Maddeyi anlamak-6: Evrenin kuvvetleri

Yazı dizisinin önceki bölümünde bir bilmeceyle ayrılmıştık. Kuarklar hiçbir zaman tek başına görünmüyordu; ne kadar sert çarpıştırırsanız çarpıştırın, hep ikili ya da üçlü gruplar hâlinde ortaya çıkıyorlardı.

Bu bilmeceyi çözmek için başka bir soru sormamız gerekiyor: evrendeki parçaları bir arada tutan nedir?

Dördüncü yazıda kuvvetin, alanların birbirine basamak alıp vermesi olduğunu söylemiştik. Doğada dört temel kuvvet biliyoruz ve her biri kendine ait bir taşıyıcı göletle iş görür. İkisini gündelik hayattan tanıyoruz: ayağımızı yere bastıran yerçekimi ve elektriği, mıknatısı, ışığı yöneten elektromanyetik kuvvet. Öbür ikisi atomun derinliklerinde saklıdır.

Lastik bant

Atom çekirdeğinde protonlar birbirine çok yakın durur. Hepsi artı yüklüdür ve aynı yükler birbirini iter. Çekirdek neden dağılmıyor?

Çünkü çekirdeğin içinde bu itmeyi yenen bir çekim var: kuarkları bir arada tutan kuvvet. Kuarklar arasında gidip gelen taşıyıcıya, İngilizcede "tutkal" anlamına gelen kelimeden gluon dendi. Gluon göleti, kuark göletlerini birbirine yapıştıran alandır. Bu kuvvete de adına yakışır biçimde güçlü kuvvet denir.

Güçlü kuvvetin bir tuhaflığı var ve bilmecenin cevabı burada. Elektrik de yerçekimi de uzaklaştıkça zayıflar. Güçlü kuvvet tam tersini yapar: kuarklar birbirine yakınken neredeyse serbest dolaşır, uzaklaşmaya çalıştıkça aralarındaki çekim artar.

Bunu bir lastik banda benzetebiliriz. İki kuark bir lastiğin iki ucuna bağlıdır. Lastik gevşekken uçlar rahatça oynar; çektikçe gerilir. Daha da çekerseniz lastik kopar. Ama kopma anında, lastiği germek için harcadığınız enerji yeni bir kuark çiftine dönüşür. Elinizde tek bir kuark değil, iki yeni lastik ve her birinin iki ucunda birer kuark olur.

Hiç kimsenin tek başına bir kuark görmemesinin sebebi budur. Kuarkı yuvasından çekip çıkarmaya çalıştığınız anda, harcadığınız enerji ona yeni bir eş yaratır.

Bu resmin şaşırtıcı bir sonucu daha var. Bir protonun içindeki üç kuarkın kütleleri toplandığında protonun kütlesinin yalnızca yüzde biri eder. Geri kalan yüzde doksan dokuz, o gerilmiş lastiklerin, yani gluon alanının enerjisidir. Görelilik dizisinden hatırlarsanız enerji ile kütle aynı şeyin iki hâlidir. Yani bu ne demektir biliyor musunuz? Tartıda gördüğünüz ağırlığınızın neredeyse tamamı, bedeninizdeki kuarkları bir arada tutan bağların yani kuvvetin enerjisidir. İnsana gerçekten garip geliyor.

Güneşi yakan zayıflık

Dördüncü kuvvet, adı en az etkileyici olanı: zayıf kuvvet. Bir kuarkın çeşidini değiştirebilen tek kuvvettir; böylece bir nötronu protona, bir protonu nötrona çevirebilir. Size basit gelebilir ama inanılmaz önemli bir kuvvettir. Güneş'in yanması buna bağlıdır. Güneş'in merkezinde protonlar birleşerek helyum oluşturur ve bu zincirin ilk adımında bir protonun nötrona dönüşmesi gerekir. Bunu yalnızca zayıf kuvvet yapabilir. Üstelik o kadar yavaş yapar ki Güneş yakıtını birkaç saniyede değil, milyarlarca yılda harcar. Zayıflığı bizim için bir nimettir.

Zayıf kuvvetin taşıyıcıları W ve Z parçacıklarıdır. Fotonun aksine çok ağırdırlar, bir protonun seksen doksan katı.

1960'larda Pakistanlı Abdus Salam'ın da aralarında bulunduğu üç nobelli fizikçi, elektromanyetik kuvvet ile zayıf kuvvetin aslında aynı kuvvetin iki yüzü olduğunu gösterdi. Evrenin ilk anlarındaki yüksek enerjilerde tek bir kuvvet olarak davranırlar; evren soğudukça ikiye ayrılmışlardır.

Ama bu birleştirme bir soru doğurdu. İki kuvvet aynı ailedense, taşıyıcıları neden bu kadar farklı? Foton hiç kütle taşımaz, W ve Z protondan seksen kat ağırdır. Aynı ailenin çocuklarından biri nasıl tüy, öbürü kurşun olur?

Sorun daha da derindi. Kuramın matematiği bütün parçacıkların kütlesiz olmasını istiyordu, elektronun da. Oysa elektron kütlesiz olsaydı ışık hızında uçup gider, hiçbir atomun etrafına yerleşemezdi. Kuram, dünyanın var olmasına izin vermiyordu.

Boş olmayan bir gölet

1964'te İskoç fizikçi Peter Higgs ve birkaç fizikçi daha, birbirinden habersiz, bir çözüm önerdi.

Dördüncü yazıda boşluğun boş olmadığını söylemiştik. Ama bütün göletlerin ortak bir özelliği vardı: parçacık yokken değerleri sıfırdı. Higgs, evreni dolduran yeni bir gölet önerdi ve bu gölet en boş hâlinde bile sıfırda değildi. Galaksiler arasındaki en ıssız boşlukta bile oradaydı. Evren adeta bu alanın içine batmış durumdaydı.

Parçacıklar bu alanın içinde hareket ederken onunla etkileşir. Kütle dediğimiz şey, bu etkileşimin ta kendisidir.

Misafirlerle dolu bir düğün salonu düşünün. Bu kalabalık Higgs alanıdır.

Kapıdan kimsenin tanımadığı biri giriyor ve kalabalığın arasından rahatça süzülüp öbür uca varıyor. Sonra herkesin tanıdığı bir siyasetçi giriyor. Daha ilk adımda etrafı sarılır; biri elini sıkmak ister, biri fotoğraf çekmek, biri derdini anlatmak. Yürümeye başlaması zordur. Bir kez yürüdüğünde ise kalabalık onunla sürüklenir ve onu durdurmak da zordur.

Fizikte buna kütle denir: harekete geçmeye ve hareketi değiştirmeye gösterilen direnç. Kalabalıkla hiç etkileşmeyen foton kütlesizdir ve ışık hızında geçip gider. Az etkileşen elektron hafiftir. Çok güçlü etkileşen W ve Z ağırdır.

Tüy ile kurşunun sırrı buydu: kütle, parçacıkların kendisinde değil, içinde yüzdükleri alanla ilişkilerinde saklıydı.

Her yerde aynı değere sahip bir alanı fark etmek zordur; balık suyu fark etmez. Ama her alanın titreşimi bir parçacıktır. Higgs alanını yeterince sert sarsarsanız o da bir halka verir: Higgs bozonu.

Bu halkayı yaratmak muazzam bir enerji gerektiriyordu. İnsanlık bunun için tarihinin en büyük bilimsel makinesini kurdu: İsviçre ile Fransa sınırının altında yirmi yedi kilometrelik bir halka tünel, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı. Protonlar burada ışık hızına çok yakın hızlarda, ters yönlerden çarpıştırıldı.

4 Temmuz 2012'de CERN, Higgs bozonunun bulunduğunu açıkladı. Salonda seksen üç yaşındaki Peter Higgs oturuyordu; kameralar gözlerini sildiği anı yakaladı. Fikrini ortaya attığı günden tam kırk sekiz yıl sonraydı.

Tablo tamamlandı

Böylece Standart Model'in son parçası yerine oturdu. Bir yanda maddeyi oluşturan altı kuark ve elektronla akrabaları olan altı parçacık; öbür yanda kuvvetleri taşıyan foton, gluon, W ve Z; ve hepsine kütle veren Higgs. On yedi temel parçacık, her biri evreni dolduran bir göletin halkası, hepsi deneyle doğrulanmış.

İnsanlığın "evren neyden yapılmış" sorusuna verdiği en iyi cevap şu anlık budur.

Ama tabloya dikkatle bakan biri iki şey fark eder. Dört kuvvetten yalnızca üçü burada; yerçekimi yok. Ve bu kadar kusursuz çalışan kuram, gökyüzünde var olduğunu bildiğimiz şeylerin büyük kısmını açıklayamıyor.

Yarın, insanlığın en başarılı kuramının açıklayamadıklarını konuşacağız.