Parçacık fiziği nedir? Parçacık fiziğini oluşturan temel kavramlar, konular nelerdir? Evrende antimadde bulunuyor mu? Karanlık maddenin varlığını fizikçiler nasıl biliyor?

Kısa bir süreliğine Türkiye’ye dönen ve Ankara’ya da gelen Dr. Şeyda İpek’i, Bilimma’nın ofisinde konuk ettik. California Üniversitesi Irvine kampüsünde doktora sonrası araştırmacı olan teorik parçacık fizikçi Dr. Şeyda İpek ile bir söyleşi yaparak, parçacık fiziğini, Amerika Birleşik Devletleri’de (ABD) lisansüstü öğrenimini ve daha fazlasını konuştuk.

Dr. Şeyda İpek, lisans eğitimini Bilkent Üniversitesi Fizik Bölümü’nde gördü. Lisansın ardından Şeyda Hanım, Koç Üniversitesi’nden yüksek lisans ve ardından Washington Üniversitesi’nden doktora derecelerini aldı. Teorik parçacık fiziğine tam olarak doktorada geçtiğini söyleyen Dr. İpek, parçacık fiziğini anlatmadan hemen önce, madde ve antimadde kavramlarına açıklık getirdi.

Hilal Bardakcı: Madde ve antimadde nedir?

Dr. Şeyda İpek: “Parçacık fizikçi olarak, madde dediğimizde temel parçacıkları düşünüyorum, Bunlar, hepimizi oluşturan şeylerdir; organlarımız, hücrelerimiz ama onların da içinde atomlar olsun, atomun çekirdeği olsun, çekirdekteki kuarklar olsun bunları kastediyoruz aslında. Kuarklar, çekirdeğin etrafında dönen elektronlar, fotonlar temel parçacıktır mesela. Temel parçacık, daha küçüğüne bölemediğimizdir. İşte madde diye buna diyoruz.”

H.B.: Peki antimadde ne oluyor bu durumda?

Dr. İpek: “Teorik olarak maddenin yanısıra antimadde de vardır. Her parçacık için temel anti parçacık olur; elektron için pozitron, kuark için anti kuark gibi. Bu şekilde her parçacığın anti parçacığı vardır. Antimadde de bu anti parçacıklardan oluşuyor aslında. Parçacıklar ile aynı özelliklere sahiptir, sadece onların negatifidir.”

Evrende eşit miktarda madde ve antimadde olsaydı bizler olmazdık

H.B.: Evrende antimadde olsaydı bizler olmaz mıydık?

Dr. İpek: “Madde – antimaddeyi şöyle ifade edebilirim; ‘zıt yükler birbirini çeker’ deriz, onun gibi, -1 yüklü bir parçacık ile +1 yüklü parçacık birbirini çekip 0 yüklü oluyor. Parçacık fiziğinde 0 yüklü olmak demek, birbirini yok edip, enerjiye dönüşmektir. Bu enerji de fotonlar aracılığıyla oluşur. Evrende eşit miktarda madde ve antimadde olsa bunlar birbirlerini çekip yok eder. İşte bu yüzden biz bu evrende antimadde yok diyoruz. Bizi yok eden bir şey yok çünkü. Fakat bu, evrende hiçbir şekilde antimadde yok anlamına gelmesin. Antimaddeyi bizler laboratuvarda üretebiliyoruz. Tabi çok kontrollü, küçük miktarlarda üretiyoruz ve onların da başka bir madde parçacığını bulup yok olduğunu görüyoruz.”

H.B.: Karanlık madde nedir, varlığı biliniyor ama gözlemlenemiyor mu?

Dr. Şeyda İpek: “Karanlık madde aslında ne olduğunu bilmediğimiz bir şey. Karanlık maddenin sadece var olduğunu biliyoruz, çünkü yerçekimsel etkileşimlerini gözlemledik. Evrendeki bir kısım varlık, Güneş Sistemi ya da Samanyolu Galaksisi gibi sistemlerdeki yıldızların hızını etkiliyor. Bir galaksi etrafında dönen yıldızların dönüş hızına baktığınızda şunu gözlemlersiniz; galaksinin kütlesinin çoğunluğu galaksinin merkezinde toplandığı için orada yer çekimi kuvveti daha fazladır. Galaksi merkezinden uzaklaştıkça yer çekimi kuvveti azalır. Bu yüzden beklenen, galaksi merkezinden uzak olan yıldızların daha yavaş dönmesidir. Ancak gözlemlerde galaksi merkezine uzak olan yıldızlar da yakın olanlarla aynı hızda dönüyor. Bununla ilgili bir teori, belki de bizim göremediğimiz bir maddenin olması ve bu yüzden yıldızların hızlı dönmesidir.

Fakat bu karanlık maddeyi hiçbir şekilde gözlemleyemedik. Tek gözlemimiz, yerçekimsel kuvvetinin olması, yıldızları hızlandırmasıdır. Buna dayanılarak madde deniliyor.”

CERN’de bile gözlemlenemeyen nötrinolar…

H.B.: Nötrino parçacıklarını anlatır mısınız hocam?

Dr. Şeyda İpek: “Nötrino parçacıklarının elektrik yükleri yoktur. Bir de Higgs bozonu ile etkileşemiyor. Bundan dolayı da kütlelerinin olmaması gerekiyor fakat nötrinoların kütlesinin olduğu 2000’lerin başında belirlendi. Bu durum, standart model ile açıklanamıyor ve bunu açıklamak için yeni fizik modeli dediğimiz standart modelin ötesinde yeni modeller geliştirilmeye çalışılıyor.

Nötrino parçacıklarının diğer bir özelliği de diğer parçacıklar ile etkileşiminin çok çok az olmasıdır. Zorluğu deneylerde görmemizin çok zor olması. Yani çok yoğun bir maddeye ihtiyaç duyuluyor ki nötrino o maddeye / dedektöre çarpsın, bizler de etkileşimini görelim. CERN’de bulunan Large Hadron Collider’de (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı)* yürütülen çalışmalarda örneğin çok sayıda nötron oluşturuluyor ama hiçbir şekilde bunlar dedektörle etkileşime girmiyor ve uçup gidiyor. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda diğer tüm parçacıklar gözlemlenmesine rağmen nötrino gözlemi gerçekleşemedi. Ancak başka, özel nötrino dedektörleri bulunuyor.”

*Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, dünyanın en büyük ve en güçlü parçacık çarpıştırıcısıdır.

Dr. İpek’in parçacık fiziği çalışmalarına giden yolu

Söyleşinin ilerleyen dakikalarında, Dr. Şeyda İpek’e daha çok özel yaşamı, eğitim hayatı hakkında sorular sorduk. Dr. İpek’e bu bölümde ilk sorumuz, “küçük yaşlarda fen bilimlerine ilgisinin olup olmadığı” idi. Dr. Şeyda İpek’in sorumuza cevabı:

“Aslında ilk olarak arkeolojiye ilgi duymuştum. Daha sonra gitgide matematiğe ilgim kaydı. Ortaokuldan beri de fizik ve matematik derslerini çok sevmiştim. İkisi arasında gidip geliyordum. Ancak ortaokuldayken daha çok matematiğe ilgim vardı diyebilirim.”

H.B. : Yani fiziğe ilginiz ilk olarak ortaokulda başladı?

Dr. İpek: “Evet, evet. Ama hem fizik hem matematik üzerineydi ilgim. Sadece fiziğe ilgim oluşmuştu diyemem. Hatta dediğim gibi daha çok matematiği seviyordum o zamanlar.”

H.B. : Üniversite ve yüksek lisans yıllarınız nasıl geçti?

Dr. Şeyda İpek: “Lisansımı Bilkent fizikte yaptım. Bilkent Üniversitesi’nde çok iyi bir eğitim aldım ancak parçacık fizikçi hocamız yoktu. Parçacık fiziği, sadece popüler bilim dergilerinden öğrendiğim bir konuydu. Dersini alamamıştım hiç. Konuşabileceğim hoca da yoktu. Bilmediğim ve merak ettiğim bir konu oldu ve bu yüzden parçacık fiziğine yönelmek istedim. Ama yüksek lisansımda da parçacık fiziğini işlemedim; klasik yer çekimi teorileri üzerine çalıştım. Daha çok matematiksel fizik konularını öğrendim yüksek lisansta. Parçacık fiziğine tam olarak Washington Üniversitesi’nde doktoramda başladım.”

H.B. : Doktorada tam olarak geçiş yaptınız parçacık fiziğine. Nasıl bir araştırma süreci yaşadınız, neler yaptınız? Washington Üniversitesi’ne nasıl kabul edildiniz mesela?

Dr. İpek: “ABD’nin doktora başvuruları Türkiye ve Avrupa’ya göre daha farklı, daha sistematik. İlk önce sınava giriyorsunuz, daha sonra aldığınız puan ve hazırladığınız niyet mektubu ve referans mektubuna göre başvuru yapabiliyorsunuz okullara. Avrupa’da ise daha çok -bildiğim kadarıyla- hocalara kendini kabul ettirmek gerekiyor, ABD’de ise okullara kabul ettirmek gerekiyor.

ABD’de okullara başvuru süreçleri de biraz pahalı. Şu an çalıştığım University of California – Irvine (UC Irvine) gibi bazı okullar artık bu sistemi değiştirmeye çalışıyor. Bu sınavlar aslında başarı olasılığınızı yansıtan sınavlar değil, ayrıca maddi yükü de çok.”

Lisansın ardından ABD’de direkt doktora yapabilirsiniz

H.B: ABD’de lisansüstü eğitim görmek isteyenlere tavsiyeniz ne olur?

Dr. Şeyda İpek: “Başvurmak isteyenlerin başvuru süreçlerini sıkı takip etmesi gerekiyor. Öğrenciler, başvuru yapmak istediğiniz okulla ya da hocayla iletişim kurmaktan çekinmemeli. Hatta başvuru yapacakları okulda bir tanıdıkları varsa onlarla mutlaka konuşmalılar. Yahut bir tanıdığınız yoksa bile o okuldan biriyle irtibat kurarak nasıl mektup hazırladıklarını öğrenebilirler.

Bir de şunu belirteceğim bizde master yapılır 2 sene ama ABD’de birçok okulda master programı yok, özellikle fen alanlarında. Farklı olarak doktora 5 yıl sürüyor. İlk yıl ders alınıyor sonra yeterlilik sınavından geçilirse çalışmaya başlıyorsunuz. Ben yüksek lisans yapıp gitmiştim. Eğer direkt ABD’ye gitmek isteyenler varsa lisanstan sonra direkt doktora programlarına başvurabilirler.”

H.B. : Doktora çalışmalarınızı nasıl yapıyordunuz?

Dr. İpek: “İlk sene kuantum alan teorisi dersi almıştım. Bu, parçacık fizikçiler için çok önemli ve kesinlikle de ihtiyaç duyulan bir konu. Daha sonra da standart modeli öğrenmeye başladım. Doktoraya başladıktan sonra daha çok kendi kendime öğrenmeye başladım, kitapları / makaleleri okuyarak çalıştım.”

H.B.: Teorik parçacık fizikçiler laboratuvarda da araştırma yapıyor mu?

Dr. İpek: “Laboratuvar dersim olmadı lisans dışında. Ama ben bir fizikçinin teorik derslerin yanı sıra laboratuar dersleri almasından yanayım. Hem deney hem teorik dersler gerekli. İstatistik tarzı dersler yine fizikçiler için çok önemli. Bir veriyi anlamamız için istatistiksel metotlara çok ihtiyaç oluyor.”

H.B.: Doktora sonrası araştırmalarınızda neler yapıyorsunuz?

Dr. İpek: “Geçtiğimiz yıl Ocak ayında UC Irvine’da doktora sonrası araştırmacı (postdoc) olarak çalışmalarıma başladım. California Üniversitesi’nin rektörlük bursuyla başladım programa. Burs, akademik olarak özgürlük verdi. Kendi çalışmalarımı kendim seçebiliyorum.”

H.B.: ABD’de kalma düşünceniz var mı?

Dr. İpek: “ABD’nin akademik sistemine alıştım. Yaklaşık 10 yıl oluyor ABD’de yaşamaya başlayalı.Yeni bir sisteme alışmak zor gelebilir de. Bilemiyorum ama zamanın ne göstereceğini.”

H.B.: Fizik okumak isteyen gençlere tavsiyeniz var mı? Genelde fizik okumak ya da benzeri bölümleri okumak isteyen gençler, aileleri tarafından, tıp veya mühendislik gibi bölümlere yönlendiriliyor. Ne demek istersiniz bu noktada?

Dr. İpek: “Benim ailem de tıp okumamı istemişti. Bu konuda ‘kesin şöyle yapmalılar’ diyemem. Beni en çok destekleyen öğretmenlerim olmuştu. Öğretmenlerim ailemi ikna etmişti. Çünkü, fizikçi olacağım diyordum. Gerçekten bu bölümü okumak istediklerinden emin olmalılar. Ancak ilerleyen yıllarda fikirleri değişirse de artık bölümler arası geçiş yapmak eskisi kadar zor değil. Planlar değişebilir ancak bir yolunuz olmalı. Mühendislik okuyup sonra fiziğe geçen ya da tam tersini yapan arkadaşlarım var. Sadece daima planları, çizdikleri bir yol olsun derim.”