Temel Parçacıklar ve Onların Etkileşmeleri/Temel Parçacıklar ve Onların Etkileşmeleri

Konusu 'Fizik' forumundadır ve Duru tarafından 4 Şubat 2010 başlatılmıştır.

  1. Duru

    Duru Administrator

    c. Temel Parçacıklar ve Onların EtkileşmeleriTemel parçacıklar temel etkileşmelerde (yukarıda hatırlattığımız 4 etkileşme türünde) iştirak edişlerine göre aşağıdaki gruplara bölünürler: Yapısı olan parçacıklar (adronlar). Adronların hepsinin temelini kuarklar (quarks) oluştururlar. Daha evvel söylediğimiz gibi, asıl temel parçacıklar etkileşme türlerinin hepsinde iştirak eden kuarklardır. Adronlar grubuna dahil olan ve spinleri tam olanlar (0 ve 1), yani bozonlar (Bose – Einstein istatistiğine uyanlar) mezon olararak adlandırılırlar. Adron grubuna dahil olup da, spinleri kesirli olanlara (1/2, 3/2), yani fermiyonlara (Fermi – Dirac istatistiğine uyanlar) baryon denilir. Şimdiye kadar bulunan adronların spinleri genelde 0 ve 1/2 dir. Yani adronlar (yapısı olan); mezonlar ve baryonlar olarak iki grup oluştururlar. Spinleri tam olanlar bozon, kesirli olanlar ise fermiyon olarak anılır. Yapısı olmayan temel parçacıklar da farklı türlere bölünürler. Bunların içinde en iyi şekilde incelenenler leptonlardır. Leptonların da hepsi fermiyondur ve spinleri 1/2 dir. Elektrik yükü olan leptonlar zayıf etkileşme dışında elektromanyetik etkileşmede de bulunurlar. Böylece lepton ve kuarklar yapısı olmayan gerçek temel parçacıklardır.Yapısı olmayan ve serbest halde bulunamayan kuarkların adronların yapısını oluşturduğunu söyledik. Kuarkların acayip bir özelliği, elektrik yüklerinin temel (yapısı olan) parçacıklar gibi tam değil, kesirli olmasıdır (eksi 1/3 ve artı 2/3). Kuarklar güçlü (baryon) etkileşmesinde de bulunurlar ve hepsi fermiyondur. Yapısı olmayan temel parçacıklar içinde birçok parçacık vardır ki, bunlar diğer temel parçacıkların etkileşmelerini gerçekleştirirler, yani temel etkileşme alanlarının kuantlarıdırlar. Diğer temel parçacıklar bu alan parçacıklarını birbirlerine gerçekten veya sanal şekilde alıp-vererek etkileşmelerini gerçekleştirirler. (Birbirine verip almaları, mekanikte iki kişinin bir kütleyi atıp tutarak mekaniksel etkileşmelerine benzer). Bu parçacıkların hepsi bozonlardır. Bunlardan ikisi uzaktan etkileşmeleri ışık hızı ile gerçekleştiren ve böyle bir işi üstlendikleri için kütleleri sıfır olan foton ve gravitonlardır. Hatırlayalım ki, kütlesi olan parçacıklar ışık hızında hareket edemezler. Fotonlar uzak mesafelere ulaşabildiklerinden ve elektromanyetik alanının parçacıkları olduklarından, eskiden beri bilinen ve teknolojilerde de kullanılan parçacıklardır. Gravitonlar da aynen fotonlar gibi sonsuz yaşayabilir ve her yere ulaşabilirler. Ama bunların etkileşme sabiti (genel çekim etkileşme sabiti) elektromanyetiğinkinden yaklaşık 1036 kere küçüktür. Bu nedenle de, demetleri çok büyük değerlere ulaşsa da şimdiye kadar gravitasyon dalgalarınıkaydetmek mümkün olamamıştır. Hatırlatalım ki, fotonlar ve gravitonlar ışımasında etkileşme katsayıları dışında diğer önemli bir fark da vardır: Elektromanyetik ışımanın oluşması için elektrik yükleri dağlımında dipol momentinin olması yeterlidir. Ama kütlelerin dağlımında dipol momentinin olması gravitasyon ışımasına neden olamaz. Bunun için kuadrupol momentinin olması gerekir. Diğer yandan, aynı miktar elektrik yükünün (veya kütlenin) kuadrupol ışıması dipol ışımasından çok zayıf olur. Böylece gravitasyon dalgalarının kaydedilme zorluğu, başta gravitasyon etkileşme katsayısının çok küçük olmasına, sonra da kaynakların zayıf ışımalı kuadrupol ışıması yapmalarındandır. Sonuçta; astrofizikçiler ikili radyopulsarların yörünge periyodunun küçülmesini ölçerek, dolayı yolla da olsa, gravitasyon ışımasının gerçekleşmesini gösterdiler ve Nobel ödülü kazandılar. Nükleer (baryon) etkileşmenin π (pi) mezonlarla gerçekleştiğini yaklaşık 60 yıl önce Yukawa Hideki (1908-1981) teorik olarak göstermiş ve 1949 yılında Nobel ödülü kazanmıştı. Ama şimdi biliyoruz ki, π (pi) mezonlar, yapısı olan parçacıklardır ve baryon etkileşmeleri daha alt ve yapıları olmayan 8 türde gluonlarla gerçekleşmektedir. Zayıf etkileşmeyi gerçekleştiren parçacıklar W+, W ve Z0 vektör bozonlarıdır. Yukarıda baryon ve zayıf etkileşmenin atom çekirdeği boyutundan (10-12 cm) daha küçük olduğunu hatırlatmıştık. Bunun da nedeni bu alanların parçacıklarının (kuantlarının) kütlelerinin büyük ve yaşam sürelerinin çok küçük olmasındadır. Bu bozonlar dışında, bilim adamları, halen bulunamamış Higgs bozonunun da (1960 yılında Peter Higgs tarafından ileri sürülmüştür)olacağını düşünüyorlar. Bu bozonun da çok önemli görevi olduğu düşünülmektedir. Bu bozonun temel parçacıkların kütlelerinin oluşmasını temin ettiği düşünülüyor. Böylece diyebiliriz ki, asıl temel parçacıklar yapısı olmayan, leptonlar ve kuarklardır. Bozonlarsa temel etkileşme alanlarının kuantlarıdırlar, yani temel parçacıkların birinin diğeri ile etkileşmesini üstlenen parçacıklardır. Leptonların ve kuarkların hepsi Fermi-Dirac istatistiğine uyduklarından fermiyondurlar. Bunlar fiziksel özelliklerine göre üç gruba bölünürler. Birinci gruptaki (kuşaktaki) parçacıklar kendine benzer ikinci gruptakilerden ve ikincidekiler de üçüncüdekilerden hafiftirler. Kuarklar 6 türdür (6 farklı güzel koku veya tat -flavors) ve eskiden bilinen temel parçacıklar gibi bunlarında iç kuant durumları vardır (spin ve izospin gibi). Bu iç özelliklere “renkler” denir. Her kuarkın da yükleri ters olan antisi vardır. Kuarklar da leptonlar gibi üç gruba bölünürler. Her üç gruba dahil olan kuarktan birisinin elektrik yükü artı 2/3 ve diğerininki eksi 1/3’dür. Güçlü etkileşmede gluon alışverişinde bulunurlar, bu etkileşmede renkleri değişebilir, ama kokuları değişmez. Zayıf etkileşmede ise tam olarak tersi oluşur, yani renkleri değişmez, ama kokuları değişebilir. Bir kuark diğeri ile öyle güçlü şekilde etkileşir ki, onlardan biri diğerinden uzaklaşamaz (confainment). Yalnız birleşerek “renksiz” adronlar oluştururlar. Tablo 1 Brinci İkinci Üçüncü Elektron e- Myuon μ Tau-lepton τElektron nötrinosu νe Myuon nötrinosu νe Tau-nötrino ν τ u-up kuark (yukarı) c-charm kuark (hayran) t-truth kuark (gerçek) d-down kuark (aşağı) s-strange kuark (tuhaf) b-beauty kuark (güzel) Doğal olarak bunların hepsinin antiparçacıkları da vardır. Unutmamak gerekir ki, her bir parçacığın antisinin kütlesi parçacığınkine eşittir, fakat taşıdığı yükleri terstir (zıtdır).Bu 6 tür kuarkın elektrik yükleri ve durgunluk enerjileri aşağıda verilmiştir: Tablo 2 Kuarkların adları Yükleri Durgunluk enerjileri d aşağı (down) -1/3 ~ 4 МeV u yukarı (up) +2/3 ~ 6 МeV s tuhaf (strange) -1/3 150 MeV c hayran (charm) +2/3 1.5 GeV b güzel (beauty) -1/3 4.5 GeV t gerçek (truth) +2/3 171 GeVYapısı olan temel parçacıkların spinleri olduğu gibi bunların da renklerinin olduğu sayılır. Yanlış anlama olmaması adına; bildiğimiz gibi moleküller ve atomlar biraraya gelmesi ile oluşan maddelerin koku, renk, güzellik, tuhaflık gibi belirtileri olabilir. Kuarkların ise böyle özellikleri doğal olarak olamaz. Bilim adamları bu sıfatları kuarklar için kullanmakla, sadece çalışmalarına renk katmak istemişlerdir! Yukarıda en hafif baryonun proton olduğunu ve durgunluk enerjisinin yaklaşık 1 GeV olduğunu hatırlatmıştık. En büyük kütlesi olan hiperonun (hadronun – Ω- hiperon) durgunluk enerjisi yaklaşık 3 GeV dir. Tablo 2 den görüyoruz ki baryonların yapısında yer alan son iki kuarkın durgunluk enerjileri (kütleleri – m=E/c2) hiperonların kütlelerinden bile çok fazladır. Leptonların yapısını oluşturan kuarkların kütleleri de leptonlarınkinden çok daha fazladır. Bir mukayese açısından; hidrojen bombasının patlaması sırasında birim kütleden ayrılan enerji atom bombasındakinden fazladır ve maksimum değeri % 0.8 mc2 yi aşmaz. Doğada serbest kuarklar olsaydı ve onları bir araya getirerek baryonlar (nükleonlar ve hiperonlar) oluşturmak mümkün olsaydı, birim kütleden ayrılan enerji 10000 kez fazla olurdu. Yani bir gram kuark yakıtı ile bir şehri yok etmek mümkün olabilirdi! Şimdiye kadar hiçbir deneyde kuarklara rastlanamamıştır. Ama buna rağmen parçacık ve yüksek enerji konularda çalışan büyük bilim adamları kuarkların temel parçacıkların yapısında bulunduklarına inanıyorlar. (Aslında insanların inanıp inanmamasının pek önemi yoktur. Bilgi ve düşünce gücü az olan insanlar mantığa uymayan şeylere bile inanabilirler). Kuark modeli ilk kez 1964 yılında ileri sürülmüştü ve buna en büyük katkıda bulunan; Ω- hiperonun kendisini ve fiziksel özelliklerini teorik olarak öngören, 1969 yılında Nobel Ödülü almış; Gell-Mann Murray (1929 -) olmuştu. Hızlandırıcı kullanılarak böyle özellikler taşıyan parçacık arandı ve hemen bulundu da. O zaman ben Moskova’da doktora öğrencisi olarak çalışmaya başlamıştım ve bizler -o pek heyecanlı yıllarda- Gell-Mann’ın yaptıklarının hayranıydık. Onun çalışmalarının temelinde cebirde yeni oluşturulan SU(3) ve SU(6) simetrileri bulunurdu. Bu matematik araca Gell-Mann dışında birçokları da katkılarda bulunmuşlardı. Bu araç konusunda büyük katkıda bulunanlardan biri de geçen -ve büyük olasılıkla bu 100 yılın da- en büyük Türk kökenli teorik fizikçisi Feza Gürsoy olmuştu. Çok kere ABD’ye gidip gelen ve öğrencilerini de ABD’de çalıştıran Feza Bey’i 1974 yılında ODTÜ de istifa etmeye mecbur ettiler. O da ölene kadar (1992) ABD’de çalıştı. Fakat Gell-Mann temel parçacık fiziği konusunda o yıllarda herkesten üstün olduğunu göstermişti. Şimdi dönelim kuarkların varlığına olan bilim adamlarının inancına. Teorik fizikçiler kuark modelinde, yani tablodaki kuarkların, yapısı olan temel parçacıkları (adronları) oluşturan özelliklerini kullanarak, hesaplamalar yaparak sonuçlara ulaşıyorlar. Sonra büyük hızlandırıcılarda gerekli şekilde deneyler yaparak sonuçlar alıyorlar. Bu deney sonuçları teorik öngörüleri destekliyorsa, modellerin temelinde duran kuarkların varlığını da gösteriyor. Bilim adamlarının kuark modeline dayanarak aldıkları sonuçlar deneylerle hep desteklendiklerine göre, kuarkların, adronların yapıtaşları olduğu bir gerçek gibi ele alınıyor. Bilimde her zaman direkt deney veya gözlem yaparak bir şeyler ispat olunmuyor. Bazen de, deneyler ve gözlemler öngörmeleri sadece dolayı yollarla ispatlıyorlar. Kuarkları ileri sürenlerin (Ailesi Macarıstan’dan ABD’ye göçmüş Gell-Mann ve Moskova’da 1937 yılında doğup ABD’ye ailesi ile göçen ünlü fizikçi, biyolog ve ekonomist Geoerg Zweig) ve destekleyenlerin onların birbirleri ile etkileşmesini gerçekleştiren parçacıkları da belirlemesi gerekirdi. Bu gluon (İngilizce tutkal anlamında) olarak adlandırılan parçacıklar Gell-Mann ve Zweig tarafından 1964 yılında ileri sürülmüştür. Guluonlar hem adronlar arasında güçlü (baryon) etkileşmesini gerçekleştirirler hem de kendilerinin renk yükleri olduğu için birbiri ile güçlü şekilde etkileşirler. Böylece fotonlardan ve aralık bozonlardan çok farklıdırlar. Bunlar da Bose istatistiğine uyduklarından bozondurlar ve normal spinleri 1 dir. İzospinleri (sanki spini) sıfırdır. Gluonların 8 türü olduğu, kütlelerinin ve elektrik yüklerinin olmadığı bilinmektedir. Gluon, foton gibi kendi kendinin antiparçacığıdır. İlk defa gluonların olması, dolayı yollarla Almanların elektron-pozitron çarpıştırıcısında (collider) 1979 yılında gösterilmiştir. Daha sonraları ise ABD’nin adron ve çekirdek çarpıştırıcıları RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) de, kuark-gluon plazma oluşumunu kanıtlanmıştır.

    ALINTIDIR​

Sayfayı Paylaş