The Higgs Boson – … hakkında

With the discovery of the Higgs boson, the broken symmetry of Electroweak interaction in Standard Model can be explained experimentally. Thus, if the gravitional force is put aside for a moment, our mass conseptions can get more clear state. To summarize briefly;

In the standard model, an atom consists of nucleus and electrons orbiting around nucleus. Inside of nucleus, quarks (there are 6 quarks with their symetry particle) form the protons (combination of 3 generations 2 up and 1 down quarks) and neutrons (combination of 3 generations 1 up and 2 down quarks). These quarks both make 3 fundamental forces which are electromagnetism,  strong and weak nuclear forces, and also feel effect of these forces. But the most famous Lepton, electron, is not affected by the strong  nuclear force.

These three fundamental forces (electromagnetism,  strong and weak nuclear forces) are transported with the help of the paticles called boson. For example, gluons, which has 8 types, transfer the strong nuclear force. The others, Electromagnetism and the weak nuclear forces are identified as Electroweak interaction; and they are sitting on a different symmetry in Electroweak interaction theory. This Electroweak interaction are also transported by 4 bosons; Photon (γ), Z boson, W+ boson and W- boson.

But there were two main weak points in theory of Electroweak interaction. First; it predicted long-range four particles called “adjustment” bosons. But there is only one boson fits this prediction in nature; this is the photon whose range is unlimited. The other three boson (Z, W +, W-) have very short range (shorter than 1% of the proton radius). The second weak point is that although symmetry of this theory don’t allow the quarks and leptons have mass, they have mass actually ?!?!

To explain these gaps, it is thought that the symmetry in this theory should have been broken; and so inspired by superconductors that seemed totally unrelated with this area, a new theory have been came up. Although the laws of electromagnetism are also symmetric, behavior of electromagnetism in the superconducting material is not symmetric. Such as a photon can gain some mass in the superconducting material, so it limits to enter into the magnetic material.

This phenomenon has been seen as a perfect prototype for Electroweak interaction theory. And it was thought that, if the space is filled with a superconductor area which effects weak interaction instead of electromagnetism, so it gives mass to Z and W bosons, and limits the range of their weak interactions. The particles, that make up this superconductor area, are called as the Higgs bosons. Leptons and quarks get their mass from interactions with Higgs Boson. And thanks to the Higgs boson, the particals, which gain mass with this way, save the consistency with symetry requirement of weak forces.

In short, thanks to experiments at CERN, the mass conception can be improved with observing the Higgs boson. By 2011 a number of these experiments had gradually and consistently highlighted a range of energies around 125 GeV (a unit of mass for particles). On 4 July 2012, the CMS and the ATLASexperimental teams at the Large Hadron Collider independently announced that they confirmed the formal discovery of a previously unknown boson of mass between 125–127 GeV, whose behaviour so far was “consistent with” a Higgs boson, noting that further data and analysis were needed before positively identifying the particle beyond doubt [wiki/Higgs_boson]. For visual information, please see the video …

Higgs bozonunun keşfiyle birlikte, artık Standart Model içindeki Elektrozayıf Kuvvetler kuramının kırılan simetrisi gözlemsel olarak da açıklanabildi. Böylece, kütle çekim kuvvetini şimdilik bir yana bırakırsak, madde ile ilgili kavrayışımız daha berrak bir hal alabildi. Kısaca özet  geçmek gerekirse;

Standart Modelde, atom, çekirdek ve etrafında dönen elektronlardan oluşur. Çekirdeğin içinde ise proton ve nötronları oluşturan kuarklar (3 nesli olan yukarı ve aşağı kuark kombinasyonları şeklinde, ayrıca toplam 6 kuark türü vardır vardır). Bu kuarklar 3 temel kuvvet olan elekromanyetizma, şiddetli ve zayıf kuvvetleri hem ortaya çıkartıyor hemde etkilerini duyuyorlar. Ama 6 Lepton türü içinde en bilinen lepton olan elektron ise bu şiddetli çekirdek kuvvetinden etkilenmiyor.

Bu 3 temel kuvvet (elekromanyetizma, şiddetli ve zayıf kuvvetler) ise bozon denilen parçacıkları yardımı ile taşınmaktadır. Mesela gluon diye bilinen ve 8 türü olan parçacık, şiddetli çekirdek kuvvetini taşımaktadır. 2 temel doğa kuvveti olan elektromanyetizma ve zayıf çekirdek kuvveti ise, Elektrozayıf kuvvetler olarak özdeşleştiriliyor ve Elekrozayıf kuvvetlerin kuramında farklı bir simetri üzerine oturuyordu. Bu Elektrozayıf kuvvetler de bozon denilen 4 parçacık tarafından taşınıyor; FotonZ bozonu, W+ bozonu ve W- bozonu.

Elekrozayıf kuvvetlerin kuramında 2 temel zayıf noktası vardı. İlki, ayar bozonları denilen uzun menzilli 4 parçacık öngörmüştü ama doğada bu öngörüye uyan yalnızca 1 bozon vardı, o da erimi sınırsız olan foton idi. Öteki 3 bozon ise (Z, W+, W-) son derece kısa erimlere sahipti (protonun yarı çapının %1’den kısa). İkinci zayıf nokta ise, kuramdaki simetri kuark ve lepton kütlelerine izin vermezken, bu parçacıkların bir kütleye sahip olmalarıdır.

Kuramın bu boşluklarını açıklamak için, “simetrinin kırılması” gerektiği düşünülmüş ve aslında konuyla en ilgisiz görünen “süperiletkenlerden” ilham alınarak yeni bir teori ortaya atılmış. Elektromanyetizma yasalarının da simetrik olmasına karşın, elektromanyetizmanın süperiletken malzeme içindeki davranışı simetrik değildir. Mesela bir foton, süper iletken malzeme içinde kütle kazanır ve böylece manyetik malzeme içine girmesini sınırlar.

Bu olgu, aslında elekrozayıf kuram için mükemmel bir protatip olarak görüdü. Ve şöyle düşünüldü; eğer uzay, elektromanyetizma yerine zayıf etkileşime etki yapan bir süper iletkenle doluysa, W ve Z bozonlarına kütle verir ve zayıf etkileşimlerinin erimlerini sınırlar. Bu süperiletkeni oluşturan parçacıklara da Higgs bozonları denilmiştir. Kuarklar ve leptonlarda kütlelerini Higgs bozonuyla olan etkileşimden alırlar. Aslında kütleleri olmayıp, bu şekilde kütle kazanan parçacıklar, zayıf kuvvetin simetri gereksiminiyle tutarlılıklarını koruyabilirler.

Kısacası, CERN’deki deneyler sayesinde, Higgs bozonunun gözlenmesi maddeye konusundaki kavrayışımızı daha da aydınlatabildi. Son deneyler Higgs bozonunun  125 GeV/c2 (133 proton kütlesi, 10 üzeri −25 kg) değerinde bir kütleye sahip olabileceğini ortaya koydu. Daha fazla görsel bilgi ve açıklama için üstteki videoyu izleyebilirsiniz, ama İngilizce gerekiyor. Ama CERN‘de neler döndüğü anlatan şirin bir karikatürü Türkçeye çevirmiştim, buyrun ^_^ ….

Kaynak; Scientific American, Şubat 2008, Quigg, C’nin “The coming revolutions in Partical Physics” makalesinin çok kısa bir özetidir.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s