"Hızlı yapabilirsin, ucuza yapabilirsin ya da doğru yapabilirsin. Doğru yaptık." Bunlar, Fermilab'daki Çarpıştırıcı Dedektörünün lideri David Toback'in W bozonu adı verilen bir parçacığın kütlesini ölçmek için on yıl süren bir deneyin sonuçlarını açıkladığı açılış konuşmalarından bazılarıydı .
Ben yüksek enerjili bir parçacık fizikçisiyim ve Illinois, Fermilab'da CDF olarak bilinen Çarpıştırıcı Dedektörünü inşa eden ve çalıştıran yüzlerce bilim insanından oluşan ekibin bir parçasıyım.
Trilyonlarca çarpışmadan ve yıllarca süren veri toplama ve sayıların çarpıtılmasından sonra, CDF ekibi W bozonunun beklenenden biraz daha fazla kütleye sahip olduğunu buldu . Tutarsızlık küçük olsa da, 7 Nisan 2022 tarihli Science dergisinde yayınlanan bir makalede açıklanan sonuçlar, parçacık fiziği dünyasını heyecanlandırdı . Ölçüm doğruysa, evrenin nasıl çalıştığına dair fizik bulmacasının eksik parçalarının olduğu bir başka güçlü sinyaldir .
Zayıf Kuvveti Taşıyan Parçacık
Parçacık fiziğinin Standart Modeli , bilimin evrenin temel yasaları için mevcut en iyi çerçevesidir ve üç temel kuvveti tanımlar : elektromanyetik kuvvet, zayıf kuvvet ve kuvvetli kuvvet.
Güçlü kuvvet atom çekirdeklerini bir arada tutar. Ancak bazı çekirdekler kararsızdır ve radyoaktif bozunmaya uğrar, parçacıklar yayarak yavaş yavaş enerji açığa çıkarır. Bu süreç zayıf kuvvet tarafından yönlendirilir ve 1900'lerin başından beri fizikçiler atomların neden ve nasıl bozunduğuna dair bir açıklama aradılar.
Standart Modele göre kuvvetler parçacıklar tarafından iletilir. 1960'larda, bir dizi teorik ve deneysel buluş , zayıf kuvvetin W ve Z bozonları adı verilen parçacıklar tarafından iletildiğini öne sürdü. Ayrıca üçüncü bir parçacığın, Higgs bozonunun, W ve Z bozonları da dahil olmak üzere diğer tüm parçacıklara kütle kazandıran şey olduğunu öne sürdü.
1960'larda Standart Model'in ortaya çıkışından bu yana, bilim adamları tahmin edilen ancak keşfedilmemiş parçacıklar listesinde aşağı doğru ilerliyorlar ve özelliklerini ölçüyorlar. 1983'te İsviçre'nin Cenevre kentindeki CERN'de yapılan iki deney , W bozonunun varlığına dair ilk kanıtları ele geçirdi . Brom gibi kabaca orta büyüklükte bir atomun kütlesine sahip olduğu ortaya çıktı.
2000'lere gelindiğinde, Standart Modeli tamamlamak ve her şeyi birbirine bağlamak için eksik olan tek bir parça vardı: Higgs bozonu. Arka arkaya üç deneyde Higgs bozonunu aramaya yardım ettim ve sonunda onu 2012'de CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısında keşfettik.
Standart Model tamamlanmıştı ve yaptığımız tüm ölçümler tahminlerle birlikte güzel bir şekilde birbirine bağlıydı.
W Bozonlarının Ölçülmesi
Standart Modeli test etmek eğlencelidir. Parçacıkları çok yüksek enerjilerde parçalamanız yeterlidir. Bu çarpışmalar kısaca daha ağır parçacıklar üretir ve bunlar daha sonra daha hafif olanlara bozunur. Fizikçiler, bu çarpışmalarda üretilen parçacıkların özelliklerini ve etkileşimlerini ölçmek için Fermilab ve CERN gibi yerlerde çok büyük ve çok hassas dedektörler kullanırlar.
CDF'de, bir proton ve bir antiproton çarpıştığında yaklaşık her 10 milyonda bir W bozonları üretilir . Antiprotonlar, tamamen aynı kütleye ancak zıt yüke sahip protonların antimadde versiyonudur. Protonlar kuark adı verilen daha küçük temel parçacıklardan, antiprotonlar ise antikuarklardan oluşur. W bozonlarını yaratan kuarklar ve antikuarklar arasındaki çarpışmadır . W bozonları o kadar hızlı bozunur ki, doğrudan ölçülmesi imkansızdır. Böylece fizikçiler, W bozonlarının kütlesini ölçmek için bozunmalarından üretilen enerjiyi takip ederler.
Bilim adamlarının W bozonunun kanıtlarını ilk tespit etmesinden bu yana geçen 40 yıl içinde, ardışık deneyler kütlesinin her zamankinden daha kesin ölçümlerini elde etti. Ancak, Higgs bozonunun ölçümü diğer tüm parçacıklara kütle verdiği için, araştırmacıların ölçülen W bozonlarının kütlesini Standart Model tarafından tahmin edilen kütleye karşı kontrol edebilmeleriydi . Tahmin ve deneyler her zaman eşleşti - şimdiye kadar.
beklenmedik şekilde ağır
Fermilab'daki CDF dedektörü, W bozonlarını doğru bir şekilde ölçmekte mükemmeldir. 2001'den 2011'e kadar hızlandırıcı, protonları antiprotonlarla trilyonlarca kez çarpıştı, milyonlarca W bozonu üretti ve her çarpışmadan mümkün olduğunca fazla veri kaydetti.
Fermilab ekibi , 2012'de verilerin bir kısmını kullanarak ilk sonuçları yayınladı . Kütlenin biraz düşük, ancak tahmine yakın olduğunu gördük. Ekip daha sonra on yıl boyunca tüm veri setini titizlikle analiz etti. Süreç, sayısız dahili çapraz kontrolü ve gerekli yıllar boyunca bilgisayar simülasyonlarını içeriyordu. Analize herhangi bir yanlılık girmesini önlemek için, tam hesaplama tamamlanana kadar hiç kimse herhangi bir sonuç göremedi.
Fizik dünyası nihayet 7 Nisan 2022 sonucunu gördüğünde hepimiz şaşırdık. Fizikçiler, temel parçacık kütlelerini, MeV'ye kısaltılmış milyonlarca elektron volt biriminde ölçerler. W bozonunun kütlesi 80,433 MeV - Standart Modelin tahmin ettiğinden 70 MeV daha yüksek çıktı. Bu küçük bir fazlalık gibi görünebilir, ancak ölçüm 9 MeV içinde doğrudur. Bu, hata payının yaklaşık sekiz katı bir sapmadır. Meslektaşlarım ve ben sonucu gördüğümüzde, tepkimiz yankılanan bir "vay be!" oldu.
Standart Model için Bu Ne Anlama Geliyor?
W bozonunun ölçülen kütlesinin Standart Model'de tahmin edilen kütleyle eşleşmemesi üç anlama gelebilir. Ya matematik yanlıştır, ölçüm yanlıştır ya da Standart Modelde eksik bir şeyler vardır.
İlk olarak, matematik. Fizikçiler W bozonunun kütlesini hesaplamak için Higgs bozonunun kütlesini kullanırlar. CERN deneyleri, fizikçilerin Higgs bozon kütlesini yüzde çeyrek içinde ölçmesine izin verdi . Ek olarak, teorik fizikçiler on yıllardır W bozonu kütle hesaplamaları üzerinde çalışıyorlar . Matematik karmaşık olsa da, tahmin sağlamdır ve değişmesi muhtemel değildir.
Bir sonraki olasılık, deney veya analizdeki bir kusurdur. Dünyanın her yerindeki fizikçiler, zaten delikler açmaya çalışmak için sonucu gözden geçiriyorlar. Ek olarak, CERN'deki gelecekteki deneyler, sonunda Fermilab kütlesini onaylayacak veya çürütecek daha kesin bir sonuç elde edebilir. Ama bence, deney şu anda mümkün olduğu kadar iyi bir ölçüm.
Geriye son seçenek kalıyor: W bozonunun kütlesinde yukarı doğru kaymaya neden olan açıklanamayan parçacıklar veya kuvvetler var. Bu ölçümden önce bile, bazı teorisyenler , gözlemlenen sapma ile sonuçlanacak potansiyel yeni parçacıklar veya kuvvetler önermişti . Önümüzdeki aylarda ve yıllarda, şaşırtıcı W bozonları kütlesini açıklamaya çalışan bir sürü yeni makale bekliyorum.
Bir parçacık fizikçisi olarak, Standart Model'in ötesinde keşfedilmeyi bekleyen daha fazla fizik olması gerektiğini söylemekten eminim. Bu yeni sonuç tutarsa, Standart Model ve gerçek dünya ölçümlerinin çoğu zaman tam olarak eşleşmediğini gösteren bir dizi bulgunun en sonuncusu olacak . Fizikçilere madde, enerji, uzay ve zaman hakkında daha eksiksiz bir anlayış arayışına devam etmeleri için yeni ipuçları ve yeni nedenler veren bu gizemlerdir.
John Conway deneysel bir yüksek enerjili parçacık fizikçisidir ve şu anda iki büyük deneyle uğraşmaktadır: Batavia, Illinois'deki Fermilab Tevatron'da CDF ve İsviçre, Cenevre'deki CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki CMS. ABD Enerji Bakanlığı ve ABD Ulusal Bilim Vakfı'ndan fon alıyor.
Bu makale, Creative Commons lisansı altında The Conversation'dan yeniden yayınlanmıştır. Orijinal makaleyi burada bulabilirsiniz .
