Temel Parçacıklar Ne Ola Ki??

KUVVET TAŞIYICI PARÇACIKLAR

Standart Model’deki kuvvet taşıyıcı parçacıkların;

• Hepsinin spini aynı ve ћ cinsinden 1,
•  Fotonlarla gluonlar elektrik yükü taşımaz ken, vektör bozonlardan W+ ile W- ninki +1 ve-1 Z⁰ınki ise nötr,
•  Fotonlarla gluonların kütlesi yoktur fakat vektör bozonların vardır.

Var olduğu düşünülen gravitonun spini 2, elektrik yükü ve kütlesi sıfırdır. Henüz gözlenememiş olan Higgs parçacığının kütlesi var, fakat spini ve elektrik yükü sıfırdır. Foton, bildiğimiz elektromanyetik enerjiyi taşıyan parçacıktır.

ETKİLEŞİMLER

Doğada 4 tür etkileşim vardır. Veya buna 4 çeşit kuvvet vardır da denilebilir.

Bu kuvvetler:

• Güçlü Kuvvet
• Elektromanyetik Kuvvet
• Zayıf Kuvvet
• Kütleçekim Kuvveti

Bildiğimiz tüm diğer kuvvetler bu dört temel kuvvetin; atom ölçeğindeki şiddetli işleyiş veya mücadelelerinin, bizler gibi büyük cisimlere yansıyan hafif kalıntılarından oluşuyor.

Peki nedir bu etkileşim, kuvvet dediğimiz şey?...

Kuvvet, iki parçacık arasındaki itme veya çekmenin varlığını veya güçlülük düzeyini betimler. Ancak genellikle, bunu nasıl yapabildiğinden pek söz edilmez. Mesela Dünya kütlesiyle Ay’ı çektiği söylenir. Onca mesafeyle ayrılmış bulunan bu iki kütlenin birbirini çekmesi, bir bakıma uzaktan eylem niteliği taşır ve çoğu zaman bir sır perdesinin ardında kalır. Bir başka taraftan bakarsak benzer elektrik yüklerinin birbirlerini uzaktan itmesinde veya zıt yüklerin birbirini çekmesinde de bir bilinmezlik vardır.  Arada bir etki taşıyıcı aracının olması gerekir.

ETKİLEŞİMLERİN İŞLEYİŞLERİ

• GÜÇLÜ

Kuarklar elektrik yükünden başka, bir de renk yükü taşırlar. Nasıl bir elektrik  yüklü parçacıklar, elektrik yüklerinin mümkün kıldığı foton alışverişi aracılığıyla elektromanyetik etkileşimde bulunuyorlarsa, kuarklar da bu yükleri sayesinde, gluon alışverişinde bulunarak, birbirleriyle güçlü etkileşime giriyorlar. İki kuark  birbirlerine yeterince, mesela 10^-17 m gibi bir mesafede iseler, çılgınca gluon alışverişine başlıyor ve bu gluonların oluşturduğu, son derece güçlü bir renk kuvveti alanı kuarkları birbirine bağlıyor. Hem de kuarklar birbirinden uzaklaşmaya başlayınca, aralarındaki bu kuvvet alanında biriken potansiyel enerji, giderek de artıyor.

• ELEKTROMANYETİK

Elektromanyetik kuvvet, benzer yüklerin birbirini itmesine, zıt yüklerin birbirini çekmesine yol açar. Parçacıklar bunu aralarındaki foton alışverişi aracılığıyla yaparlar.

Işık bildiğimiz gibi aslında, seyahat eden, birbirine dik ve periyodik salınımlı elektrik ve manyetik alan konfigürasyonlarından oluşur. Dolayısıyla seyahat ederken dalga davranışı gösterir. Fakat, girdiği bir etkileşimin sonucu olarak soğurulması sırasında, enerjisini gelişigüzel miktarlarda değil de; tek frekanslı bir ışıksa eğer; frekansıyla orantılı belli miktarlar halinde yitirir. Tek frekanslı ışık burada; sanki enerji parçacıkları taşıyormuş da, bunları birer birer yitiriyormuş ve dolayısıyla adeta eşik enerji paketçikleri taşıyan parçacıklardan oluşuyormuş gibi davranır. Bu, ışığın parçacık davranışıdır. Sonu. Olarak ışık; bazı etkinlikleri açısından veya sırasında dalga, bazı diğer etkinlikleri açısından veya sırasında da parçacık gibi davranır.  Buna ışığın “dalga-parçacık ikili davranışı” denir ve aynı ikili davranışı aslında, madde parçacıkları da gösterir. Işığın bu ikinci tür davranışını açıklamakta kullanılıp da, belli miktarlarda enerji taşıdığı düşünülen paketçiklere foton denir.

•  ZAYIF

Zayıf etkileşim, ağır kuark ve leptonların daha hafif kuark ve leptonlara bozunmasından sorumludur. Bozunma sürecinde; ilgili temel parçacığın kaybolduğu ve ortay iki veya daha fazla sayıda farklı parçacığın çıktığı gözlemleniyor. Toplam kütle ve enerji korunmakla beraber, bozunan parçacığın kütlesinin bir kısmı, ortaya çıkan parçacıkların kinetik enerjisine dönüşüyor. Dolayısıyla, bozunma ürünlerinin kütlelerinin toplam hep, başlangıçtaki kütleden az oluyor. Etrafımızdaki kararlı kütle, daha öeye bozunamayan, en hafif, I. Nesil kuark ve leptonlardan oluşuyor. Bir kuark veya lepton bozunduğunda, çeşnisinin değiştiği söyleniyor ve bütün çeşni değişimleri, zayıf etkileşim sayesinde veya nedeniyle gerçekleşiyor. Etkileşim, elektrik yükü taşıyan ve birbirinin karşıtı olan W+ ve W- parçacıkları ile, yüksüz Z⁰ parçacığı tarafından taşınıyor. Bu üçüne ‘vektör bozonlar’ deniyor.

• ELEKTROZAYIF

Uzun zamandır, zayıf kuvvetin elektromanyetik kuvvetle yakın bir ilişkisinin bulunduğu düşünülüyordu. Nihayet, 10^-18 m gibi küçük mesafelerde zayıf etkileşimin gücünün, elektromanyetik etkileşiminkiyle kıyaslanabilir olduğu belirlendi. Öte yandan, bunun 30 misli, yani 3*10^-17 m mesafe düzeyinde, zayıf etkileşimin güvü, elektromanyetik etkileşiminkinin 1/10000 katına iniyordu.

Bir nötron veya protonu oluşturan kuarkların arasındaki tipik mesafelerde(10^-15m) ise, bu oran çok daha küçülüyordu. Sonuç olarak, zayıf ve elektromanyetik kuvvetlerin gücünün. Esas olarak eşit düzeyde olduğu sonucuna varıldı. Çünkü bir etkileşim gücü, taşıyıcı parçacığın kütlesine ve etkileşim mesafesine güçlü bir şekilde bağlıydı. İki kuvvetin güç düzeyleri arasındaki gözlemlenen fark, görece çok ağır olan W ve X parçacıkları ile, bilindiği  kadarıyla kütlesi olmayan foton arasındaki kütle farkından kaynaklanıyordu.

Sonuç olarak Standart Model’e elektromanyetik ce zayıf etkileşim; Glashow, Salam ve Weinberg tarafından geliştirilmiş olan birleşik bir elektrozayıf kuramda birleştirilmiş bulunuyor. Bu iki alanın Birleşik Alanlar Kuramı, o zamana kadar zayıf etkileşimin tek taşıyıcısı olduğu düşünülen W parçacıklarının kütlesini hesaplayabildiği gibi, yeni bir tür zayıf etkileşimin ve bu etkileşim taşıyıcısı olan Z parçacığının varlığını da öngördü.

• KÜTLEÇEKİM KUVVETİ

Kütleçekimi, madde ve karşıt madde parçacıklarını aynı şekilde etkiliyor. Bu etkileşimin taşıyıcısı olduğu düşünülen parçacığa graviton deniyor. Fakat bu parçacık hala gözlenememiş durumda.

Standart Model tarafından açıklanamıyor ve bu durum fiziğin bu günkü yanıtsız kalmış ana sorunlarından birini oluşturuyor. Gerçi kütleçekimi kuvvetlerinin nasıl hesaplanacağı biliniyor. Fakat Standart Model en basit haliyle, bazı parçacıkların kütlelerini hesaplayamıyor veya bu kütleler hakkında öngörülerde bulunamıyor. Çünkü bu etkileşimin, Standart Model'in kuantum mekaniğindeki matematiğe nasıl dahil edileceği, henüz tam olarak bilinmiyor. Ancak bu, Standart Model'in yanlış olduğu anlamına gelmiyor. Çünkü, örneğin Isaac Newton'un mekanik kanunları yanlış değildi ve hala, düşük hızlara sahip büyükçe boyutlu cisimler için doğru sonuçlar veriyor. Ne zaman ki ışık hızına yaklaşan yüksek hızlara ulaşılabildi ve Newton kanunlarıyla açıklanamayan olaylarla karşılaşıldı; o zaman bu klasik mekaniğin, daha doğru sonuçlar verebilmesi için, Einstein'ın relativite kuramıyla yaptığı gibi genişletilmesi gerekti. Benzer şekilde Standart Model'in de, kütleçekimini tam anlamıyla açıklayabilecek biçimde geliştirilmesi gerekiyor.

PARÇACIK GRUPLARI

Leptonlar genelde yalnız kalmayı tercih ederlerken, kuarklar sosyal davranıyor ve ikili veya üçlü gruplar halinde bir araya gelerek, görece kararlı yapılar oluşturmayı tercih ediyorlar. Bileşenleri birbirine güçlü bir şekilde bağlı olan bu kuark sistemleri genel olarak; güçlü anlamına gelen hadros sözcüğünden esinlenerek verilmiş olan hadronlar adı altında toplanmıştır. Diğer yandan daha ağır olan üçlülere baryon ikililere ise mezon deniyor.

KUARK GRUPLARI

PROTON VE NÖTRON

Proton ve nötron gibi, daha iyi tanıdığımız karmaşık parçacıklar, kuark üçlülerinden oluşan birer baryondur.

• HADRONLAR

Hadronlar ikiye ayrılırlar. Bunlar Baryonlar ve Mezonlar’dır.

Kuarklar üçlüler halinde bir araya gelerek, daha pek çok diğer parçacık oluşturuyor. Baryonlar ailesinin bilinen, yaklaşık 120 çeşit üyesi var. Bazılarında üç kuarkın spini de aynı yönde olur ve bu durum, toplam spini 3/2 olan, daha ağır veya yüksek enerjili baryonlara vücut verir. Dolayısıyla, parçacıkların hepsinde; elektrik yükü e'nin tamsayı katları halinde iken, renk yükü nötür, spin ise 1/2 veya 3/2 olur.

Dikkat edilecek olursa, protonlarla nötronlar, birinci nesile ait kuark üçlülerinden oluşuyor. Bu hafif kuarkların pek çok farklı dizilimleri var. Örneğin (y-y-y) veya (a-a-a), Δ⁺⁺ veya çok kısa ömürlü Δ parçacıklarına vücut veriyor. İkinci veya üçüncü nesil kuark üçlülerinden oluşan, daha ağır baryonlar da var. Bunlara 'hiperon'lar deniyor ve bunların ömürleri çok kısa oluyor.

İkili kuark sistemlerinden oluşan mezonlar ailesi ise, sayıca 140 civarında. Hep; bir kuarkla, herhangi bir karşıt kuarktan oluşuyorlar. Örneğin pion parçacığı (π⁺), bir 'yukarı kuark' ile bir 'aşağı karşıtkuarktan' oluşan bir (y-ak) mezon. Yukarı kuarkın elektrik yükü +2/3, aşağı karşıt kuarkınki +1/3 olduğundan, pionun net yükü +1 oluyor. Renk yükü ise; söz konusu yukarı kuark ile aşağı karşıt kuark, örneğin 'mavi ve karşıt mavi' gibi birbirinin karşıtı olan renk yüklerine sahip olduklarından; nötr. Spine gelince, bileşimdeki iki parçacığın 1/2 olan spinleri zıt yönlerde eşleştiklerinden, 0 oluyor. Spinlerden birinin diğerine paralel hale getirilmesi halinde bu parçacık, spini 1 olan daha ağır veya yüksek enerjili ro mezonuna (ro+) dönüşüyor. Çünkü atomlardaki elektronların spinlerinin yönlerini paralel hale getirmek birkaç elektron voltluk az miktarda enerji gerektirirken, kuark gruplarında bu işlem MeV'ler düzeyinde enerji gerektiriyor.

•  LEPTONLAR

Leptonlar, her atomun yapısında var ve çekirdeğin pozitif elektrik yükünü nötürleştiriyor. Elektrondan daha ağır olan muon ve tau; karmaşık parçacıkların bozunma, dönüşüm veya yok edilme süreçleri sırasında veya sonrasında ortaya çıkıyorlar. Elektrik yükleri ve görece büyük kütleleri sayesinde, kolayca gözlemlenebiliyor; fakat ortaya çıktıktan sonra büyük bir hızla veya kısa bir sürede, daha hafif leptonlara, sonuç olarak da elektrona dönüşüyorlar. Dolayısıyla, etrafımızdaki görünür maddenin yapısında hiç yer almıyorlar. Nötrinolar ise; renk veya elektrik yükü taşımadıklarından, öte yandan çok küçük kütlelere sahip bulunduklarından; diğer parçacıklarla ve dolayısıyla maddeyle, çok zayıf bir kütleçekimi dışında hemen hiç etkileşime girmiyorlar. Örneğin dünyamızın bir tarafından girip; atomlarının tek biriyle dahi etkileşmeksizin, yani hiçbir çarpışmaya girmeksizin, diğer tarafından çıkıp gidebiliyorlar. Bu özellikleri nedeniyledir ki; varlıkları doğrudan gözlenmek yerine, bozunmalar sırasında momentumun korunması gereğini yerine getiren bir varsayımdan hareketle keşfedilmiş. Halbuki evrenin erken aşamalarında, çok büyük miktarlarda üretilmiş olmaları gerekiyor. O halde; maddeyle hemen hiç etkileşime girmedikleri için, o zamandan beridir hala evrende dolaşıyor olmalılar ve etrafımızda bolca varlar. Hatta, küçücük kütlelerine rağmen çok büyük sayılarıyla; evrenin kütlesine büyük bir katkıda bulunuyor ve genişlemesini etkiliyor dahi olabilirler.

SPİN: FERMİYONLAR VE BOZONLAR

Bir nokta etrafında dönen bir cismin, o nokta etrafında 'açısal momentum'a sahip olduğu söylenir. Örneğin dünyamız güneş etrafındaki hareketinden dolayı, bir açısal momentuma sahiptir. Açısal momentum, tıpkı doğrusal momentum gibi korunan bir büyüklük olduğundan dolayı, önemli bir kinetik değişkendir. Parçacıkların birbirleriyle etkileşimini inceleyen 'parçacık kinematiği'nde de böyle...

Dünyamız güneşin etrafında olduğu gibi, kendi ekseni etrafında da dönüyor. Bu dönme hareketinden kaynaklanan bir açısal momentum bileşeni daha var: Buna veya genelde bir cismin kendi etrafında dönmesinden kaynaklanan açısal momentuma, spin deniyor. Spin, aslında açısal momentumdan farklı bir şey değil. Onunla aynı birime sahip ve ikisi vektörel olarak toplanabiliyor. Korunan büyüklük de bu toplam zaten. Ancak açısal momentum bazen, sadece spin bileşeninden oluşabiliyor. Tıpkı pürüzsüz bir yüzeyde, değme noktasını değiştirmeksizin, sürtünmesiz dönen ideal bir topaçta olduğu gibi. Bu değişken o zaman, daha çok işe yarıyor. Çünkü bu durumda spin, toplam açısal momentumu oluşturuyor ve tek başına korunuyor. Aksi halde açısal momentum bileşenleri, korunum hesaplarına birlikte katılıyor.

Bütün temel tanecikler spinlerine bağlı olarak bozon ve fermiyondurlar. Spin istatistik kuramı fermiyonları bozonlardan ayıran kuantum istatistiklerini belirler. Buna göre, madde ile ilişkilendirilen parçacıklar fermiyondur. Bunlar yarım tamsayı spine sahiptirler ve 12 çeşniye ayrılırlar. Temel kuvvetlerle ilişkilendirilen parçacıklar bozondurlar ve bunlar tamsayı spine sahiptirler.

• FERMİYONLAR

KUARKLAR: Yukarı, aşağı, tılsım, acayip, üst, alt

LEPTONLAR: Elektron nötrino, elektron, müon nötrino, müon, tau nötrino. Tau.

• BOZONLAR

AYAR BOZONLARI: Gluon, W ve Z bozonları, foton

DİĞER BOZONLAR: Higgs Bozonu, graviton

Eğlenceli Bilimler! :)

Kaynak: http://www.biltek.tubitak.gov.tr/bilgipaket/madde/standart.html