Standart Model’de temel parçacıklar ‘spin’ olarak adlandırdığımız parçacığın iç-kuantum durumundan kaynaklı özelliğine göre iki farklı aileye ayrılıyorlar: Yarım kesirli değerler (1/2, 3/2 vb.) alan ‘fermiyonlar’ ve tam sayı değerler alabilen (0,1,2 vb.) ‘bozonlar’. Fermiyonlar evrendeki maddenin hemen hemen tümünü oluştururken bozonlar da bu parçacıklar arasındaki etkileşimlerin aktarımında, ‘kuvvet taşıyıcı parçacıklar’ olarak işlev görüyorlar. Bu resme en son eklenen Higgs bozonu ise tüm parçacıklarla etkileşerek onların kütle kazanmalarını sağlıyor. Bunu kabaca şöyle yapıyor: Standart Model’de örneğin yüklü parçacıkların birbiriyle etkileşimini ya da proton içindeki kuarkların güçlü etkileşimlerini kendisinden hareket denklemlerini çıkardığımız ‘Lagrangian’ adı verilen bir ifadede yazıyoruz.
Üstte: Standart Model ‘Lagrangian’ ifadesinin bir kahve bardağına sığan hali. Denklemin üçüncü ve dördüncü satırları Higgs alanı ve bu alanın diğer parçacıklarla etkileşimini tanımlıyor.
Bu ifadeye belirli simetrileri (yerel Gauge simetrileri) koruyacak terimler ekleyebiliyoruz, çünkü bu durumda, bu ifadeden elde edeceğimiz hareket denklemleri değişmez (invariant) kalıyor. Higgs parçacığı olmadan bu ifadeye yazacağımız ve parçacıkların kütleye sahip olmasını sağlayacak terimler bahsi geçen simetri koşullarını sağlamıyorlar. Fakat deneysel olarak biliyoruz ki elektro-zayıf etkileşimi taşıyan W-Z bozonları ve aynı zamanda tüm fermiyonlar kütleye sahipler ve bu özelliği Lagrangian’da matematiksel bir şekilde ifade etmemiz gerekiyor. Bunun için 1960’larda ortaya atılan Higgs (Braut-Englert) mekanizması bu sorunu çözmek için yeni bir kuantum alanı tanımlayıp, bu kuantum alanının en düşük enerjili ‘vakum durumunun’, alanın kendi simetrisini sağlamaması fikri ortaya atılıyor. Simetrideki bu bozulma (‘Elektro-zayıf simetri kırılması‘ olarak adlandırılan), Higgs alanın en temel durumunda sıfır olan ‘vakum beklenen değerini’ sıfırdan farklılaştırarak, Higgs ile etkileşecek parçacıklar için artık birer kütle terimi yazabilme olanağı yaratıyor. Bu durum yalnızca bosonlar için değil, çok benzer bir yaklaşımla fermiyonlar için de aranan kütle terimlerini yazılabilir hale geliyor. Bu terimlerin yazılabilmesi parçacıklara kütle özelliği vermenin yanında Higgs alanı ile etkileşmelerini de sağlıyor. Bu etkileşimin gücünü belirleyen ‘çiftlenim sabiti’ (coupling constant) ise doğrudan parçacığın kütlesiyle doğru orantılı bir büyüklük oluyor. Dolayısıyla, Higgs alanının gerçekten de parçacıklara kütle verdiğini test etmenin en güzel yolu da parçacıkların Higgs ile etkileşmelerini test etmekten geçiyor. Bu testler LHC’de oluşan Higgs parçacıkların beraber oluştukları parçacıkları veya Higgs’in bozunduğu parçacıkları inceleyerek mümkün olabiliyor.
Solda: Standart Model’de parçacıkların Higgs bozonu ile etkileşim gücü (y-ekseni) parçacığın kütlesiyle (x-ekseni) doğru orantılı olduğunu tahmin ediyor (kesikli mavi çizgi). Dikey hata çizgileri ile birlikte verilen veriler (siyah noktalar) Standart Model tahmini ile epey uyumlu görünüyorlar (ATLAS Collaboration/ATLAS-CONF-2018-031).
Higgs bozonu ile parçacıkların etkileşimi kütleleriyle orantılı olduğundan, Higgs ile en çok, fermiyon ailesinden ağır kuarkların, örneğin ‘top’ ve ‘bottom’ kuarkların etkileşmesini bekliyoruz. Top kuarkı, ilginç bir şekilde çok ağır (Higgs’den de ağır) olduğundan enerji korunumu nedeniyle Higgs’in bozunması ile oluşturmak mümkün olmuyor. Onun yerine proton çarpışmalarında Higgs bozonu ile beraber oluşan top kuarklar incelenebiliyor ki bu yaz ATLAS ve CMS bu etkileşimi gözlediklerini ve gözlemlerin Standart Modelle tam olarak uyumlu olduğunu duyurmuştu.
Top’ın ardından kütle olarak sıradaki bottom kuark ise Higgs’in bozunabildiği kanallardan birini oluşturuyor; hatta tüm bozunumların %58’i bu kanalda gerçekleşiyor. (Higgs parçacığı yüksüz olduğundan oluşan bir bottom kuarkla birlikte anti-parçacığı olan bir de anti-bottom kuark(anti-b) oluşuyor.) Bu hafta Journal Club’da okuduğumuz makale de Ağustos ayında ATLAS deneyinin Higgs’in bir b bir de anti-b kuarka bozunduklarını gözlediğini duyurdukları makale:
Akla hemen şu soru gelebilir: Higgs madem en çok b ve anti-b kuarka bozunuyor, neden o halde en Higgs’in 2012’de keşfi bu kanalda yapılmadı da Higgs’in iki fotona (di-gamma) ve Z bozonları aracılığı ile 4 lepton’a bozunduğu kanalda gözlendi? Bunun cevabı, LHC’nin bir proton-proton çarpıştırıcısı olması sebebiyle proton çarpışmalarında proton içerisindeki kuark ve gluonların ‘güçlü etkileşimi’ sonucu oluşan yeni parçacıklarının çoğunun da quarklarla ilişkili olmasında yatıyor. Dolayısıyla Higgs’in bozunmasından gelen kuarkları bu kalabalığın içinde görebilmemiz epey güç.
Aradığımız sinyal ile benzer özelliklere sahip fakat başka proseslerden gelen sinyallere ‘arkaplan’ (background) diyoruz. Analiz sırasında, aranan sinyali bulabilmek için arkaplanı bir şekilde iyi tanımlayıp elimine etmenin yolunu bulmak gerekiyor. Bir diğer konu; Higgs’in b-quarklara bozunumunu doğrudan gözlemek yerine, çarpışmalar sonucu oluşan ve dedektör içinde tespit edilmeleri daha kolay olan elektron, muon gibi leptonlara bozunan bir vektör bozonu (Z ya da W) ile birlikte oluşan Higgs parçacıklarına odaklanmak, her ne kadar elimizdeki olay sayısını azaltsa da en azından sinyali bulmak konusunda işimizi kolaylaştırıyor. Bu çalışmada da tam olarak bu şekilde pp->VH prosesleri inceleniyor (V: vektör bozon, H: Higgs).
Üstte: Solda, çarpışan protonların içindeki iki kuarkın bir vektör bozunumu ile etkileşip, bu vektör bozonunun bir Higgs bozonu yayımlaması ve ardından Higgs’in b ve anti-b kuarklarına bozunumunu gösteren Feynman diyagramı. Diyagramı zamanın soldan sağa doğru ilerlediğini düşünerek okuyabilirsiniz. Bu tip diyagramlar etkileşim süreçlerini görselleştirmenin ötesinde Feynman’a borçlu olduğumuz dahiyane hesaplama yöntemlerine de izin veriyor. (Kaynak: Nature)
Bu makalede de Higgs’in bir vektör bozon ile birlikte oluşup, sonrasında Higgs’in b-anti-b qurklara, vektör bozonun da leptonlara bozunması gözlenerek alınan verilerin Standart Model ile uyumlu olup olmadığı test edilmeye çalışılıyor.
Üstte: ATLAS dedektöründe proton proton (pp) çarpışmaları sonucunda ortaya çıkan Higgs(H)’in b ve anti-b quarklarına bozunumu sonucu ortaya çıkan iki jet (açık mavi koniler – sağda) ve Higs’in yanında ortaya çıkan W bozonunun bozunması ile ortaya çıkan muon’un bıraktığı izler (kırmızı) görülüyor. Muon ile birlikte oluşan muon nötrinosu dedektörle etkileşmeden geçip gittiği için görüntüde onun izi görülmüyor. Sol taraftaki görüntü, dedektörü üç boyutlu olarak gösterirken, sağ alttaki ise parçacıkların çarpıştıkları eksene dik düzlemi gösteriyor. Her iki görüntüde de açık yeşil renkler parçacıkların elektromanyetik kuvvet ile etkileşip enerjilerini bıraktıkları elektromanyetik kalorimetre sinyallerini; sarı ile göterilenler de güçlü kuvvet ile etkileşip enerjilerini bıraktıkları ‘hadronik kalorimetre’ sinyallerini gösteriyor. Parçacıkların dedektörde bıraktıkları bu izlerden parçacıklar tanımlanıp, momentum ve enerji ölçümleri gerçekleştiriliyor.
Analiz iki farklı yöntemle gerçekleştiriliyor. Birinde Higgs sinyalini arkaplan sinyalinden ayırt edebilmek için Boosted Decision Trees (BDT) yöntemleri kullanıyor. Bu yöntemler, elinizdeki verinin belirli özelliklerini kullanıp (örneğin bir olaydaki parçacıkların momentum değerleri, enerjileri vs…) olayları sınıflandırabilmenizı sağlayan birer ‘machine learning’ yöntemleri. İkinci yöntemde ortaya çıkan b-quarkların oluşturdukları jet yapılarını bir araya getirerek ‘invariant mass’ değeri elde ediliyor. Elimizdeki jetler eğer Higgs bozunumu sonucunda oluşmuş quarklardan geliyorsa gözlenen olay sayısında Higgs kütlesi civarında bir ‘artış’ görülmesi bekleniyor.
Sonuç olarak BDT ve ‘invariant mass’ yöntemlerinin her ikisiyle de elde edilen sonuçlar, Higgs’in b ve anti-b kuarklarına bozunduklarını; üstelik bozunma oranının yani bu şekilde beklenen olay sayısının Standart Model’in tahmin ettiği değerlerle belirli bir hata payı içinde tutarlı olduğunu gösteriyor.
Üstte: Her iki grafikte de b ve anti-b quarkın ‘invarint’ kütlesi, o kütle değerinde gözlenen olay sayısıyla çizilmiş. Grafikte farklı renklerle verilmiş içi dolu kutular arkaplanı ve sinyali modelleyen (Standart Model’i kullanarak üretilen) Monte Carlo simülasyonlarını, siyah noktalarla gösterilenler de verileri ifade ediyor. Kırmızı renkler sinyali aradığımız VH olaylarının sinyalini gösteriyor. Grafiklerde görüldüğü gibi veri aradığımız VH olaylarından gelen katkıyla (kırmızı kutu) birlikte Monte Carlo ile uyumlu. Bu da aradığımız sinyalin varlığını ve Standart Modelle uyumlu olduğunu gösteriyor.
Bu hassas ölçüm Higgs mekanizmasının leptonların kütlesinden de sorumlu oldukları teorisini doğruluyor. Higgs’in LHC’de keşfinin üzerinden altı sene geçmesine rağmen parçacığa dair yepyeni şeyler test edip, öğrenmeye devam ediyoruz. Şu ana kadar yapılan gözlemler elimizdeki Standart Model ile uyumlu görünüyor. Fakat yapılan her bir ölçüm, ölçüm süreçleri ve alınan verinin büyüklüğü ile birlikte ancak bir hata oranı ile bir sonuç veriyor. Ölçümler üzerindeki hata payları hala Standart Model’den sapmalara yönelik açık kapı bırakmaya devam ediyor. Bu sapmalar birçok fizikçiyi heyecanlandıracak ‘Standart Model’in ötesinde bir Fizik’e işaret edebilecek fakat bunu bilmenin tek yolu bu tip hassas ölçümleri yılmadan yapmaya devam etmekten geçiyor.
- Makaleyi okumak için: arXiV
- Makale ile ilişkili ATLAS’ın basın duyurusu için tıklayınız.
- ATLAS’ın araştırmaya dair yazdığı özet şeklinde Fizik Brifing’i için tıklayınız.
- Makalelerin Phys. Rev.’de yayınlanması ile birlikte yayınlanan kısa bir yazı için: Physics
- Nature’da yayınlanan güzel bir yazı için: Nature
* Bu yazı, aynı zamanda lab üyesi A. Bayırlı’nın blogu Standart Model‘de de yayınlanmıştır.