Geçtiğimiz nisan ayında fizik anlayışımızı tümüyle değiştirebilecek yeni bir araştırma duyuruldu. Duyurulan bu araştırmanın sonuçları fiziğin en çok sınanan teorilerinden birinin yanlış veya eksik olabileceği anlamına geliyordu. Fermilab tarafından yürütülen bir deney, parçacık fiziğinin standart modeliyle çelişki içinde olan sonuçlar vermişti.

Muon g-2 adındaki bu deneyin sonuçları kısa sürede bilim dünyasının bir numaralı gündemi haline geldi. Çünkü atom altı dünyaya olan bakış açımızı tamamen değiştirme potansiyelindeydi. Peki, deney sonuçları ile teori arasında nasıl bir uyuşmazlık vardı da fizik algımızı tamamen değiştirme potansiyelinde olabiliyordu?

Bunu anlamak için ilk önce parçacık fiziği ve standart modele kısa bir bilgi turu yapmamız gerekecek.

Atomaltı Dünya’ya Bir Bakış

Parçacık fiziği, her şeyin temelindeki maddeyi ve ışınımı oluşturan parçacıkların incelendiği bir alt daldır. Mikro kozmosun doğasını anlama çabamızdır. Parçacık fiziğine göre temel parçacıklar iki sınıfa ayrılır: madde parçacıkları (fermiyon) ve kuvvet parçacıkları (bozon). Bunlardan biri bildiğimiz maddenin temelini oluştururken diğeri de madde arasındaki etkileşimleri meydana getirir.

Doğada 6 tip kuvvet parçacığı vardır. Bu parçacıklar adını sık sık duyduğumuz 4 temel kuvveti oluştururlar: elektromanyetik kuvvet, kütleçekim kuvveti, zayıf nükleer kuvvet, ve güçlü nükleer kuvvet.

müon
Evreni yöneten 4 kuvvet. Image Credit: Awarenergy

Parçacık fiziğinin standart modeli, bu temel kuvvetlerden üçünü bir araya getirerek gözlemlenen madde ve onlar arasındaki etkileşimleri açıklayan en kapsamlı teoridir. Her şeyin teorisinden bir adım öncesidir de diyebiliriz. Bu model sayesinde atom altı parçacıkların hareketlerini, üç temel kuvvet çerçevesinde, büyük bir hassasiyetle tahmin edebiliyoruz. Standart modelin kapsamadığı tek kuvvet ise kütleçekim kuvvetidir.

Modele göre 31 temel parçacık vardır; 6 kuvvet parçacığı, 24 madde parçacığı, ve kuarklara kütle kazandıran Higgs bozonu. Lepton ve kuarklar olarak ikiye ayrılan madde parçacıkları evrenin temelini oluşturur. Bunlardan lepton sınıfı, günümüzde aktif olmayan, evrenin ilk dönemlerinde var olmuş parçacıkları (elektron hariç) ifade eder. Evrenin bugünkü formuna ulaşmasını onlara borçlu olduğumuzu söyleyebiliriz. Kuarklarsa bir araya gelerek proton ve nötronları oluşturur.

müon
Standart modelin temel parçacıklar tablosu. Image Credit: Wikipedia

Standart model bu kadarla sınırlı değildir elbette. Lepton ve kuarkların da alt sınıfları vardır. Normal parçacıklarının yanı sıra karşıt-parçacıklar mevcuttur. Ancak yazının karmaşıklaşmaması adına bu kısımlara girmeyeceğim.

müon
Standart model’in lagrange formunda yazılan denklemi. Görüldüğü gibi standart model, basitlikten olabildiğince uzak, bazılarına göre çirkin bir teori olmasına karşın fiziğin en çok sınanan teorilerindendir. Eksikleri çoktur, ancak öngörüleri sağlamdır. CERN’de bilim insanları teoriyi daha iyi anlamak için çalışmalara devam ediyor

Müonlar Kimdir?

Ortalama ömrü 2.2 mikrosaniye olan müonlar kararsız birer atom altı parçacığıdır. Lepton sınıfından olan parçacık, elektronların onlardan biraz daha ağır kuzenleri olarak bilinir.

1936’da Caltech’de yürütülen bir çalışma sırasında keşfedilen müon parçacığı, keşfedildiği günden bu yana bir kafa karışıklığı olarak kalmıştı. Karışıklığın sebebiyse standart modelin öngörmediği bir parçacık olarak var olmasıydı. Ancak müonların tek ilginç tarafı bu değildi. Modelin öngörmediği bu parçacıklar aynı zamanda modelin öngörmediği davranışlarda sergiliyorlardı. Bu durum, Muon g-2 deneyinden önce yapılmış bir başka deneyde de gözlenmişti.

Tüm bu tutarsızlıklardan yola çıkılarak tasarlanan Muon g-2 deneyinin sonuçları da işleri iyice karıştırdı diyebiliriz. Yine de deneyi yürüten Fermilab’a göre, sonuçların büyük bir keşif olarak bilim tarihine geçme olasılığı hayli yüksek.

Muon g-2 Deneyi

Parçacıklar belirli bir elektrik yükü taşır. Elektrik yükü taşıdıkları için de manyetik özelliklere sahiptirler. Bu deney de manyetik momentum olarak bilinen, parçacığın dönme/spin hareketi üzerinden tasarlanmış.

Parçacıklar, spin adı verilen bu özelliğinden dolayı, manyetik alanla etkileşime girdiklerinde titreşmeye başlarlar. Fermilab deneyinde de manyetik alanla etkileşime sokulan müon parçacığının titreşim sayısı ölçüldü ve teorinin öngördüğü sayı ile karşılaştırıldı.

Sonuçlara göre, teori ve deney değerleri arasında %0.1’lik bir sapma söz konusuydu. Müonların titreşim sayısı ile Standart modelin öngörüsü arasındaki bu sapma küçük bir değermiş gibi görünebilir. Ancak unutmamak gerek, fiziğin bu alanı bizim küçüklüğünü hayal dahi edemeyeceğimiz bir mikro alemi inceler. Dolayısıyla deney sonuçları kısa sürede büyük olay oldu. Parçacık fiziği için devrimsel sonuçları olabilecek bir durum söz konusuydu.

müon
Fermilab — deney için kullanılan elektromıknatıs. Image by Reidar Hahn.

Bilim insanlarına göre deney – teori arasındaki farklılığa sebep olmuş olabilecek üç durum vardır. Bunlar şöyle:

  1. 5.Kuvvet – varlığından haberimiz olmayan başka bir doğa kuvveti.
  2. Bilmediğimiz bir parçacık – standart modelin öngörüsü dışında kalan bir başka parçacığın varlığı.
  3. Hatalı gözlem – ölçüm/insani kaynaklı bir hata olabilir.

Sonuç

Yukarıda sıraladığımız olası açıklamalardan ilk ikisi fizik anlayışımızı tamamen değiştirme potansiyeline sahip durumda. Bunlardan ilki doğadaki temel kuvvetlere yönelik bilgimizin ne kadar eksik olduğunu gösterirken ikincisi fiziğin en kapsamlı teorisinin eksik olduğunu gösterme niteliğindedir.

Üçüncü durumla ilgili olarak yapılan açıklamada deney güven düzeyinin 4.2 sigma olduğu belirtiliyor. Sigma değeri, deneyde hatalı gözlem yapılma olasılığını belirten bir değerdir. Müon deneyi için 4.2 olan sigma, hata olasılığının 40.000’de 1 olduğunu belirtiyor. Bu güvenilir bir olasılıkmış gibi dursa da bilim için yeterli değildir. Deney sonucunun kesinliği için en az 5 sigma gerekir ki bu da 3.5 milyon’da 1’lik bir hata payı demektir.

Sonuç olarak müon anomalisinin bilimsel bir devrim halini alıp almayacağını görmek için beklemek durumundayız. Yürütülmesi gereken, hem teorik hem deneysel, birçok çalışmaya ihtiyacımız var nihai karar için.

Yararlanılan Kaynaklar:

  1. The Groundbreaking New Physics Experiment
  2. ‘Last Hope’ Experiment Finds Evidence for Unknown Particles

Editör: Cansu Köse