42 Yıllık Aramadan Sonra Fizikçiler 10 Milyarda Bir Olan Parçacık Çürümesinin Kanıtını Buldu

En temel evrensel soruların çözülmesine—Big Bang’den hemen sonra ne olduğu, karanlık maddenin nerede gizlendiği ve sıradan maddenin neden var olduğu gibi—belki de bir o kadar devasa, bir o kadar küçük bir adım daha yaklaşmış olabiliriz.

CERN’in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) gibi parçacık çarpıştırıcılarının artan hassaslığı, araştırmacıların gerçekliğimizin çok öz yapısına daha önce hiç ulaşılmayan derinliklerde göz atmasını sağlıyor.

“Zeptoverse” olarak adlandırılan bu alan, insan saç teline binlerce kat milyarda daha ince olan zeptometre ölçeklerinde keşfedilmemiş parçacıklar veya kuvvetler ve hayal edilmesi imkânsız derecede kısa zaman dilimlerinde evreni biçimlendiren kuantum etkileşimleri barındırabilir.

40 yılı aşan bir çabanın ardından bilim insanları, zeptoverse’nin kapısına neredeyse bir zili asmış durumda; son derece zor yakalanan, kararsız bir parçacık türünün bozunmasına dair deneysel kanıt sunuyor.

3 Kasım’da düzenlenen bir seminerde ve henüz hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir arXiv ön basım makalesinde, LHCb İşbirliği bu olgunun kanıtını açıkladı.

Bir “güzellik” (beauty) parçacığının bozunmasıyla sonuçlanan olayların yalnızca on milyarda birinde meydana geldiği düşünülüyor—bu da piyano bileti kazanma ihtimalinden belirgin derecede düşük bir olasılıktır.

Bu olası keşif ve daha önce gözlemlenmiş bir kardeş bozunmanın çok daha kesin ölçümü, “Standart Model için güçlü bir yeni sınamanın ve olası yeni fizik için bir pencerenin kapısını aralıyor”; Birmingham Üniversitesi parçacık fiziği profesörü ve LHCb Çok Nadir Bozunmalar çalışma grubu koordinatörü Niladri Sahoo bu şekilde açıklıyor.

Deney, geniş yeraltı LHC boyunca konumlanmış bir parçacık avı projesi olan Large Hadron Collider Beauty (LHCb) çarpıştırıcısında gerçekleştirildi.

Parçacık çarpışma algılama hızını önemli ölçüde artıran son güncelleme sayesinde ve böylece bu nadir parçacık fiziği deneyimlerini boğan sinyal-gürültü oranını artıran makine öğrenmesi tekniklerinden yararlanarak, 1980’lerden beri aranan bu nadir parçacık fiziğine artık odaklanabiliyor.

LHCb deneyi, ışık hızına yakın çarpışmalarla üretilen egzotik parçacıkların bu zengin dünyasını daha iyi gözlemek için parçacık ışınından parmak ucu kadar az uzakta, sımsıkı konumlandırılmış kartal-gözlü VELO alt-detektörü gibi enstrümanları kullanarak çürümeleri tespit ediyor.

LHCb de dahil olmak üzere LHC ve bileşenlerinin bir haritası. (CERN)

Böylece bilim insanlarının büyük atılımı, Bd mezoğun bir muona ve anti-muona çürümesi potansiyelinde tespit edilebiliyor.

Söz konusu mezondan iki tuhaf parçacık oluşuyor: bir güzellik kuarkı ve bir aşağı antikuark.

Kuarklar altı çeşitte gelir ve bunlardan up ve down kuarklar olarak bilinen ikisi, nötron ve protonları oluşturmak için üçlüler halinde birleşir.

Diğer kuarklar daha soyut olsa da evrendeki en büyük gizemleri keşfetmek için vazgeçilmezdir.

Buna göre “güzellik kuarkları” Büyük Patlama‘nın çorbaumsu ardından sık sık görülüyordu; muhtemelen evren ancak bir milyardının yüzüncü kadar eski olduğu bir anda, ancak bugün doğal olarak yoklardır.

O halde araştırmacılar bu mezonu oluşturup tüm süreci başlatmak için bir güzellik kuarkını nereden temin etti?

Bu kuarkları sıfırdan ürettiler.

Öncelikle protonları ışık hızına yakın bir hızda çarpıştırdılar ve bu sırada birçok güzellik kuarkı ve aşağı antikuark dahil, kısa ömürlü bir parçacık püskürmesi oluştu; bu parçacıklar yalnız kalmayı sevmediği için, kuarkları proton ve nötronların içinde de bağlayan güçlü nükleer kuvvet sayesinde neredeyse anında birleşirler.

Bu mezonlar inanılmaz derecede kısa ömürlüdür ve bir trilyonunun buçuk katı kadar bir sürede, yani 1,5 trilyonda bir saniyede çürür. Ancak bu “güzellik dolu” çürümelerin her on milyar birinde ancak istenen sonuç ortaya çıkar: kuantum dünyasının enerjisinden enerji-kütle yasasını korumak için bir muon ve bir anti-muon fışkırır.

Bu muonların kendisi de çürümeye başlamadan önce ancak iki milyonunun buçuk katı kadar, yani iki milyonluk bir saniyede “yaşar”.

LHCb’nin mekanik yapısının bir kesiti, Vertex Locator (VELO) alt-detektörü dahil. (CERN)

Bu tür bir olgu için kanıt iddia etmek, sonucun tesadüf olma ihtimaline karşılık gelen üç standart sapma ya da “3 sigma” düzeyinde bir anlamlılık düzeyi gerektirir; bu da %0,3’lük bir olasılığa denk gelir.

2024 ve 2025 yıllarından LHCb deneyinden gelen bu en yeni kanıt, 2011 ile 2018 arasında toplanan önceki verilerle birleştirildiğinde, rahatça karşılanan 3,2 sigma düzeyinde bir anlamlılık ortaya çıkar.

Bu bozunma için “altın standart” sayılan 5-sigma anlamlılık değerine ulaşmak, olgunun doğrulanmasına yönelik daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyuyor. 2030’larda planlanan yükseltmeler, LHC çarpışmaları sayısını artıracak ve veri toplama hızını bir büyüklük mertebesiyle tekrar yükseltecek.

Soruşturmacılar sonuçları şöyle özetliyor: “Tüm sonuçlar [Standart Model] beklentileriyle tutarlı ve LHC’de doğrudan üretim yoluyla ulaşılamayan enerji ölçeklerinde yeni fizik katkılarını sınırlıyor.”

Bu, bu çalışmanın sonuçlarının Standart Model ile uyumlu olduğunu vurguluyor; Standart Model evrenimizin büyük bir kısmını açıklıyor ancak karanlık maddeyi ya da Büyük Patlama’dan sonra tüm kozmosun bir enerji bulutu içinde birbirini yok etmesini önleyen normal madde ile antimaddenin küçük asimetrisini aydınlatmıyor.

Aynı zamanda bize, yeni fizikin keşfinin LHC’in doğrudan yeni bir parçacık üretmesine dayanmayabileceğini, belki de başka bozunma oranlarında görülebilecek dolaylı kanıtlara dayanabileceğini ima ederek bizi heyecana sevk ediyor.

Bu, geçmişte charm kuarkın ve en ağır kuark olan, neredeyse bir bütün altın atomu kadar kütleye sahip olan top kuarkın keşfinde olduğu gibi bir durumdu.

“Bu en nadir bozunma için ilk kez açık bir kanıt görmek heyecan vericiydi,” diyerek Cambridge Üniversitesi’nden parçacık fiziği uzmanı ve araştırma ekibinin lideri Harry Cliff sözlerini tamamlıyor.

“Şimdi zeptoverse’nin kapısını çalıyoruz. Daha derine intikçe ne bulacağımızı görmeyi bekleyemiyorum.”

Araştırma makalesinin ön baskısı arXiv üzerinde erişilebilir.

Bu makale Rebecca Dyer tarafından doğrulandı ve Rebecca Dyer tarafından düzenlendi. Sürecimize gurur duysak da yalnızca insanız. Bir hata fark ederseniz, lütfen bize bildirin.