşik ve aynıydı. Bebek evren genişleyip soğuyarak yıldızları ve gökadaları oluştururken küçüklerin ve büyüklerin sahaları ıraksadı. İşler çapraşmaya başladı.

Evreni ören ilkeleri anlamayı kıvırabilmek için büyük patlama ânına giderek kimi deneyler yapmak gerekir. Ne yazık ki bu Isaac Newton ya da Büyük İskender ile bir görüşme ayarlamak kadar kolay. Yapılabilecek ikinci iyi şey LHC. Bu bize evrenin ilk birkaç ânındaki kimi koşulları yineleme olanağı sağlar. Tabii ki tüm koşulları birden değil ama çarpışıp birleşerek güneşimizi ve gezegenlerini oluşturacak ilk erken parçacıkların bu davranışını düzenleyen süreçleri anlamamıza yetecek kadarını. Kuram fizikçileri, çarpıştırıcılardan içgörü edinerek maddenin en küçük bileşenlerinin nasıl anlaşıp da gökyüzündeki daha egzotik nesnelerin –kara delikler, atarcalar, yıldız patlamaları vb.– oluşturulma öyküleri dokurlar. Evrenin büyük patlamayı izleyen anlardaki koşullarını yine yaratarak LHC bize evrenin uyumlu bir betimini biçimlendirmede yardımcı olacak.

Eğer uyumlu bir görüşümüz olabilseydi fiziğin şimdiki durumunu açıklamak kolay olurdu, ama yapamıyoruz. Bunun yerine, yanıtlamak için LHC’nin yapıldığı sorulardan –her soru büyük bir yapbozun bir parçası olmak üzere– söz edelim. Soruları sıralarken yapbozun ana hatları biçimlenmeye başlar.

Neden bu denli çok parçacık?

Şimdiye kadar, her ikisi de LHC’den çok küçük Şikago’daki Fermilab’ın Tevatron’u ve CERN’in e+e– çarpıştırıcısı gibi çarpıştırıcılar fizikçilere atomların evrendeki en küçük en temel parçacıklar olmadığına ilişkin tanıtlar verdiler. Bu onur şimdi kuarklar ve leptonlar denilen daha da küçük parçacıklara veriliyor. (Tüm maddenin altı tür kuark ve altı tür leptondan kotarıldığına inanılmaktadır.) Bu yalnızca başlangıç; fotonlar, W’lar, Z’ler, tutçular (5) vb. de var. Bu neden bu denli karmaşık? Kuram fizikçilerinin giderilemeyen iyimserliği, onları bu cesaret kırıcı karmaşıklığın altında güzel bir basitlik olduğu kanısına götürmekte. Kuramcıların umutları, kuramsal fikirler matematiksel olarak işlenirken simetri kavramının oynadığı görünen rolüyle kuvvetlenmektedir. Kaleidoskoplar hayret verici karmaşık desenler gösterir, ama bunlar basit bir desen ve aynalar sistemiyle açıklanabilir. Fizikçiler LHC’nin aynalar karmaşasından doğan basit deseni görmelerine yardım edeceğini umutluyor.

Evreni birarada tutan ne?

Ayaklarımı yerde tutan kuvvet kütleçekimidir (6) ama bu, evrende var olan dört kuvvetten bir tanesidir. Bir diğeri elektromanyetizma olup bu bir çiviye tel dolayıp uçlarını pile bağlayarak bir elektromıknatıs yapan her öğrencinin tanıdığı bir şeydir. Elektromanyetizmanın hayatî rolü, kuarklarla leptonları birarada tutarak (7) atomları, atomları da bağlayarak molekülleri yapmasıdır. Atomun işi atomların çekirdeklerinde işleyen diğer iki kuvvetin –“yeğin” ve “zayıf” (8)– varlığıyla kolaylaştırılmıştır.

Fizikçileri çıldırtan ise bu dört kuvvetin karışıp birleşememesi: kütleçekimi dışındakileri birleştiren kuramlar kurabildik. Elektromanyetik kuvvetin bir kuramı vardır. Bu başarılı önsöyümler (9) yapabilmektedir. Benzer olarak zayıf kuvvet için bir kuramımız olduğu gibi yeğin kuvvet için de doyurucu bir kuramımız var. Ağlatan gereksinim ise bu üç kuvveti birleştirirken kütleçekimini de içine alan bir kuram. (Bu ise çoktandır peşinde olunan –ama adlandırılması iyi olmayan– herşeyin kuramı olacaktır.) Sıradan insanlar için kütleçekimi apaçık bir gerçek olsa da, kuram fizikçileri için sıkıntıyı azdırmaktadır. Diğer üç kuvvetin –yeğin, zayıf ve elektromanyetik– görünürde ortak bir kökeni varsa da, kütleçekimi her şeyi batırmakta.

Kütleçekiminin böylesi bir sıkıntı olduğunu kavrayabilmek labirentin derinliklerine biraz daha girmeyi gerektiriyor. Kuantum kuramına göre iki cisim arasındaki kuvvet (itici de çekici de) bir “kuvvet taşıyıcı” parçacık gerektirir. Birbirlerine top atıp tutan iki patenci düşünün. Joe topu fırlattığında geriye doğru irkilecektir, Moe ise topu tutunca gelişi yönünde irkilir. Çekim de benzer bir mekanizmayla olur. Patencilerin sırt sırta döndüklerini düşünün. Joe topu karçısındaki duvara yukarı doğru fırlatsın. Top duvardan tavana tavandan da Moe’nun baktığı duvara sıçrayıp ona gelsin. İkisinin de irkilmeleri birbirlerine doğru olacaktır!

Topa –kuvvet taşıyan parçacık– bozon (10) denilir. Her kuvvet türü için bunlardan bir başkası vardır. Daha küçük çarpıştırıcılarda çalışan deneyciler kuarklar arasında, elektrik yüklü parçacıklar arasında ve de zayıf kuvvet taşıyan bozonları buldular. Ancak, kütleçekiminin kuvvet taşıyıcısı –graviton (11) denilen bir parçacık– bütünüyle farklıdır. Parçacık hızlandırıcıları burada yararsızdır çünkü kütleçekimi kuvveti olağanüstü derecede zayıftır. Şu sınamayı yapın: Bir iğneyi elinizden bırakın; gezegenin bütünüyle çekilerek düşecektir. Şimdi iğneyi alıp buzdolabının kapağına kağıt iliştirdiğiniz mıknatıs dilimine tutturun ve bırakın. Bütün Dünyanın çekimi çuvallar, küçücük mıknatıs kazanır. Kütleçekimi kuvveti elektrik kuvvetine karşı özenle sınandığında, birin önünde 40 sıfırı olan bir sayı oranında daha zayıf olduğu bulunur.

LHC graviton oluşturacak denli güçlü mü? Hayır. Bu çok daha büyük bir çarpıştırıcı gerektirir. Gene de LHC’nin bizim Einstein’ın kütleçekimini anlayışımıza katkısı olacağına umudumuz var. Ancak, bu dolaylı olacaktır. pek çok başka olguya bakıp kütleçekimine ilişkin çıkarsamalar yapmak zorunda olacağız.

Makine şimdi işini yapmaya ancak başlasa da asıl keskinliği yıllarca belirginleşmeyecektir.

Tanrı parçacığı (12) nedir?

Kozmik kaleidoskobun içini gösterecek yollardan birisi Higgs denilen belli bir bozon türüdür. Bozonlar, hatırlayın, bir kuvvetle ilişkili parçacıklardır. Higgs bozonu diğer parçacıkların kütlelerinden sorumludur. Higgs [alanını] bir çamur tarlası (13) olarak düşünün; içinden geçerken daha yavaş, sanki ağırlığınız artmış gibi yürürsünüz (14). Higgs bozonunun varlığı da aynı şekilde parçacıklara kütle verir. Burada anlatmak için çok oyuncaklı olan sebeplerle Higgs LHC’nin kapsamına girer; yakında kesinlikle keşfedebiliriz. Bu da pek çok esr ârın kilidini açabilir. Bundan dolayıdır ki kimileri buna Tanrı parçacığı adını vermek istiyor.

Fizikçilere LHC’yi yapmanın neden gerekli olduğunu sorun, yanıt hiç değişmeden “Higgs” olacaktır. Higgs’in sözü onlarca yıldır dillerde. Bunun deneyciler kadar Birleşik Devletlerden, Avrupadan ve Japonyadan önderlerin başlarını döndürmesi etkleyicidir. Bu, pahalı parçacık hızlandırıcıları yapmak için motivasyon listesinin başında geliyor.

Sebebi şu: Higgs bizim parçacıklar ve kuvvetler cetvelindeki karmaşıklığın sebebi olabilir. Buna Higgs alanı diyelim (çamur tarlası) ve bütün uzayı kapladığını düşünelim. Higgs alanı olmadan kuarkların, leptonların ve tüm diğer parçacıkların kütleleri sıfır olurdu, dört kuvvet basitleşerek bire inerdi, kuark ve leptonların cetveli tamamen büzülüverirdi ve parçacık fizikçileri de iş ilânlarına başvurmaya başlardı.

Prof. Dr. Ömür Akyüz