Fizikçiler CERN’de “Yeni Fizik” Keşfetmenin Eşiğindeler
LHC’de ölçülen nadir bir parçacık bozunumu, Standart Modelin ötesindeki fiziğe dair son zamanlardaki en güçlü ipuçlarından birini gösteriyor olabilir.
Nadir B mezon bozunmalarında tespit edilen son derece alışılmadık bir örüntü, araştırmacılara Standart Modelin ötesinde yeni fiziğin gizlendiğinden şüphelenmek için yeni bir neden veriyor.
Cenevre’deki CERN’de bulunan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) yürüttüğümüz araştırmalardan elde edilen yeni bulgular, bilim insanlarının şu anda bilinenin ötesindeki fiziğe dair kanıtlara daha da yaklaştığını gösteriyor.
Doğrulandığı takdirde, bu işaretler son 50 yıldır parçacık fiziğine yön veren Standart Model teorisini sorgulayabilir. Sonuçlar, LHC’de üretilen bazı atom altı parçacıkların, modelin tahminleriyle uyuşmayan şekillerde davranabileceğini gösteriyor.
Temel parçacıklar, maddenin bilinen en temel birimleridir. Daha küçük parçalara ayrılamazlar. Etkileşimleri dört temel kuvvet tarafından yönetilir: yerçekimi, elektromanyetizma, zayıf kuvvet ve güçlü kuvvet.
LHC, Fransa ve İsviçre arasındaki sınırın altında, 27 kilometre uzunluğunda dairesel bir tünelde yer alan devasa bir parçacık hızlandırıcıdır. Temel amacı, Standart Modeli test etmek ve teorinin başarısız olabileceği noktaları aramaktır.
Standart Model, bilim insanlarının temel parçacıklar ve kuvvetler için sahip oldukları en iyi açıklama olmaya devam ediyor, ancak eksik olduğu biliniyor. Yerçekimini içermiyor ve evrenin yaklaşık %25’ini oluşturduğu düşünülen, görünmez ve henüz tespit edilememiş madde biçimi olan karanlık maddeyi açıklayamıyor.
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC), keşfedilmemiş fiziğin ipuçlarını ortaya çıkarmak amacıyla zıt yönlerde hareket eden proton parçacıkları ışınları çarpıştırılıyor. Yeni sonuçlar , bu çarpışmaların analiz edildiği Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki bir deney olan LHCb’den geliyor.
Bu sonuç, B mezonları adı verilen atom altı parçacıkların bozunmasını (bir tür dönüşümünü) incelemekten elde edilmiştir. Bu B mezonlarının diğer parçacıklara nasıl bozunduğunu araştırdık ve bunun gerçekleşme biçiminin Standart Modelin tahminleriyle uyuşmadığını bulduk.
Gerilim altında bir teori
Standart Model, 20. yüzyılın fizikteki en dönüştürücü iki gelişmesi olan kuantum mekaniği ve Einstein’ın özel görelilik kuramı üzerine kurulmuştur.
Fizikçiler, teoriyi titizlikle test etmek için LHC gibi tesislerde yapılan ölçümleri Standart Model’e dayalı tahminlerle karşılaştırabilirler.
Standart Modelin eksik olduğunu bilmemize rağmen, parçacık fizikçileri 50 yılı aşkın süredir giderek daha titiz testler yaparak teoride henüz bir çatlak bulamadılar. Yani, potansiyel olarak, şimdiye kadar.
Physical Review Letters’da yayınlanan ölçümümüz , Standart Modelin beklentilerinden dört standart sapma sapma kadar bir gerilim göstermektedir.
Gerçek dünya açısından bakıldığında, deneysel sonuçlardan ve teori tahminlerinden kaynaklanan belirsizlikler dikkate alındığında, Standart Model doğruysa, verilerde bu kadar aşırı bir rastgele dalgalanmanın meydana gelme olasılığı yalnızca 16.000’de birdir.
Bu durum, bilimin altın standardı olarak bilinen beş sigma veya beş standart sapmaya (yaklaşık 1,7 milyonda bir olasılık) ulaşmasa da, kanıtlar giderek artıyor. Bu ikna edici anlatıya, 2025’in başlarında yayınlanan bağımsız bir LHC deneyi olan CMS’nin sonuçları da ekleniyor.
CMS sonuçları LHCb’den elde edilenler kadar kesin olmasa da, iyi bir uyum gösteriyor ve bu da tezi güçlendiriyor. Yeni sonuçlarımız, elektrozayıf penguen bozunumu olarak bilinen belirli bir süreç türünün incelenmesinde bulundu.
Nadir görülen bozulmalar testi daha da keskinleştirir.
“Penguen” terimi, kısa ömürlü parçacıkların belirli bir bozunma (dönüşüm) türünü ifade eder. Bu durumda, B mezonunun dört başka alt atomik parçacığa (bir kaon, bir piyon ve iki müon) nasıl bozunduğunu inceliyoruz.
Biraz hayal gücüyle, ilgili parçacıkların dizilimini bir penguene benzetebiliriz. Daha da önemlisi, bu bozunmanın ölçümleri, bir tür temel parçacığın, yani bir güzellik kuarkının, bir diğer tür olan garip kuarka nasıl dönüşebileceğini incelememizi sağlar.
Bu penguen bozunumu Standart Model’de inanılmaz derecede nadirdir: her bir milyon B mezonu için yalnızca bir tanesi bu şekilde bozunur. Bu parçacıkların bozunmada üretildiği açıları ve enerjileri dikkatlice analiz ettik ve sürecin ne sıklıkla gerçekleştiğini kesin olarak belirledik. Bu niceliklere ilişkin ölçümlerimizin Standart Model tahminleriyle uyuşmadığını bulduk.
Bu tür bozunmaların hassas bir şekilde incelenmesi, LHCb deneyinin başlıca hedeflerinden biridir ve 1994’teki başlangıcından beri böyle olmuştur. Penguen süreçleri, LHC’de doğrudan üretilemeyen potansiyel olarak çok ağır yeni parçacıkların etkilerine benzersiz bir şekilde duyarlıdır.
Bu tür parçacıklar, Standart Model’in küçük katkısının ötesinde, bu bozunmalar üzerinde ölçülebilir bir etki gösterebilir. Bu tür dolaylı gözlemler yeni değildir. Örneğin, radyoaktivite, ondan sorumlu temel parçacıkların (W bozonları) doğrudan gözlemlenmesinden 80 yıl önce keşfedilmiştir.
Yeni veriler bu anormalliği test edecek.
Nadir süreçler üzerine yaptığımız çalışmalar, aksi takdirde ancak 2070’lerde planlanan parçacık çarpıştırıcıları kullanılarak erişilebilecek doğanın bazı kısımlarını keşfetmemizi sağlıyor. Bulgularımızı açıklayabilecek çok çeşitli potansiyel yeni teoriler mevcut. Birçoğu, iki farklı madde türünü, yani “leptonları” ve “kuarkları” birleştiren “leptokuarklar” adı verilen yeni parçacıklar içeriyor.
Diğer potansiyel teoriler, Standart Model’de zaten bulunan parçacıkların daha ağır analoglarını içermektedir. Yeni sonuçlar, bu modellerin biçimini sınırlandıracak ve gelecekteki araştırmalara yön verecektir.
Heyecanımıza rağmen, Standart Modelin ötesinde fiziğin gözlemlendiğini kesin olarak iddia etmemizi engelleyen açık teorik sorular hala mevcuttur. En ciddi soru, Standart Modelde bulunan ve katkıları tahmin edilmesi son derece zor olan bir dizi süreç olan “büyülü penguenler”den kaynaklanmaktadır. Bu büyüleyici penguenlere ilişkin son tahminler, etkilerinin verilerimizi açıklayacak kadar büyük olmadığını göstermektedir.
Dahası, bir teori modeli ve LHCb’den elde edilen deneysel verilerin birleşimi, sevimli penguenlerin (ve dolayısıyla Standart Modelin) anormal sonuçları açıklamakta zorlandığını göstermektedir.
Şimdiden toplanan yeni veriler, önümüzdeki yıllarda durumu doğrulamamıza olanak sağlayacak: mevcut çalışmamızda, bu penguen bozunmalarını bulmak için 2011 ve 2018 yılları arasında kaydedilen yaklaşık 650 milyar B mezon bozunmasını inceledik. O zamandan beri, LHCb deneyi üç kat daha fazla B mezonu kaydetti.
2030’lu yıllarda LHC’ye yapılacak gelecekteki yükseltmelerden faydalanarak veri setini 15 kat daha büyütmek için daha fazla ilerleme planlanıyor . Bu nihai adım, evrenin en temel düzeyde nasıl işlediğine dair yeni bir anlayışın önünü açabilecek kesin iddiaların ortaya konmasına olanak sağlayacaktır.
Derleyen: Feyza ÇETİNKOL
Kaynak: Fizikçiler CERN’de “Yeni Fizik” Keşfetmenin Eşiğindeler
Atomun Kalbinden Gelen Hediye: Nükleer Patlamayla Oluşan Gizemli “Kuasikristal”
/Fizikçiler CERN’de “Yeni Fizik” Keşfetmenin Eşiğindeler/