Fizikçiler 42 yıllık parçacık araştırmasının ardından ‘Zeptoverse’ye bir adım daha yaklaştı

Fizikçiler, parçacık çürümesinin o kadar nadir olduğuna dair kanıtlar buldular ki, bunun yalnızca her 10 milyar “güzellik” parçacığından birinde meydana gelmesi bekleniyor. CERN’in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki (LHC) iyileştirilmiş LHCb deneyinden elde edilen sonuç, 40 yıldan fazla süren bir araştırmayı takip ediyor ve fizikçileri “Zeptoverse”yi, yani yeni parçacıkların ve doğa güçlerinin saklanıyor olabileceği, metrenin trilyonda birinin milyarda biri kadar mesafelerde var olan keşfedilmemiş bir dünya veya bir “zeptometre”yi keşfetmeye yaklaştırıyor.

Manchester Üniversitesi’nden araştırmacılar, yeni ölçümün mümkün olmasına yardımcı olan dedektör teknolojisinin geliştirilmesi de dahil olmak üzere, artık önceki hızının beş katına kadar veri toplayabilen LHCb deneyinde ve onun büyük yükseltmesinde kilit rol oynadılar.

Bu bulgu, fizikçilerin, temel parçacıklar ve bunların etkileşimleriyle ilgili mevcut en iyi teorimiz olan Standart Modeli daha büyük bir hassasiyetle test etmelerine ve bunun ötesinde bulunabilecek parçacıkların veya kuvvetlerin işaretlerini aramalarına olanak tanıyacak.

Yeni fiziğin işaretlerini aramak

LHCb, etrafımızdaki sıradan maddede bulunan yukarı ve aşağı kuarkların daha ağır akrabaları olan güzellik kuarklarını içeren parçacıkları inceliyor.

Güzellik kuarkları, LHC’deki çarpışmalarda çok büyük sayılarda üretilir, ancak çürümeden önce yalnızca saniyenin yaklaşık bir buçuk trilyonda biri kadar süre boyunca var olurlar.

Fizikçiler, güzellik kuarklarının farklı bozunma biçimlerine ilişkin hassas ölçümler yaparak, LHC’de görülemeyecek kadar küçük olabilecek yeni parçacıkların etkisini tespit edebilirler.

Bir bozunma ne kadar nadir olursa, yeni parçacıkların etkisine karşı o kadar duyarlı olabilir. Bu parçacıklar çürümenin ne sıklıkla meydana geldiğini değiştirebilir.

Yeni sonuç, güzellik kuarkı içeren bir parçacığın, elektronların daha ağır akrabaları olan iki müona bozunduğu, ‘Bd’den mu mu’ya’ olarak bilinen, özellikle nadir görülen bir bozunma ile ilgilidir.

Bilim insanları bunun yaklaşık her 10 milyar güzellik parçacığından yalnızca bir tanesinde gerçekleştiğini tahmin ediyor. Şimdiye kadar hiçbir deney bu süreç için sağlam bir kanıt bulamadı.

Yeni ölçüm 3,2 sigma istatistiksel anlamlılığa ulaştı. Bu, fizikçilerin sonucu bozunmanın ilk kanıtı olarak tanımlamaları için yeterlidir, ancak parçacık fiziğinde bir keşif iddiasında bulunmak için gereken beş sigma eşiğine ulaşmak için daha fazla veriye ihtiyaç duyulacaktır.

Manchester Üniversitesi Fizik ve Astronomi Bölümü başkanı Profesör Chris Parkes, yükseltmenin inşası boyunca uluslararası LHCb işbirliğine öncülük etti ve işbirliğinin yeni sonucu onaylamasına öncülük etti.

Şöyle dedi: “Yükseltilmiş LHCb büyük bir girişimdi; 1.900 üyeli uluslararası işbirliğinin 15 yıllık bir tasarım ve inşaat projesiydi.

“Birleşik Krallık, doğayı yeni bir ölçekte araştırdığımız bugünkü sonucu mümkün kılan yeni teknolojilere öncülük ederek projeye en büyük ulusal katkıyı yaptı. Ancak bu aynı zamanda sadece bir başlangıç; yeni nesil Yüksek Parlaklıklı LHC’nin yeteneklerinden yararlanacak ve fiziği daha da küçük ölçekte araştıracak bir deneyin inşasını planlıyoruz.”

Bu yılın başlarında LHCb üzerindeki çalışması nedeniyle Royal Society üyeliğine seçilen Profesör Parkes şunları ekledi: “Bu bozulma son derece düşük bir ihtimal; bunun gerçekleşme şansı, kabaca romantik bir randevuya çıkıp, ilk denemenizde Dünya’daki herkes arasından kendinize mükemmel bir eşleşme bulmanız gibidir.”

Geliştirilmiş LHCb deneyinin Birleşik Krallık yapımı önemli bir bileşeni, LHC’deki çarpışmalarda oluşturulan parçacıkların yollarını son derece hassas bir şekilde izleyen silikon bir piksel detektörüdür.

Vertex Locator olarak bilinen bu cihaz, LHC ışınlarından sadece beş milimetre uzakta bulunuyor ve bilim adamlarının parçacıkların nerede üretildiğini ve nerede bozunduğunu tam olarak belirlemesine olanak tanıyor.

Manchester Üniversitesi’nde dedektörlerin yapımına liderlik eden Dr. Stefano De Capua şunları ekledi: “Bu dedektörü inşa etmek için yaklaşık 90 İngiliz şirketiyle çalıştık ve yeni nesil bilim adamlarını ve mühendisleri kullandığımız yeni teknolojiler konusunda eğittik. Güzellik mezonunun nerede üretildiğini tespit etmek ve nerede iki müona bozunduğunu tam olarak belirlemek için kullandığımız bu dedektörlerdir.”

‘Zeptoverse’ye doğru

Fizikçiler bunun gibi ölçümlerin Zeptoevreni araştırmalarına olanak sağlayacağını umuyorlar. Yeni ölçümün Standart Model’in tahminleriyle örtüştüğünü biliyor olsalar da, bu nadir bozunmaların giderek daha kesin hale gelen ölçümleri, fizikçilerin yeni fizik belirtileri aramasına ve modelin sonunda nerede bozulmaya başlayabileceğini ortaya çıkarmasına yardımcı olabilir.

Manchester Üniversitesi’nden Profesör Conor Fitzpatrick ve uluslararası LHCb işbirliğinin fizik koordinatör yardımcısı şunları söyledi: “Dünya çapındaki fizikçiler bu bozunmayı gözlemlemek için 40 yılı aşkın süredir bir araştırma yürütüyor. Bu, yeni fiziğin etkilerini mevcut bilgilerimizin ötesinde gözlemlemek için altın bir kanaldır.

“Bu deneyin sonuçları, doğaya dair anlayışımızı en temel düzeyde genişletiyor. Sonunda bu yakalanması zor sinyali görmüş olmaktan heyecan duyuyoruz ve verilerimizden gelecek keşifleri sabırsızlıkla bekliyoruz.”

Sonra ne olacak?

Geliştirilen deneyin 2030’ların başlarında çok daha büyük bir veri seti toplaması ve fizikçilerin çürümeyi artan hassasiyetle incelemesine olanak sağlaması bekleniyor.

Planlanan daha ileri bir yükseltme, veri toplama hızını 10 kat daha artırabilir, bu bozunmaların daha kesin ölçümlerini mümkün kılabilir ve fizikçilere daha da kısa mesafelerdeki keşfedilmemiş parçacıklara karşı daha fazla hassasiyet verebilir.

Manchester Üniversitesi’nden parçacık fiziği uzmanı ve deneyde yer almayan Profesör Brian Cox şunları söyledi: “Bu önemli bir sonuç ve bilimin nasıl ilerlediğini gösteren güzel bir örnek. Araçlarımızı geliştiriyoruz ve doğayı daha ayrıntılı görüyoruz. Bazen anlamadığımız bir şey görüyoruz ve sonra ilerleme kaydediliyor. Bu ilerlemenin aşamalı mı yoksa gerçekten dünyayı değiştirecek mi olacağını bilemeyiz; bu bilimdir! LHCb büyük bir bilimsel başarıdır.”