Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Kuantum Karanlık Delikleri ve Her Şeyin Teorisini Aramaya Devam Ediyor

CERN’in Büyük Hadron Çarpıştırıcısındaki (LHC) fizikçiler, atomdan bile küçük ömrü çok kısa karanlık delikler arayışında hâlâ sonuç alamadı. Bu araştırmayı yürüten Compact Muon Solenoid (CMS) deney ekibi, çarpışmalardan elde edilen verileri 12 teraelektron volt (TeV) enerjiye kadar taramasına rağmen hem karanlık deliklere hem de öngörülen gizli boyutlara dair kanıt bulamadı. Ancak bu boş sonuçlar, araştırmanın gereksiz olduğu anlamına gelmiyor; aksine yeni parçacıklar ve uzay-zamanın yapısına dair gizemleri çözme yolunda izlenecek yolu yeniden belirliyor.

Bu tür nesnelerin keşfi, fizikçilerin uzun yıllardır çözümünü aradığı iki büyük teoriyi birleştirmeye ışık tutabilir. Bunlardan biri yerçekimini en iyi şekilde betimleyen genel görelilik teorisidir; diğeri ise atomdan küçük ölçeklerde evreni açıklayan kuantum alan teorisidir. Bu iki çerçevenin şu ana kadar uyumlu hale getirilememesi, modern fiziğin en köklü sorunlarından birini oluşturuyor.

Karanlık delik arayışı ve “her şeyin teorisi” umudu

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, dünyanın en güçlü parçacık çarpıştırıcısı olarak biliniyor. Fizikçiler protonları neredeyse ışık hızına kadar hızlandırıp çıştırdığında ortaya çıkabilecek yüksek enerjilerin, karanlık deliklerin oluşumunu tetikleme potansiyeli olduğuna inanıyor. Böyle bir nesne oluşsa bile evreni yutma ihtimalinin olmadığı vurgulanıyor; çünkü bu mini karanlık delikler anında buharlaşıyor.

Bu arayışın ardındaki temel motivasyon, yerçekiminin neden evrendeki en zayıf kuvvet olduğu sorusuna yanıt bulmak. Bazı teoriler, yerçekiminin bizim algılayamadığımız gizli boyutlara sızmasıyla bu zayıflığın açıklanabileceğini öne sürüyor. Eğer bu doğruysa, yüksek enerjili çarpışmalar bu ek boyutlarda yerçekimini belirgin şekilde güçlendirebilir.

Eğer karanlık deliklere dair kanıt bulsaydık, kuantum yerçekimini doğrudan çalışmaya başlayabilirdik. Bu, fizikçilerin yüzyıldan fazla bir süreden beri hedeflediği tüm temel kuvvetleri birleştirme yolundaki adımlardan biri olurdu.

Tamas Vami, CMS Deneyi Araştırmacısı

Fizikçiler için standart modelin ötesindeki yeni fizik, ancak LHC’in üretebildiği yüksek enerjilerde ortaya çıkabilir. Bu nedenle boş sonuçlar, araştırmayı bırakmak yerine merakı daha da artırıyor.

Bir bulgu değil, istisna sınırı: Bilimsel ilerlemenin yolu

Araştırma ekibi, CMS çarpıştırıcısından toplanan verileri 12 TeV’ye kadar taramış ve karanlık delik ya da gizli boyutlara dair kanıt bulamamıştır. Ancak bu durum ekibi umutsuzluğa düşürmüyor; çünkü boş sonuçlar bile bilimsel açıdan değerli bilgiler içeriyor.

Bu bir son nokta değil. Elde edilen sonuç bir istisna sınırıdır ve gerçekten yayınlanabilir geçerli bir ifadedir: “Bu şey bu özelliklerle var olsaydı, onu görmüş olurduk. Görmedik, o yüzden burada eleniyor.” Bu, evrenin nasıl çalıştığına dair gerçek bir bilgidir.

Danyi Zhang, Incandela Lab Araştırmacısı

Zhang’a göre teoriler tek bir kesin cevap öngörmez; bunun yerine bir parçacığın gizlenebileceği geniş bir yelpaze sunar. Her arama bu yelpazenin bir bölümünü elemiş ve “burada değil” demiştir. Zamanla yeni fiziğin hâlâ gizli olabileceği alanların haritası daralır.

Karanlık delikler nasıl tespit edilir?

Bir karanlık delik anında kaybolduğundan, doğrudan tespiti LHC’deki en gelişmiş dedektörler için bile imkânsızdır. Bu nedenle fizikçiler nesneyi, çürümesi sırasında yaydığı parçacıklar ve enerji aracılığıyla tespit etmeyi tercih ediyor.

Bir karanlık delik oluşturursunuz ve hemen parçalanır. Ancak çok küresel bir çüreme imzası bırakır; her yöne çok sayıda şey yayılır. Karanlık deliklerin gerçekten yüksek enerjili olduğunu biliyoruz. Bu yüzden çarpışmadan ortaya çıkan ürünlerin enerjisini alıp toplarız. Toplam yeterli büyüklüğe ulaşırsa, sinyali bulma ihtimalimizin olduğu bölgeyi işaret ettiğini söyleyebiliriz.

Danyi Zhang

Bu yöntem, LHC araştırmalarında kanıtlanmış bir yaklaşımdır. Yine bu eleme süreci sayesinde 2012’de Higgs bozonunun keşfi gerçekleşmiştir. Karanlık deliklere dair arayış da aynı derecede değerlidir.

Kuantum etkileri ve iki büyük teori arasındaki uçurum

Fizikçiler, kuantum etkilerinin klasik astrofiziksel karanlık deliklerin sınırında ortaya çıktığını düşünüyor; ancak LHC’de oluşturulacak bu küçük deliklerde bu etkilerin daha da önemli olduğu ifade ediliyor. Bu yüzden araştırma, böyle merak uyandıran nesnelerin saklanabilecek başka bir yerinin kalmaması için sürdürülecek.

Doğayı betimleyen iki büyük teoriye sahibiz. Küçük şeyleri açıklamak isterseniz kuantum alan teorisine başvurursunuz; tüm parçacıkları açıklayan standart modelimiz var ve pratikte son derece başarılı çalışıyor. Çok, çok büyük ölçeklere geldiğinizde ise genel görelilik, büyük ve kütleli nesnelerin nasıl davrandığını açıklar. Bu iki teoriyi birleştirmenin zor olması, örtüştükleri koşulların oldukça seyrek olmasından kaynaklanıyor.

Tamas Vami

Vami’ye göre bu birleşimi gerçekleştirmek gerçekten zordur, çünkü hem çok küçük hem de aşırı derecede ağır durumların aynı anda söz konusu olduğu senaryolar sık karşılaşılan bir durum değildir.

Daha fazla veri toplanıp daha yüksek enerji alanlarına girildikçe, karanlık deliklerin çürüme ürünleri aracılığıyla bulunma olasılığı artar. Bu da araştırmacıları kuantum fiziği ile genel göreliliği birleştirme yolunda son derece yakın bir noktaya getirecektir.

Ekipin araştırması, fizik dünyasında yayımlanan bir dergide kamuoyuyla paylaşıldı.