2008 Nobel Fizik Ödülü

(Simetrinin Kendiliğinden kırılması=  Spontaneous Symmetry Breaking  )

Her sene ekim ayına gelindiğinde bilim çevreleri meraklı bir bekleyiş içine girer. Merakın nedeni NOBEL bilim ödülleridir. Toplumun diğer kesimlerini pek ilgilendirmese bile, bu yarışın sonuçları heyecan ile beklenir. 2008 NOBEL fizik ödüllerini, simetri kırınımları üzerinde çalışan Chicago üniversitesinden Japon asıllı ABD’li teorik fizikçi YOİÇİRO NAMBU, Tsukuba yüksek enerji hızlandırıcıları araştırma merkezinden MAKOTO KOBAYASHİ ve Kyoto üniversitesi teorik fizik bölümünden TOSHİHİDE MASKOWA kazanmıştır. Ödülün yarısı Prof. Nambu’ya giderken ikinci yarısı diğer bilim adamlarınca paylaşılmıştır. Ülkemizin seçkin bilim adamlarından ve Yeditepe üniversitesi öğretim üyelerinden sayın Prof. Dr. Avadis Hacınlayan Prof. Nambu’nun doktora öğrencisi olmuştur. Bu yazıda, Nobel’e konu olan kendiliğinden simetri kırınmasının ne anlama geldiği ve CERN deneyi ile ilgisi her kesin anlayabileceği bir dil ile aktarılacaktır.

Simetriden ne anlarız?

 Simetri örneğin, bir cismin aynadaki görüntüsü ile cisim arasındaki ilişkilerin matematiksel ifadesidir. Ayna karşısında bulunan bir kişi sağ elini kaldırırsa aynadaki görüntüsü sol elinin kaldırır. Bir topaç kendi geometrik ekseni etrafında sağdan sola dönüyorsa aynadaki görüntüsü soldan sağa döner. Simetri, gözlediğimiz bu basit olayları matematiksel olarak ifade edebilmektir. Aynadaki görüntü nasıl basit bir fiziksel olay ise, yani herkesin kolayca anlayabileceği bir yansıma simetrisi içeriyorsa, karmaşık gibi görünen doğa olaylarında benzer basit simetrileriler içerirler.  Simetrinin dayandığı bilimsel mantık budur. Küre şeklinde bir cisim, örneğin bir bilye düşününüz, hangi eksen etrafında döndürürseniz döndürünüz, nereye taşırsanız taşıyınız, hangi açıdan bakarsanız bakınız hep küre görürsünüz, bu gözlemlerden bilyenin küresel simetrik bir cisim olduğu sonucu çıkarılır. Diğer taraftan bir denizyıldızı veya bir uçak küresel simetrik değildir

     Boş bir sayfa üzerindeki bütün noktalar birbirinin aynısıdır. Yani sayfa noktaların özellikleri bakımından simetriktir. Sayfa üzerine bir çember çizilirse, sayfa noktaların özelliklerine göre artık simetrik değildir. Noktalar, çemberin içinde dışında veya üzerinde olmak gibi, birbirlerinden farklı yeni bir özellikler kazanmışlardır, bir başka değişle simetri bozulmuş veya kırılmıştır. Anlaşılacağı gibi simetrinin bozunması için mutlaka bir dış müdahaleye gerek vardır. Bu basit örnekte dış müdahale sayfa üzerine çizilen çemberdir.

1960’lı yıllarda Nambu, doğanın karma karışıklığı içinde bizim göremediğimiz düzeni, kendiliğinden simetri kırınması ile görebilmiştir. Çok ilginç, Nobel komitesi, bu karmaşık kavramı portakalı örnek vererek açıklamaya çalışmıştır. Herkesin bildiği gibi portakal yaklaşık küre şeklinde bir meyvedir. Ancak kabuğu ayrıntılı olarak incelenirse, tam olarak bir küre olmadığı anlaşılır. Simetrinin kendiliğinden kırılması, portakal kabuğundaki pürüzlerin kendiliğinden oluşmasına benzer.

Nambu bir dış etki olmaksızın fiziksel olaylarda simetrinin kendiliğinden nasıl kırıldığının matematiksel modelini kurgulamıştır.

Evren, büyük patlamanın hemen ardından boş bir sayfa gibi süper simetriktir. Ancak çok kısa bir süre sonra birbirini takip eden süreçlerde meydana gelen olaylar, bu süper simetrik sistemi aşama, aşama bozarak günümüzde algıladığımız evrene dönüştürmüştür. CERN deneyi bir yerde evrenin simetrik olduğu dönemi laboratuar ortamında elde etmeye benzer.

Fiziksel olaylarda simetrinin kendiliğinden nasıl bozulduğuna en çarpıcı örnek, kristallerin büyütme işleminde ortaya çıkar. Topaz ortorombik bir geometriye sahiptir. Bunun anlamı, topazı meydana getiren atomların dikdörtgenler prizması şeklinde olan kristalin köşelerinde yer almış olmasıdır. Kristal büyütülme işlemine tabi olmadan önce atomlar, bulundukları yer itibariyle simetriktir. (Boş sayfanın simetrik olması gibi) Kristal büyütülürken, atomlar kendiliğinden prizmanın köşelerine yerleşirler. Artık topaz’ı oluşturan atomlar kristal fazına geçtiklerinde simetrik değillerdir. Simetri kendiliğinden kırılmıştır.

Yoiçiro Nambu temel parçacıklarda simetrinin kendiliğinden kırılmasının matematiksel modellemesini yapmıştır. Evrenin anlaşılmaz gibi görünen karmaşık gizemlerinin bir kısmı kendiliğinden simetri kırınması ile açıklığa kavuşturulmuştur. Özellikle Nambu’nun geliştirdiği matematiksel teknikler, standart modelin geliştirilmesinde başrol oynamışlardır. Standart Model temel parçacıklar ve aralarındaki zayıf, kuvvetli nükleer etkileşmeler ile elektromanyetik etkileşmeleri bir bütün olarak verir. CERN de büyük hadron hızlandırıcısında gerçekleştirilecek deney, Standart modelin var olduğunu ileri sürdüğü ancak varlığı deneysel olarak gösterilemeyen HİGGS parçacığını bulmayı hedeflemektedir. Kendiliğinden simetri kırınımı, büyük patlamanın ardından, temel parçacıkların, yani evrenin nasıl kütle kazandığını açıklayan HİGGS mekanizmasının matematiksel temelini oluşturur. Son günlerde, bilim özürlü ülkemizin bile gündemini bir süre meşgul eden CERN deneyi, bu modelin evrenin ilk dönemindeki fiziği yansıtıp yansıtmadığın ortaya koyacaktır.

 HİGGS kuramının temel parçacıklara kütle kazandırması tümü ile kendiliğinden simetri kırılması mantığı üzerine kurgulanmıştır.

Kobayashi ve Maskawa, Standart modelde, kütleleri büyüyen neden üç nesi kuark olması gerektiğini bulmuşlardır. Kuark maddenin bölünemeyen en küçük yapı birimine verilen isimdir. Kuramları, temel parçacıklar arasında neden her zaman simetri olmadığını, özellikle parçacıklar ve anti parçacıklar arasında kütle simetrisinin olmadığını, yani neden evrende madde anti maddeden daha çok bulunduğunu açıklar. Evren büyük patlama ile yaratıldığında madde ve anti madde eşit miktarlarda oluşmuştur. Madde ve anti madde temas halinde olduğunda maddesel formlarını kayıp edip enerjiye dönüşürler.  Kozmolojik süreçte maddenin anti maddeden daha hızlı oluşması, evrenin bu gün algıladığımız şekle büründürmüştür. Şayet madde ve anti madde oluşumları aynı hızda meydana gelmiş olsaydı bu gün ne dünya ne ay ne güneş ne saman yolu galaksisi meydana gelebilirdi. Kobayashi ve Maskawa,   bizlere evrenin bu gün gözlediğimiz hali ile neden var olduğunu anlatmıştır.

Anlayana veya anlamak için gayret sarf edenlere...