Kuarklar: Atomun Dip Parçacıkları

 

Neler Öğreneceğiz?                                           

1.      Kaç Kuark biliyoruz? Adları nelerdir ve nerede bulunurlar?

2.      Atomun Kısa Tarihi

3.      Leptonlar nelerdir?

4.      Parçacık dünyasında birimler (kütle, hız, enerji ve momentum)

5.      Proton ve nötronun içinde neler dönüyor?

6.      Kuarklar nasıl öngörüldü, nasıl keşfedildi? Kuark gören var mı?

7.      Kuarkların mavi, yeşil ve kırmızı renkli olmalarının anlamı nedir?

8.      Madde ve antimadde çarpışmaları nasıl sağlanıyor?

9.      Kararsız parçacıkların kütleleri neden sabit bir değer değildir?

10.  Doğanın dört temel etkileşimi ve onların aracı parçacıkları nelerdir?

 

Simetri, doğanın en temel varoluş düzeyinde karşımıza çıkan bir özelliktir. Bu durum Dünya’nın yaşamış en büyük kadın matematikçisi olan Emmy Noether (1882-1935) tarafından keşfedilmiştir. En başta kuarkların ve başka parçacıkların esin kaynağı olmuş bir kavramdır simetri. (Yandaki resim: M.C.Escher)

 

 

Yirminci yüzyılın başlarına dek doğanın işleyişini klasik fiziğin ölçeğinde anladık; ama bu anlayışımız yüzyılın ilk çeyreğinde derinleşti.  Klasik fizik, maddenin sürekli bir ortamdan oluştuğunu, enerjinin de sürekli olduğunu var sayar.  Yine de bu fizik, yıldızlarası uzaklıklardan milimetrenin yaklaşık yüzde birine kadar geçerliliğini korur. Ancak maddenin tanecikli, yani atomlu yapıda olduğu kanıtlanmış ve yirminci yüzyılın ilk yirmi yılında yapılan çalışmalar, algılarımızı milimetrenin milyonda biri kadar küçük uzunluklara indirmiştir. Moleküllerin atomlardan, atomların çekirdek ve elektronlardan oluştuğunu öğrendik. Daha sonra proton ve nötronların, kuark (quark) adı verilen çok daha küçük parçacıklardan oluştuğunu öğrenmiş bulunuyoruz. Bildiğimiz maddeyi oluşturan temel parçacıklar kuarklar ve leptonlar.

Altı kuarkve altı lepton var. Bu on iki madde parçacacığıyla her türlü canlıdan nötron yıldızlarına kadar her şeyi yapabiliriz. Bir de ayar bozonları gibi havalı bir adla anılan alan parçacıkları ya da etkileşimin aracı parçacıkları var. Onlara kısaca bozonlar deniyor. İsterseniz her şeyi bir anda öğrenmek yerine bir nefes alalım.

Atomun En Kısa Tarihi

Atom, daha fazla bölünemeyecek en küçük madde parçası anlamında doğdu. Onun bölünebilir yapıda olduğu 19. yüzyıl sonunda J.J Thomson’un elektronu bulmasıyla ve H. Becquerel’in radyoaktifliği keşfiyle anlaşıldı.

Ernest Rutherford, 1911’de her atomda bir çekirdek bulunduğunu açıklayınca, atomun zaten kendi içinde büyük boşluk içerdiği daha da iyi anlaşıldı. Rutherford, atom çekirdeklerinin çok küçük bir boyutta, pozitif yüklü ve çok yoğun olduğunu gösterdikten başka 1919’da ilk çekirdek dönüşümü olayını da gerçekleştirerek yeni bir dalga yarattı. Bu deneyiyle aynı zamanda çekirdekteki pozitif yüklü parçacığın proton olduğunu gösterdi. Sonra onun bir öğrencisi olan Chadwick de 1932’de çekirdeğin öteki bileşeni olan nötronu keşfetti. Sizler de bugüne dek atomun üç temel parçacığı olarak çekirdekteki proton ve nötronu, onların çevresinde dönen elektronu tanıdınız. Bu bilgiler, 1932’de herkesin bildiği bilgiler.

–  Bir elementin kimlik numarası, atomlarının çekirdeğinde bulunan proton sayısıdır, bu sayı aynı zamanda nötral atomda elektron sayısına eşittir ve atom numarası diye anılır, Z ile gösterilir.

–  Bir atomun çekirdeğindeki proton sayısı (Z) ile nötron sayısı (N) toplamı, kütle numarası diye anılır, A ile gösterilir.

 

o   Atom numarası  aynı kütle numarası farklı atomlara izotoptur.

o   Kütle numarası aynı atom numarası farklı atomlara izobardır.

o   Nötron sayısı ayın proton sayısı farklı atomlara izotondur.

–   gösterimi, uranyumun bu izotopunda 92 proton, 92 elektron, 143 nötron olduğunu bildirir.

Proton ve nötronlar, atomun çekirdeğini oluşturur ve bunun için onların her biri aynı zamanda “nükleon” diye anılır. Proton, pozitif elektrikle yüklü iken nötron yüksüzdür; elektron ise negatif elektrikle yüklüdür. Ayrıca bir protonla bir elektron zıt işarette ama aynı birim elektrik yüküne sahiptir. Bu genel atom yapısının tek istisnası, Evrenimizin en bol elementi olan hidrojenin bir izotopudur. Normal hidrojen dediğimiz bu izotopta bir proton ile bir elektron vardır yalnızca. Hidrojenin iki izotupu daha vardır. Döteryum (1 proton, 1 nötron, 1 elektron) ve trityum (1 proton, 2 nötron, 1 elektron). Bilim tarihinin şaşırtıcı gerçeklerinden biri, atomun içine yolculukta en önce keşfedilenin, atomun en küçük (en azından kütlece en küçük) parçacığı olan elektron olmasıdır. Bu dediğimin keşfi 19. yüzyılın sonuna doğru yapıldı. Atomun içine doğru yolculuk, 20. yüzyılın en büyük bilimsel ve dehşetli (atom ve hidrojen bombalarını düşünüyorum) yolculuğu oldu.Sonra bir beta bozunması olayı ile nötronun pek de kararlı olmadığı anlaşıldı. Atomun üç ana parçacığı (elektron, proton ve nötron)  arasına dördüncü olarak nötrino katıldı. Bu durum da bilimciler arasında büyük bir tartışma başlattı. Bereket onlar hem ihtiyatlı, hem de kanıtlı konuşmaya özen gösterdikleri için bu tartışma, bir savaşa yol açmadı! Üstelik onlar, tartışmayı  sonuca bağlamanın bir yolu olarak parçacık hızlandırıcılarının yapılmasını düşündüler. Düşünmek bir aşamadır; ama bir de bunun hükümetlere kabul ettirilmesi süreci var. ABD, atom bombasını Hiroşima ve Nagazaki kentlerine atmakla hata yapmış olsa da atom bombası projesinden muazzam şeyler öğrendi. Bir ara atom bombası projesinin olağaünstü yetenekli bilim yöneticisi Robert Oppenhemir’i bile elektrikli sandalyeye gönderecekken, McCarty antikomünizminin sahtekarlığı açığa çıktı da Oppenheimer yaşayabildi.

Kuarklar ve Leptonlar

 Altı kuark ve altı lepton var demiştik. Bir de bozonlardan söz etmiştik. Şimdi onları da tanıyalım.

Kuarklar: u, d, s, c, b, t. [Sırayla u, up (yukarı); d, down (aşağı); s, strange (tuhaf); c, charm (büyülü); b, bottom (dip); t, top (tepe) ]

Bunların varlığı 1960’larda matematiksel olarak ortaya kondu ve 1969-1995 arasındaki yaklaşık yirmi beş yıllık sürede hepsi deneysel olarak gözlendi. Altı kuark genellikle çiftler halinde anılır: up/down, charm/strange ve top/bottom. Her bir kuarkın kendi antikuarkı olduğunu da buna ekleyelim. Anti kuarklar simgenin üzerine bir çizgi konarak belirtilir.

Bir de Higgs bozonu H var. Bu, aranıyor!

Leptonlar(elektron, elektron nötrinosu; muon, muon nötrinosu ve tau ile tau nötrinosu). Bunlar spini ½ olan parçacıklardır.  Kütleleri ve yarıömürleri bakımından farklılık gösterirler. Leptonların simgeleri ve bazı özellikleri aşağıdaki tabloda özetleniyor. Tablodan da görüldüğü gibi elektron, muon ve tau, negatif yükke sahiptir.

Muon, bozunduğunda bir elektron, bir antielektron nötrinosu  ve bir muon nötrinosu oluşturur:

           

Tau bozunduğu zaman bir muon, bir muon nötrinosu ve bir tau nötrinosu oluşturur. Bazen ürünler electron, electron antinötrinosu vet au nötrinosu daolabilir:

           

Parçacıkların kütleleri, hızları, enerjileri ve momentum büyüklükleri konusunda temel bilgiler edinirsek, onlar hakkındaki yargılarımız zihnimizde daha iyi bir fotoğraf bırakacaktır.

* * * * *

Birimler: Kütle, Işık hızı, Enerji, Momentum

Aşağıdaki formül ve birimler, ezberlenmek için değil, hesapların nasıl yapıldığını göstermek ve büyüklükler arasında bir kıyas yapabilmek için verilmiştir.

Enerji  elektron volt      eV

Kütle                              eV/c²

Momentum                    eV/c

Kütlesi m, momentumu p olan serbest bir parçacığın toplam enerjisi,

E= p²c²+m²c⁴

Parçacık kütlesiz ise E = pc  veya  E = mc²

Bu ilişkilerden dolayı kütle biriminin eV/c² ve momentum biriminin eV/c birimleriyle gösterilmesi uygun olacaktır.

Işığın vakumdaki hızı, c = 2.998´10⁸ m/s

Planck sabiti, 

Muon (µ⁺, µ^–), bir muon kütlesi = 207 m_e= 106 MeV/c²

1 eV    =1.60×10^-19 C (coulomb) x 1 V

= 1.60×10^-19J (joule)

=1.60×10^-12 erg

10⁶ eV= 1 MeV,  1 GeV = 10⁹ eV ve 1000 GeV= 1 TeV

Elektronun kütlesi, m_e = 0.511 MeV/c²

Protonun kütlesi, m_p = 938.272 MeV/c²= 1836.149 m_e

Nötronun kütlesi, m_n = 939.566 MeV/c²=1838.679 m_e

W ve Z bozonlarının kütleleri M_w ≈ 80 GeV/c² ve M_Z ≈ 91 GeV/c²

SI birimlerine çevirme faktörü 1.783×10^-30 kg/ (MeV/c²) dir.

Bizim atomic kütle birimi (akb) olarak kısalttığımız birim, İngilizce kaynaklarda (u) ile de gösterilir:

1 u (1 akb) = ¹²C atomunun kütlesinin 12’de biri = 931.5 MeV/c²

= 1.660 54×10^-27 kg.

            * * * * *

Şu anda proton ve nötronun içindeki en küçük bebekler, kuarklar olarak görülüyor.

Kuarkların öyküsü, 1950’lerin başlarında yeni bir teknoloji olan parçacık hızlandırıcılarının kullanılmasıyla ortaya çıkan parçacık seliyle başlar. Fakat bu öykü, yalnızca teknolojik ya da deneysel bir öykü değil, aynı zamanda  özellikle simetri aracının kullanılmasıyla insan zihninin yaratıcılığını da içeren zengin bir bilim tarihi kesitidir.

Kuarklar, gerçekte yalnızca atomun değil, hadronlar (baryonlar ve mezonlar) denen daha genel parçacıklar sürüsünün dip parçacıkları. Baryonlar üçlü, mezonlar ikili kuark yapısına sahip.

Bilimle iletişim kurmamız için bir  çok kavramı öğrenmek zorundayız. Hadron, baryon ve mezon gibi kavramlar örneğin. Baryon ve mezonlar, hadronları oluşturan iki aile. Baryonlar ve mezonlar da kuarklardan yapılı. İşte şimdilik bu kadar. Başlangıçta birçok parçacığın adını, yükünü, hangi sınıfa girdiği gibi pek çok niceliği öğrenmek size sıkıntı verebilir. Kime sıkıntı vermez ki? Koca Enrico Fermi bile bu sıkıntıyı dile getirmiştir. Leon Lederman’ın (Nobel Fizik 1988)  Tanrı Parçacığı’nda (1993)  anlattığı anısı şöyle: “Bir keresinden bir konferansta yemek kuyruğunda kendimi Fermi’nin arkasında buldum. Büyük adamın huzurunda olmanın coşkusuyla az önce dinlediğimiz K-sıfır-iki diye adlandırılan parçacığın kanıtı hakkında ne düşündüğünü sordum. Bir sür gözlerini buna dikte ve “Genç adam” dedi “bu parçacıkların adlarını anımsayabilseydim botanikçi olurdum.”

Fermi, botanikçiliğin daha da zorlu bir iş olduğunun altını çiziyor. Artık ezberleme devini kapattık. Anlama devrindeyiz. Zaten ezberlemeye kalktığınızda asıl ayrıntıları gözden kaçırabilirsiniz. Onun için gelin kuarklara giden yolun nasıl açıldığını öğrenelim.

Zayıf Kuvvet: Proton ve Nötronun İçine Bakış

İtalyan fizikçi Enrico Fermi (1901-1954, Fizik Nobel 1938) 1933’te atomla ilgili bilgilerimizi biraraya getirdi. Zayıf etkileşimle ilgili ilk kuantum teorisini kaleme aldı. Fermi, hem teorik hem de deneysel fizikte üstün yeteneklere sahip bir bilimciydi. Beta bozunması denen olayı açıklamak için çekirdekteki bir  nötronun, bir proton, bir elektron ve bir antinötrinoya dönüştüğünü gösterdi ve bu dönüşümden sorumlu kuvvete “zayıf kuvvet” adını verdi. Nötrino, Pauli tarafından radyoaktif bozunma sürecindeki enerjinin korunumu için gerekli bir parçacık olarak düşünülmüştü; ona nötrino (‘küçük bir şey’) adını Fermi verdi. Nötrino, 1950’lere kadara deneysel olarak gözlenemese de muhasebeyi denkleştirmek için varlığı kabul gördü. Tıpkı Newton’un ortaya koyduğu bir kütle çekim sabiti gibi Fermi de zayıf etkileşimlerin toplam kuvvetini belirleyebilmek için fiziğe yeni bir sabit soktu. Bu sabite Fermi Sabiti diyoruz; bu, temelde bir kütle birimi belirlemektedir. Bu kütle birimi zayıf etkileşimlerin ölçeğini belirler ve yaklaşık olarak 175 GeV (milyar elektron volt/giga elektron volt) kadardır.

 Fermi’nin bildirdiği parçalanma (beta bozunması), serbest (çekirdeki dışındaki) nötronlarda rutin olarak ortaya çıkar; ama çekirdeğin içine hapsolunca bu yalnızca özel koşullar altında gerçekleşir. Böylece anlıyoruz ki nötron, bir ‘bileşik’ parçacıktır. Proton ise daha farklıdır; bir kere serbest proton kararlıdır, yani parçalanmaz; ama çekirdek içindeki bir proton, bir nötron, bir pozitron ve bir nötrino doğurabilir. Buna göre proton da bir ‘bileşik’ parçacıktır.

Nihayet 1935’te Japon teorik fizikçi Hideki Yukawa (1907-1981, Fizik Nobel 1949) proton ve nötronların çekirdeki içinde pionlarca tutulduğunu ileri sürdü. Bu bir matematiksel sonuçtu aslında; ama 1937’de tam da Yukawa’nın öngördüğü kütleye sahip muon adında bir parçacık kozmik ışınlarda gözlendi. Muonun ilkin güçlü kuvvetin aracısı olan pion olduğu sanıldı. Fakat muon, proton ve nötronlarca kuvvetli bir etkileşime girmiyordu ve bu nedenle güçlü kuvveti açıklamak için kullanılamazdı. Muon elektronun kopyası gibiydi; ama elektrondan iki yüz kat daha ağırdı ve elektron gibi kararlı değildi. Parçacık üstüne parçacıkların gözlenmeye başlaması üzerine Galiçya (Avusturya-Macaristan) doğumlu Amerikalı fizikçi Isidor Isaac Rabi’nin (1898-1988, Fizik Nobel 1944) hayreti bir darbımesel olmuştur. Muonların keşfedildiğini duyduktan sonra “ Onları da kim ısmarladı?” demiştir. Fakat teorik fizikçilerin asıl en çok sipariş verecekleri parçacık teori ve keşifleri, bu söz söylendikten sonra başlamıştır. Pion, ilk kez 1947’de   kozmik ışınlara tabi tutulmuş fotoğraf emülsiyonlarında Brezilyalı Cesare Letter, İtalyalı Guiseppe Occiallini ve Birstol’de kadrolu profesör olan C. F. Powell tarafından keşfedildi. Pionların keşfiyle  Yukawa’nın dahiyane teorisi doğrulandı. O emülsiyonlarda olan şuydu. Yüksek hızlarda ortaya çıkan ama giderek yavaşlayan pionlar gümüş bromürün yoğunluğunu artırıyordu. Bu da bir iz olarak kendini gösterir. İzin sonunda yeni enerjik bir parçacık oluşur ve fırlar. Bir pion kararsızdır, bir mikrosaniyenin yüzde birinde bir muon (izin sonundaki yeni parçacık) ve başka bir parçacığa ayrışır. Bu iz brıkmayan parçacığın nötrino olduğu anlaşılmıştır. Yani bir pion, bozunur ve  bir muon ve bir nötrino doğar. Söylediklerimiz, çok da kolay bir şey değildi; çünkü parçacık izlemeleri için kullanılan kozmik ışınlardan bir yılda bir avuç kadar pion yakalanabiliyordu. Kısacası yeterince yüksek enerjili parçacık hızlandırıcıları gerekiyordu. Berkeley’de, Rochester’de, Liverpol’da, Pittsburg’ta, Chicago’da, Tokyo’da, Paris’te, Dubna’da ve birçok üniversitede pionların incelenmesine başlandı. Bunların çoğu elektronları kullandılar; ama en başarılı verim proton kullanan deneylerden alındı.

Protonun yapısıyla ilgili bazı bilgiler veren ilk deneyler, 1950’lerin ortalarında Stanford Üniversitesi’nde Amerikalı fizikçi Robert Hofstadter (1915-1990) tarfından yapıldı. Aslında o, elektronlarla protonları bombardıman etti; ama çok titiz analizlerle protonun peçesini açtı ve onun bir iç yapısı olduğunu gösterdi. Bu çalışmasıyla 1961 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı.

Daha sonra Stanford’daki bilimciler, artık elektronların enerjisini 50 GeV’ye çıkartan 3 km uzunluğunda Stanford Doğrusal Hızlandırıcısınını (SLAC) inşa ettiler. Enerjisi 50 GeV olan b elektronların dalga boyu, tek bir proton ya da nötronun boyutlarından çok daha küçük olan 2.5´10^-17 m uzunluğundaydı. Chicago yakınlarındaki Fermilab’daki Tevatron’da 1 TeV’lik (1 trilyon elektron volt) protonların dalga boyu yaklaşık 10^-18 m idi. CERN’de 2010 yılında ilk olarak 3.5 TeV’lik çarpışmalar gerçekleştirildi. Şimdi 7 TeV’lik enerjide proton demetlerinin çarpıştırılması için çabalar sürüyor.

Biz eksen konumuz olan kuarkları elde tutarak yolumuza devam edelim.

Kuarklar : Dipten Gelen Çığlık!

Kuarkların öyküsü yarım yüz yıl öncesine gidiyor. 1960’lara. Fakat bu öykünün en can alıcı noktası, neredeyse atomun varlığının izini süren insan zihninin binlerce yılda aldığı yolu, yarım asıra sığdırmasıdır. Abartıyor muyum? Gerekçelerim var:  Birinci olarak, kuarklar, matematiksel bir araç olarak ileri sürüldü.  Onlar laboratuvarından dışarı fırlayan bilim adamının “buldum, buldum!” haykırışı ile değil, teorik fizikçilerin bir kâğıt ve bir kalemle ‘icat ettikleri’ parçacıklardır.

İkinci olarak kuarkların keşfi de ilginçtir. Yalnız teorisyenlerin değil, deneycilerin de katıldığı muazzam, rekabetçi, kimi zaman umut kırıcı, kimi zaman bilimcileri kendinden geçirici sonuçlarla dolu bir ortamın “yeni atomları” oldu onlar.

1950’lerin başında hızlandırıcılarda yapılan deneyler, yalnız nötronun değil, protonun da yüksek enerjilerde dengesini yitirip başka parçacıklara dönüştüğünü gösterdi. Sonrası gerçekten bir teori ve deney çağlayanın başlamasıdır. Yeni bir teknoloji olan parçacık hızlanırıcıları kullanılarak, protonlar atom çekirdekleri ile antiprotonlarla, elektronlarla çarpıştırıldı ve buradan bir parçacık seli elde edildi. Tüm bu yeni parçacıklar çekirdeğin bileşenleri olan proton, nötron ve pionlarla etkileşim içine girebiliyorlardı. Fakat bunlar, çok kısa ömürlü, yani kararsızdılar. Sonuçta ne öğrendik biliyor musunuz? Altı kuark ve altı lepton var. Bunu altı sayısını kutsallaştırmanız için söylemiyorum, gerçek bu. Bilimde hiçbir sayının kutsallığı yoktur. Hatta ışık hızının ya da Planck sabitinin bile! Neyse biz atomun diplerinden yükselen bu çığlığa dönelim.

Atomaltı dünyadan yükselen çığlıklar vardı; ama onları duymak gerçekten zordu. 6 milyarlık dünyada iki adamın zihni bu çığılığı algıladı: Bunlar, Amerika’da Cal-Tech fizikçisi Murray Gell-Mann (doğumu 1929, Fizik Nobel 1969) ve Avrupa’da  CERN fizikçisi Geoge Zweig (doğumu 1937) idi. Bilim tarihindeki eş zamanlı buluşlardan biridir bu.  Gell-Mann, hadronların örgütü için “üç mantıksal yapı” önerdi ve bunlara kuarklar adını verdi. Zweig ise kendi üç şeyine ‘aslar’ ya da ‘zerreler’ adını vermişti. Fakat ilginç bir ayrıntıyı belirtmeden geçemeyiz. Fermilab’ın şimdiki yöneticisi (ilki iki yöneticisi Wilson ve sonra Lederman), John Peoples, kuark araştırmalarında genç bir deneyciyken Gell-Mann, onlara aldırış etmemesini kuarkların yalnızca “bir hesap oyunu” olduğunu söylemişti. Buna karşın Zweig, başlangıçtan beri asların/kuarkların gerçek oluşumlar olduğunu önü sürmüştü. Bundan sonra iki şey oldu. Birincisi Gell-Mann’ın düşüncesine pek aldırmayan deneyciler, her yerde kuarkları aramaya koyuldular. İkincisi, Gell-Mann, hadronların simetrilerini çözmesi nedeniyle 1969 Nobel ödülünü kazandı. Her ikisi de iyi sonuç. Zweig mi? Biraz da CERN’deki şovenizmin etkisi şansını gölgeledi, aşağıda bunu açıklayacağım. O, ünlü fizikçi Feynman’ın öğrencisiydi. Feynman, 1977’de Gell-Mann ve Zweig’i birlikte Nobel’e aday gösterdi; ama Zweig  ödül alamadı, sonra nörobiyolojiye 2004’ten sonra da finans sektöründe çalışmaya başladı.

Kuarklar, çok sayıdaki hadronun varlığını açıklamak ve sınıflandırmak için icat edilmişti. Hadronlar, baryonlar ve mezonları kapsayan bir terim. Baryonlar, görece büyük kütleli,  mezonlar ise görece orta kütleli. Baryonlar üçlü, mezonlar ikili kuark yapılı. Elektron ve nötrinolar gibi hafif parçacıklar da leptonlar diye anılır.

“Toplanma İşareti için üç quark!”

Gell-Mann, izospin ve acayiplik özelliği denen parçacıkların simetri  özelliklerinden yararlanarak baryonlar için sekiz ve onlu, mezonlar için sekizli haritalar hazırladı.  Çağın fizikçilerinden hiçbirisi simetri aracını, bir çocuk dahi olan Gell-Mann’dan daha iyi kullanmayı başaramadı. En derin fizik ilkeleri simetrilere dayanır. Simetriler korunum yasalarını, korunum yasalır da simetrileri öngörür. Sözgelimi deneysel tekniklerle (örneğin spektroskopi ile) bir molekülün simetrisini belirleyebilirsek, buradan o molekülün biçimini, atomların bağlanma düzenini, polarlığını ve başka birçok özelliğini çıkarsayabiliriz. Gell-Mann, hadronların yapısı problemine eğilirken simetri ilkelerinden yararlanan ilk ve en başarılı teorisyenlerden biri oldu. Daha önceki fizikçiler gibi o da izospin çokluklarının resmen SU(2) “simetri grubu” olarak belirtilen bir tür simetrinin göstergesi olduğunu biliyordu. Bu gösterimin “SU” kısmı “special unitary = özel üniterlik” terimini anlatır. Bu terim kuantum mekaniğinin öngördüğü belirli gereklerin yerine getirilmesini güvence altına alır. Parantez içindeki 2 ise en basit izospin çoklusunun nötron ve protondan oluşan iki-katlı ikili olduğunu yansıtır. Hadronların spektroskopik verilerinin arkasında gizlenenen simetriyi düşündü ve baryonlara ait basit bir liste hazırladı. Sekizli ve onlu baryon önerisini getirdiği sırada yalnızca dört baryon (∆’lar) biliniyordu. Yani diyagramda “delikler” ya da boşluklar vardı. Buna rağmen bulgularını 1961’de yayımladı ve şemasında sekizlileri öne çıkararak şemasına “Sekiz Katlı Yol ” adını verdi. Gell-Mann’ın hadronlar için düzenlediği şema, Mendeleyeev’in 1860’ların sonunda kimyasal elementler için düzenlediği periyoduk tabloya benzer. Mendeleyeev’in tablosu da o zaman henüz bilinmeyen elementlerin boş bırakıldığı delikler içeriyordu.

1963 yılında bir gün Murray Gell-Mann, bir konuşma yapmak üzere Columbia Üniversitesi’ne gelmişti. Gell-Mann, hadronların sekiz katlı simetrisini anlatırken Columbialı bir kuramcı olan Robert Serber (1909-1997) “sekiz” örgütünün temellerinden birinin üç alt birim içereceğine işaret etti. Serber’in ve de ünlü İrlandalı yazar James Joyce’un (1882-1941) şeytani romanı Finnegans Wake’den (1939) aldığı ilhamla “kuarklar” olarak adlandırdığı bir dip yapının varlığı fikrine ulaştı. Joyce, bu romanında meyhaneci bir aileyi anlatır. Gell-Mann, The Quark and The Jaguar’da (1994) bu konuyu şöyle anlatmaktadır:  “1963’te nükleonların temel yapısı için “quark” adını kullandığım zaman, sesleri düşünmeksizin ‘kwork’ demiştim. O zaman ara sıra dikkatle okuduğum James Joyce’un Finnegans Wake adlı eserindeki şu cümlede rastlamıştım: “Three quarks for Muster Mark.” (‘Toplanma işareti için üç martıçığlığı’) Onu kafiyeli olmasından dolayı kullandığını anladım. Kuarkın bir anlamı var o da martının çıkardığı ses ve Mark, Bark gibi sözcüklerin uyması için kullanılmıştır. Bu kitap, bir yayıncının hayalini tasvir ediyordu.”

Zweig makalesini bir Amerikan dergisinde yayımlamak istedi, fakat Amerikan fiziğinden bağımsızlık duygusu geliştirmek isteyen CERN’in Avrupalı liderleri, CERN’de yapılan araştırmaların Avrupa dergilerinde yayınlaması şeklinde bir politika izliyordu. Zweig, makalesini CERN yayın organı Physics Letters’a vermesi beklenirken saygın fizik dergisi Physical Review dergisine göndermeyi tercih etti ve kesin bir ret yanıtı aldı ve ‘aslar’(zerreler) fikri de hiçbir zaman yerleşmedi. Gell-Mann da tersini yaptı Physical Review yazı kurulu üyelerinin ve editörlerinin kabul etmeyeceğini düşündü ve kuarklarla ilgili makelesini CERN’de yayımlanan daha liberal Physics Letters’a gönderdi. “Şematik Bir Baryonlar ve Mezonlar Modeli” başlıklı makale 1964’te bir baryonun (omega eksi denen parçacığın) bulunduğu haberinden tam bir gün önce dergide çıktı.

Gell-Mann’ın orjinal modelinde üç farklı kuark vardı. Şimdi altı kuark olduğunu biliyoruz; ama alıştığımız madde dünyası için üç kuark hala önemlidir. Örneğin proton ve nötronun her biri üç kuarktan yapılmıştır.

Protonun İçine Bakış

Protonun iç yapısıyla ilgili bazı bilgiler veren ilk deneyler, 1950’lerin ortalarında Stanford Üniversitesi’nde Amerikalı fizikçi Robert Hofstadter (1915-1990) tarafından yapıldı. Mükemmel bir deney uzmanıydı. Elektron akımıyla protonları bombardıman etti. Böylece protonu gerçeten açarak, hem elektrik yükünün hem de manyetik özelliklerinin yayıldığı bir iç yapısı olduğunu ve ölçülebilir büyüklükte bir varlık olduğunu gösterdi. Hofstadter 1961 yılında Rudolf Mössbauer ile birlikte çekirdekten elektronların saçılmasını inceledikleri ve çekirdeğin yapısını aydınlattıkları için Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı.

1967’de Stanford Lineer Hızlandırıcı Merkezi’nde (SLAC) elektron demetleri kullanılarak bir dizi saçılma deneyi gerçekleştirildi. Amaç protonun yapısını derinlemesine incelemekti. Yüksek enerjili elektron içeri girer, hidrojendeki protona çarpar ve çok daha düşük enerjili bir elektron başlangıç yoluna göre daha geniş bir açıyla ortaya çıkar. Protonun içindeki noktamsı yapılar, Rutherford’un çekirdeğinin alfa parçacıklarına yaptığı gibi davranmışlardır. Ancak, burada konu çok daha inceliklidir. SLAC fizikçisi Kanadalı Richard Taylor’ın yönetiminde iki MIT fizikçisi Jerome Friedman ve Henry Kendall’dan oluşan Stanford ekibi Richard Feynman ve James Bjorken’in kuramsal tüyolarından büyük ölçüde yararlandılar. MIT- SLAC ekibi, protonun içinde hareket eden noktamsı (bölünemez) parçacıkların varlığını gösterdiğini düşündüler. 1990’da Taylor, Friedman ve Kendall, kuarkların gerçekliğini gösterdikleri için Nobel’lerini aldılar.

1968’de Brookhaven’da Leon Lederman liderliğinde protonun içini görmek ya da kuarkın kabuğunu soymak için başka deneyler yapıldı. SLAC’da çarpışma bölgesinin kara kutusuna elektronlar yollanıyordu ve çıkan elektronların ölçümleri yapılıyordu. Yani Taylor, Friedman ve Kendall sonda olarak elektronları kullanıyordu; ama Lederman ve ekibi sonda olarak protonları kullanıyordu. Kısacası her iki ekip de aynı hedefi bombardıman ediyordu; ama bombardıman parçacıkları farklıydı. SLAC, protonlar üzerine elektronları gönderirken; Brookhaven’dakiler protonlar üzerine yine protonları gönderiyordu. Sonra benzer deneyler nötrinolarla yapıldı. Nötrino ışınları aracı parçacıkları (ayar bozonları) bulmada, kuarkları incelemede ve birçok başka şeyde yararlı bir endüstri haline geldi.

Sonra Fermilab’ın Tevatron’unda, bir trilyon elektron volt (1 TeV) enerjiye sahip protonlarla, aynı miktarda enerjiye sahip antiprotonlar kafa kafaya çarpıştırılır. Bu çarpışmanın ayrıntılı açıklamasına daha sonra döneceğiz.

Altı Kuark

Bu deneyler, protonun içinde sert, noktamsı yapılara işaret etti. Feynman, bunlara “parton” adını verdi ve bulundakları proton çantasında serbestçe hareket ediyor gibi göründüklerini söyledi.

1964’te doğan üç kuark, 1969’da artık gözlem alanına girdi ve adları kondu:  up (“yukarı”),  down (“aşağı”) ve  strange (“garip/tuhaf” ) ya da u, d ve s harfleriyle adlandırılır. Adlandırmanın sözcükleri, rastgele seçilmiştir; hiçbir yönle ilişkisi yoktur. Bunların ayrıca antikuarkları vardır.  Bu üç kuarktan u ve d yaklaşık aynı kütleye sahiptir, s ise kabaca yüzde 40 oranında daha ağırdır. Üçüncü kuarka tuhaf ya da acayip denmesinin sebebi proton ve nötronda bulunmaya bir kuark türü olması. Kuarkların en önemli özellikleri -1/3, 2/3 ve +1/3 gibi kesirli yüklere sahip olmasıydı. Yüzlerce nesneyi üç çeşit kuarktan yapabiliriz.

Antikuarkların yükleri de şöyledir:

Proton, uud bileşimlidir; yani iki yukarı ve bir aşağı kuark, bir proton oluşturur. Eğer bir nötron yapayım diyorsanız udd bileşimini kullanmalısınız; yani bir yukarı iki aşağı kuark.

Resimler:wikipedia.org (atominsan.net)

İlk üç kuark üzerinde yoğunlaşırsak, altı kombinasyonun mümkün olduğunu görürüz:

uud, uus, ddu, dds, ssu, ssd

İnce matematiksel simetrilere dayanan teoriler, dördüncü bir kuarkın olmasını öngörüyordu. James Bjorken ve Sheldon Lee Glashow’un 1964’te öngördüğü büyülü (charm, c) 1974’te Burton Richter ve Samuel Ting’in başını çektiği deneyciler tarafından ayrı laboratuvarlarda ve hemen hemen aynı anda keşfedildi. Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda Samuel Ting’in yönetimindeki ekip bulduğu parçacığa J adını vermişti. Stanford Lineer Hızlandırıcı Merkezi’nde Burton Richter’in yönetiminde aynı kütleye sahip  parçacığı bulmuşlar ve psi (ψ )  adını vermişlerdi. Arada kavga gürültü olmasın diye iki ad birleştirildi ve parçacığa J/ ψ adı kondu. Aslında bu keşif J/ψ mezonunun gözlenmesiydi. Fizikçiler, bu şaşartıcı deneysel keşiflerden sık sık 1974 yılı Kasım Devrimi diye söz ederler. Parçacık proton kütlesinin üç katını aşacak kadar ağırdı. Böylece büyük bir kütleye (ve enerjiye) sahip olmasına rağmen, şaşırtıcı ölçüde uzun ömürlüydü.

1973’te Japon fizikçiler Makoto Kobayashi ve Toshihide Maskawa’nın varlığını öngördüğü dip (bottom, b) kuarkın varlığı da 1977’de Fermilab’da upsilon mezonunun gözlenmesiyle ortaya çıktı. Altıncı ve sonuncu tepe (top, t) kuark da yine Fermilab’da Tevatron’da 1995’te gözlendi. Kobayashi ve Maskawa,  b ve t kuarklarını öngörmeleri dolaysıyla 2008 Nobel fizik ödülünü paylaştılar.

En son tepe kuark  1995’te keşfedildi. Şimdi altı kuarkımız var. Onlarla, proton ve nötronları (lambda, sigma artı, sigma eksi ve başkalarını) oluşturabiliyoruz. Kuarklar, elektrona benzeyen, elektron gibi nokta parçacıklar olan, elektronlar gibi spinleri ½ olan; ama kesirli yüke sahip parçacıklardır. Kuarklar üçlü ve ikili olarak birleşmiş durumdadır. Üç kuarktan oluşan ve her biri yarım spinli baryonlar ve bir kuark ile antikuarktan oluşan ve 0 ve tam sayı spinli mezonlar. Tepe (top, t) kuarkı içeren baryona henüz rastlanılmamıştır. Kesirli yük, konusuna aşağıda değineceğiz.

Kuarkların Bazı Özellikleri (2008 Parçacık Data Grup verileridir)

Çeşni (flavor)	Sembol	Yük (Q)	Kütle, (GeV/c2)
Down Up Strange Charmed Bottom Top	d u s c b t	-1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3	3.5-6.0 1.5-3.3 104 1270 4200 171,200

 

Kuarklara Renk Nasıl Geldi?

Gell-Mann’a göre fizikçilere başarı puanı verirken, yayımladıkları doğru fikirlerin sayısından yanlış fikirlerin iki katını çıkarmak gerekir. Herhalde bunu kendisi için de düşünüyordu; çünkü kuark kuramı çelişkilerle gelişiyordu. Kuarklar, tıpkı elektronlar gibi ½ spinli parçacıklardır. Bu durumda Pauli Dışlama İlkesi’ne uyması gerekir. Bu ilkeye göre fermiyon denen parçacıklar, sıkı yakınlık içinde ve aynı kuantum durumunda bulunamaz. Oysa örneğin yeni bulunan omega eksi (Ω^–) baryonu, üç adet acayip kuarktan (sss) oluşur. Bunlar hem yakın bir mekanda hem de aynı kuantum durumunda bulunur. Bu çıkmazı aşmak için fizikçiler, kuarklara elektrik yüküne benzeyen bir renk yükü atadılar: kırmızı, yeşil vemavi. Neden bu üç renk? Çünkü bunlar üç asal renktir. Kırmızı, mavi ve yeşil renkler karışırsa beyaz olur. İnanmazsanız boya ile deneyin!  Elektrik yükü artı ve eksi yönlüdür; ama renk yükü üç boyutludur. Bir de bunların antirenkleri olduğunu ekleyelim. Bu renk sorunu önce Moo-Young Han ve Yoiçiro Nambu tarafından ortaya atıldı, sonra bunlara Gell-Mann da katıldı. Bu renklerin sizin ve benim tanıdığım bildiğim renkle hiç alakası yok. Fizikçilerin çelişkiyi çözmek için ve bir de akılda kalsın uydurdukları bir özellik. Şimdi protonun, iki yukarı (u) ve bir aşağı (d) kuarktan oluştuğunu biliyoruz. İki u kuarkı, Pauli Dışlama İlkesine göre bir arada olamaz. Bakın nasıl olabilir. Eğer iki u kuarkından  biri mavi diğeri yeşil ise kurala uyulmuş olur. Renk kombinasyonu ya da Kuantum Kromodinamiği (QCD) üç kuarkın nasıl baryonları, iki kuarkın da nasıl mezonları oluşturduğunu başarıyla açıklar. Bu kombinasyonlar hiçbir renk göstermezler, yani kombinasyonlar renkleri iptal eder. Kırmızı bir kuark, antikırmızı antikuarkla birleşince bir mezon oluşur; ama mezon renksizdir. Benzer biçimde protonun içindeki üç kuark (uud), kırmızı, mavi ve yeşil olunca sonuç renksiz olur. Bu renklendirmeye göre her bir kuark türünün üç renkli hali vardır. Yani üç çeşit yukarı kuark, üç çeşit aşağı kuark, üç çeşit büyülü kuark vb.

 

           

Renk yükü yalnızca kuarklara özgürdür, leptonların böyle bir özelliği yoktur. Kuantum kromodinamiğinin (QCD) başarısı yüksektir. Kuarklar, gulonlar değişimi aracılığıyla birbiriyle etkileşime girer. Gluonlar, güçlü nükleer kuvetin aracı parçacıkları. Bunlarla ilgili uygun Feynman diyagramlarını çizip onları nasıl hesaplayacağımızı görebiliriz. Burada söz konusu olan kuvvet çok büyüktür; çünkü elektrik yükünün bir benzeri olan “renk yükü” çok yüksektir. Gluonlar, kuarklardan yayımlanır; ama bu arada kuarkın eski rengini üzerilerine alırlar ve aynı zamanda bunu yeni bir rengin içine taşırlar. Bu nedenle bir gluonun bir rengi bir de antirengi bulunur. Şimdi kırmızı bir kuarkla başlayıp mavi bir kuarka dönüşümü ele alalım: Aynı anda kırmızı ve antimavi bir gluon yaratırız; bu durumda gluon mavi kuarka vardığında toplam renk kırmızı + antimavi + mavi = kırmızı olacak ve böylece renk korunacaktır. Gluon, aynı zamanda enerji ve momentum dengesini de sağlayarak bunların korunumunun da işlemesini sağlar. Kuarklarla ilgili üçlü ve ikili bileşimlerde “renksiz” bileşik parçacıklar oluşur.

Gluon etkileşimleri genellikle Feynman diyagramları ile gösterilir. Gluonlar kuarklara renk verir. Gluon değişimi örneğin bir yeşil kuarkı mavi kuarka ya da tersine dönüştürür. Yeşil kuarktan yeşil ve antimavi renkli bir gluon yayılır ve bu gluon mavi kuarkla buluştuğu zaman onun mavi rengini iptal eder ve yeşil kuark oluşur, benzer şekilde mavi renk de korunur. Kuarklar renk değiştiriyorlar ve böylece güçlü kuvvetin oluşmasını sağlıyorlar. Bir proton içindeki kuarklar arasında her 10^-24 saniyede bir gluon hareket eder.

 

 

Kuarkların Üçlü Bileşimleri: Baryonlar

En hafif baryonlar, her atomun çekirdeğinde bulunan proton ve nötronlardır (bunun tek istisnası, normal hidrojen atomudur, bu, bir proton ve bir elektrondan oluşur). Daha sonra Yunanca harflerle anılan lambda (L), sigma (S), omega (W), kaskad (X)  gibi baryonlar gelir. Proton ve nötronlar, yalnızca yukarı (up, u) ve aşağı (down, d) kuarklardan oluşur. Diğer baryonlar bir ya da iki ya da üç strange (acayip, s) kuarkı içerir. Daha ağır olan baryonlar charm (büyülü, c) ve bottom (dip, b) kuarkları içerir.

Lamda = = sud     Sigma sıfır (sigma naught)= = sud (lamda ve sigma sıfır aynı üç kuarkın ‘sud’, farklı iki halidir)

  

Sigma artı = = suu

Sigma eksi = = sdd

Omega eksi = = sss

Mezonlar, diğer olasılıkların yanında tamamen leptonlara dönüşebilir. Baryonlar ise baryon sayılarının korunumu yasasına uymaları nedeniyle bunu yapamazlar. Bir baryon, nötronun yaptığı gibi lepton üretebilmesine rağmen, bozunma sonrası parçacıkları içinde daima başka bir baryon bulunmalıdır.

Kuarkların İkili Bileşimleri: Mezonlar

Düzinelerce mezon biliniyor. İçlerinde en hafif olanlar pionlardır. Bir pion, bir elektron kütlesinin yaklaşık  270 katı, bir proton kütlesinin yaklaşık yedide biridir. Yükü 0, +1 ve –1 olan üç pion vardır. Pozitif yüklü pion, bir yukarı kuark (u) ile bir antiaşağı kuarktan () oluşur. Negatif yüklü pion ise bir aşağı kuark (d) ile bir anti yukarı kuarktan () oluşur.

Uzaklıkla Artan Güçlü Kuvvet

1970’lerde  kuarkların varlığı iyice anlaşılmıştı ama onlar birbirine öylesine sıkı bir şekile bağlıydı ki serbest kuark diye bir şey yoktu. Kuantum alan kuramı, burada işlemedi. James Bjorken, Stanford’da elektronların protonlara çarptığı deney sonuçlarını aydınlatmıştı. Kuvvet ne olursa olsun elektron saçılmışsa, kuarklar birbirine yaklaştıkça kuvetin zayıfladığını gösteriyordu. Bu, ilginç bir sonuçtu. Ayar kuramları güçlü kuvvetin çok yakınlaşmada zayıfladığını, kuarkların birbirinden  uzaklaştıkça kuvvetin büyüdüğünü tahmin edebilmişti.

Renk dinamiğinin ya da Gell-Mann’ın daha sonraları verdiği adla “kuantum kromodinamiği”nin (QCD) son rötuşlarından biri, 1973’te Harvard’dan David Politzer ile David Gross’ın, Princeton’dan Frank Wilczek’in katkısıyla yapıldı. Bu üç teorisyen, alıştığımız kuvvet tasarımlarının tam tersi bir tasarım geliştirdiler ve 2004 Nobel Fizik Ödülünü aldılar.  Aradaki uzaklık arttıkça artan bir kuvvet tasarımıydı bu. Bildik kuvvetlerin çoğu, aradaki uzaklık arttıkça azalır. Kütle çekim ve elektrik kuvvetleri, ters kare yasasıyla uzaklık arttıkça azalır. Bu garip kuvvet tasarımına “asimtotik serbestlik” gibi havalı bir ad verdiler. Asimptotik, kabaca birbirine yaklaşmak ama asla değmemek demektir. Yani kuarkların asimptotik serbestliği vardır. Güçlü kuvvetin de diğer kuvvetler gibi aracı ya da kuvvet taşıyıcı parçacığı vardır. Buna gluon denir. Güçlü kuvvet, öyle bir kuvvettir ki bir kuark ötekine yaklaşırken giderek zayıflar. Bunun anlamı, kuarklar biraraya geldikçe neredeyse serbestmiş gibi davranır; ayrıldıkça kuvvetler etkin biçimde güçlü olur. Kısa uzaklıklar yüksek enerjileri ima eder, o halde güçlü kuvvet yüksek enerjilerde zayıflar. Başka sözlerle kuarkları aşırı derecede kısa mesafelere getirmeye kalktığımızda kuarklarla gluonların etkileşme gücü zayıflar. Bu, elektriksel kuvvetin tersidir.

Kuantum Kromodinamiğinde beliren kuvvet, bir lastik bandın kuvvetine benzer. Bir lastik bantla bir arada tutulan iki cisim ayrıldığında bant gergin hale gelir, kasılır ve cisimlere çekerek tekrar biraraya getirir. Kuarkları birarada tutan gluonların da böyle bir işlev gördüğü anlaşıldı. Kuarklar ayrılınca kuvvet daha güçlü hale gelir. Gluonlar birbirine kuvvet uygular. Bu QED ile QCD’nin birbirinden ayrıldığı yerdir; çünkü fotonlar birbirini etkilemez. Gluonlarla ilgili ilk bulgular 1970’lerde Almanya-Hamburg’daki PETRA elektron-pozitron makinesinde yapıldı. Sonra 1979’da gluonlar “görüldü”. Şimdi bir noktayı daha açığa çıkarmamız gerekiyor. Güçlü kuvvetin, gluonlar taragından taşınan kuark-kuark kuvveti olduğunu tanımladık. Peki çekirdekteki proton ve nötronlar arasındaki kuvvet ne oldu? Şimdi onu gluonların bir kalıntısı, çekirdeğin içinde birbirine bağlanmış protonlardan ve nötronlardan dışarı sızan bir kalıntı kuvvet olarak yorumluyoruz. Eski güçlü kuvvet anlayışında piyonlar taşıyıcı parçacıklardı. Şimdi güçlü kuvvet, kuark-gluon ilişkilerinin bir sonucu olarak görünmektedir. 

Proton ve Antiproton Çarpışmaları

Proton çarpışmalarını Fermilab’ta yöneticilik de yapmış bir bilimciden dinleyelim. Leon M. Lederman (1985 Fizik Nobel), Christopher T. Hill ile birlikte yazdığı Simetri’de (2004) konuyu şöyle anlatır:

 

“Fermilab-Tevatro’nda bir trilyon elektron volt (TeV) enerjiye sahip protonlarla, aynı enerjili antiprotonlar kafa kafaya çarpıştırılır. Bildiğiniz gibi protonlarlar uud, antiprotonlar da bunların antiprotonlar da bunların antikuarklarından oluşur. Çok yüksek enerji değerlerinde ve çok kısa zaman aralıklarında kuarklar birbirinden ayrılır ve neredeyse serbest parçacıklar gibi davranır. Bu durumun sebebi, bir kuark çiftinin örneğin u ve onun anti kuarkının  kafa kafaya çarpışmasıdır. Bu çarpışma gerçekleştiğinde kuark ve antikuark yüksek açılarla saçılır ve proton ve antiproton parçalanır Ne var ki geriye kalan yapılar, yani değer kuarklar ve gluonlar mevcut hareket durumlarını korumayı sürdürürler. Kısa bir süre için kuarklar ve antikuarklar serbest hale geçerler; çok yüksek enerjilere, ultrarölativistik enerji değerlerine sahip olduklarından, parçalanmaşı proton ve antiprotonlar içindeki kuark ve gluonlar kalıntılarından olmaları gereken mesafenin neredeyse yüz katı kadar uzağa hareket edebilirler. Bu durumda bu kuarkların kısa bir an için hapisanelerden kurtulmuş olduklarını söyleyebiliriz. Aşağıda Fermilab hızlandırıcı zincirini görüyorsunuz. Tevatron, çevresi 6.4 kim olan bir yüzük şeklindedir. Fermilab’da kullanılan iki yüksek enerji dedektörü CDF ve D-Zero’dur (Collider Dedector Facility). Bu dedektörler proton ve antiproton çarpışmasının sonuçlarını inceler. LINAC: Lineer accelator

Proton ve antiproton ışınları şekildeki CDF dedektörünün merkezinden geçirilmektedir. Işınlar, zıt yönlerde, ışık hızının yüzde 99.9995’i bir hızla hareket etmektedir. Dedektör, çarpılma noktasının etrafına sarılmış devasa bir varile benzer. Çarpışmalar, protonlar içindeki kuarklarla antiprotonlar içindeki antikuarkların çarpışarak yok olmalarıyla ilgilidir. Aşağıda, dedektörden elde edilen sonuçların kağıt üzerine dökülmüş hali görünmektedir.

Çarpışma sonuçlarını görmek için dedektörün açıldığını ve bir kâğıt üzerine yayıldığını hayal edin. Yukarıdaki resim işte bunu gösteriyor. Görülen kareler, dedektördeki enerji birikimlerini gösteren ‘pikseller’dir. Halı gibi şeklimizin ortasında görünen kolonun yüksekliği, o pikselde kaydedilen enerjinin değerini göstermektedir. Bu çarpışma resmi, aşırı derecede enerjiya sahip bir proton ve bir pozitronun üretildiği çarpışmanın resmidir.

 

Burada D Zero’nun kaydettiği bir protonla bir antiproton çarpışıyor ve çarpışma noktasından dışarıya bir çok temel parçacık savruluyor. Dedektör, yüksek bir manyetik Alana sahip ve bu alan yüklü parçacıkların yörüngelerinden sapmalarını ve böylece de kimliklerinin belirlenmesini sağlıyor. Credit: DZero collaboration.

 

Fermilab’daki çok yüksek enerjili proton ve antiproton ışınlarının çarıpıştırlması sonucunda altıncı ve en ağır kütleli tepe kuark (top, t) ve onun antikuarkı gözlendi.

Fakat daha sonra sahneye tekrar güçlü etkileşimler çıkar; boşluğun kendisi çarpışmanın yakınlarında yırtılmaya uğrar. Çarpışma yüzünden meydana gelen boşluktaki yırtılma içinde, yaratılışın ilk anlarına benzeyen kontrolsüz bir madde plazması çarpışma noktasından etrafa yayılır ve adeta kanunun hapisane kaçkınlarını yakalaması gibi kuark ve antikuark çiftleri ve gluonlar yeniden bir araya gelir. Kaçak kuarklar bu madde ve antimadde sağanağı içinde yeniden prangaya vurulurlar. Kısa zamanda tüm kuarklar ve gluonlar yakalanır ve yeni piyonlar, protonlar ve nötronlar meydana gelir. Kuarkların özgürleşmesi sona ermiştir. Yine de kaçak kuarkların silinmeyen izleri çarpışmadan sonra gözlemlenebilir. Çok iyi tanımlanmış ve büyük bir oranla piyonlardan oluşan iki parçacık kümesi, yukarada bahsettiğimiz jetler, orjinal kuark ve antikuark yörüngelerini izleyerek uzaya akarlar. Bu parçacık jetleri özgürleşen kuarkların enerjisini taşırlar ve onların çizdikleri yörüngeleri belirtirler. Bu jetler şüphe götürmez bir şekilde kuarklara aittirler. Böylece, küçük bir uzay alanının çevrelenmiş olan dev parçacık hızlandırıcılar sayesinde, özgürleşen kuarkların ve çarpışma olaylarının gerçek doğası incelenebilmektedir.

Kuarklar aynı zamanda çok kısa süreliliğine bir gluon haline de dönüşebilirler; daha sonra bu gluon boşlukta bir yırtılma meydana getirir ve ortaya bir tepe kuark ve bir de antitepe kuark çıkar. Tepe kuarkların bozunma biçimleri dedektörde gözlemlenebilir. Bu şekilde, doğanın en ağır parçacığı olan ve “keşfedilenler” listesine en son giren tepe kuark, bizi çevreleyen boşluk denizinin derinliklerinden çekip çıkarılabilir. Tepe kuark, tıpkı bir altın atomunun çekirdeği gibi ağır bir madde topluluğudur. Bu büyük kütleli canavar yani tepe kuark, aynı zamanda şu soruyu da karşımıza çıkarır: kuarkların ve leptonların kütlelerini meydana getiren şey nedir?”

Parçacık Kütleleri

Parçacıklar dünyasında kütle kavramı da yeni bir kavrayış açısı getirir bize.  Artık Einstein’in yaşı yüz yılı geçmiş eşitiliğiyle, E=mc² ile kütle ve enerjinin birbirine eşdeğerliğini tanımış durumdayız. Bu küçük, zarif eşitliğin anlattığı bir şeye dikkat çekmeliyiz. Kütleyi m ile gösteriyoruz, m aslında iki kısımdan oluşur. Biri parçacık dururken, laboratuvarda ölçülen eylemsizlik kütlesidir (m₀). Diğeri, parçacığın hareketiyle (hızlandırıcılardaki protonları düşünelim) ya da bir alandaki potansiyel enerjiyle “kazanılmış” fazladan kütledir. Benzer durum, atom çekirdeğinde de görülür. Örneğin iki proton ve iki nötrondan oluşan helyum çekirdeğini (tarihsel ünvanıyla alfa parçacığını) düşünelim. İki proton ve iki nötronun çekirdek dışındaki kütleleri toplamı ile onların bir çekirdek oluşturdaklarındaki kütleleri aynı değildir. Onları çekirdekten ayırırsak, kütleler toplamı artar. Yani proton ve nötronların çekirdeki dışındaki kütleleri toplamı, çekirdeki içindeki toplam kütleden büyüktür. Başka ilginç bir örnek de fotonun, süper iletken dediğimiz drençsiz ortamlarda kütle kazanması olayıdır. Biliyorsunuz, foton, kütlesizdir; ama aşırı soğutulmuş kurşun ya da nikel-niobiyum alaşımları ortamında ağırlaşarak yaklaşık 1 eV kütleye kavuşurlar. Kütle, diğer pek çok şey gibi, atomun içindeki dünyada, kütle enerji eşitliği nedeniyle farklı davranır. Üç kuark (u, u, d) proton oluşturmak üzere  kenetlendiğinde, proton kütlesinin sadece çok küçük bir kesri, bu kurakların kütlesinden oluşur. Kuarkların kütlesinin büyük kısmı protonun içine hapsolmuş saf enerjiden oluşur.

Eğer kafanız biraz karıştıysa, azıcık daha karışmasına izin verin. Parçacıkların bir çoğu kararsızdır, yani belli bir zaman diliminde başka parçacıklara dönüşür ya da parçalanır. Örneğin proton dışındaki bütün hadronlar kararsızdır. İşte böylesi parçaçıkların iyice belirlenmiş, kesin bir kütlesi olamaz. Bunun için laboratuvarlarda bir dizi ölçüm yapılır, bir çan eğrisi (olasılık eğrisi) çizilir ve bu eğrinin tepesine, diyelim 2.718 GeV’ye, o parçacığın kütlesi denir. Bir protondan neredeyse yüz kat daha ağır olan Z⁰’ın ölçülen kütlesi farklı değerlere sahiptir. Yani her ölçümde farklı Z⁰ değerleri elde ederiz. Bir şey daha ekleyip kütle konusunun birimlerine dönelim. Kütle değerlerinin dağılımı, aslında parçacığın ömrünün bir ölçüsüdür. Parçacığın ömrü ne kadar kısaysa kütlesindeki o kadar belirsizdir. Birinin çok olması demek diğerinin az olması demektir. Konu, Heisenberg Belirsizlik İlkesiyle açıklanır. Kütle konusunda bir de şu namı diğer “Tanrı parçacığı” (Higgs bozonuna bu adı takan Leon Lederman, bunun sebebi olarak bu parçacığın tüm evrende oynadığı merkezi rolü gerekçe göstermiştir) denen Higgs parçacığı var; ama artık onu bu bölümün dışında inceleyelim.

Atomaltı parçacıkların kütlelerinden bahsetmek istediğimizde Einstein’ın ünlü formülü E=mc² formülünü kullanacağız ve böylece bizim için kütlenin ölçüsü, enerji olacak. Kullanılabilecek uygun enerji birimi elektron volttur . Bir voltluk bir pilin bir elektronu bir elektrik devresi boyunca hareket ettirmesi için gereken enerji miktarına bir elektron volt denir ve eV kısaltmasıyla gösterilir. Gerçekte eV, çok küçük bir enerji miktarıdır; çünkü normalde bir elektrik devresinden trilyonlarca elektron geçer; ama atomaltı düzeyde elektron volt iyi bir ölçektir. Örneğin nötrinoların kütlesi 1 eV ve daha düşük değerlerdedir, elektronun kütlesi 0.511 milyon elektron volt (0.511 MeV) değerindedir. Protonun kütlesi ise elektronunkinden yaklaşık 1840 katıdır ve 0.938 milyar elektron volt (0.938 GeV) değerinderir (GeV= giga elektron volt). Kütle konusunda başka ilginç bir nokta birkaç GeV ve TeV enerjili proton ve elektronların dalga boyları yaklaşık olarak aynıdır. Bunun açıklaması şudur: Kinetik enerjileri öylesine büyüktür ki, kütleler onun yanında ihmal edilebilir düzeyde kalmıştır ya da önemini kaybetmiştir.

Kuarkların yükü ve kütleleri aşağıdaki tabloda özetleniyor (Veriler, 2008 Particle Data Group verileridir). (Bazı çevirme faktörleri:  1 akb = 1 u = 27.2114 eV= 931.4943 MeV/c² ; 1 eV= 1.6021773×10^-19 J).

Altı kuarkın yük ve kütleleri

Adı	Simgesi	Yükü (e)	Kütlesi  (MeV/c2)
up (yukarı)	u	+2⁄3	1.5–3.3
down (aşağı)	d	−1⁄3	3.5–6.0
charm (büyülü)	c	+2⁄3	1270
strange (acayip)	s	−1⁄3	70–130
top (tepe)	t	+2⁄3	171,200
bottom (dip)	b	−1⁄3	4 200

Kuarkların en çok rastlanan bileşimleri üçlü ve ikili halde olanlar. Üçlü olanlar baryonları, ikili olanlar mezonları oluşturuyor. Ancak 2003 yılında ABD ve Japonya’daki araştırmacılar bir pentakuarkın izine rastladıklarını bildirdiler. Pentakuark, dört kuark ile bir antikuarktan oluşuyor, baryon sınıfına giriyor.

 

Arananlar

Kuarkların ve leptonların hepsi bulundu. Tepe kuark, tam 18 yıllık bir arama sonunda 1995’te ele geçti. Bilimciler, kuark ve lepton tablosunun tamamlandığı kanısındadırlar. Yani bu iki ailede “arananlar” listesi kaldırılmıştır; çünkü arananların hepsi yakalanmıştır. Bu bölümde ayrıntılı söz etmekten kaçındığımız parçacık ailesi, aracı parçacıklar ya da alan parçacıkları (ya da teknik bir terimle ayar bozonları) denen ailedir. Onlar ayrıca incelendiği için burada yalnızca değinip geçeceğiz.

 

 

Dört temel kuvvet ve onların aracı parçacıkları (ayar bozonları) vardır:

Elektromanyetizm : foton

Zayıf kuvvet          : W⁺,W^–, Z⁰

Güçlü kuvvet        : sekiz gluon

Kütle çekimi         : graviton

Birinci ketagori elektromanyetik kuvvet, elektron ve kuark gibi elektrik yüklü parçacıklarla etkileşen ama elektrik yükü olmayan parçacıklarla etkileşmeyen kuvvettir. Bu kuvvet, kütle çekim kuvvetinden 10⁴² kere daha büyüktür.

İkinci kategori zayıf nükleer kuvvettir. Günlük yaşantımızda bu kuvvetle doğrudan bir ilişkimiz yoktur. Bu kuvvet, radyoaktiflikten –atom çekirdeklerinin kendiliğinden bozunmasından- sorumludur. 1967’de Londra’daki Imperial College’tan Abdus Salam ve Harvard’dan Steven Weinberg ve Sheldon Glashow, zayıf etkileşmeyle elektromanyetik kuvveti birleştiren bir teori geliştirdiler. Bu, Maxwell’in elektrik ve manyetizmayı birleştiren tekleştirme teorisine benziyordu. Deneylerle doğrulnad ve adı geçen üç bilimci 1979 Nobel fizik ödülünü paylaştılar. Artık çok iyi incelenmiş olan bir nötronun bir protona dönüşme süreci, kuarklar düzeyinde açıklanırsa, bir aşağı kuarkın yukarı kuarka bozunması ve bir W^– bozonunun yayılması şeklindedir. Nötronun protona bozunmasında W^– parçacığı elektron ve antieletron nötrinosuna bozunur.

Fakat bu süreçte  şöyle bir gariplik vardır. W^– ın anormal bir kütlesi vardır (80 GeV), süratle elektron ve nötrinoya dönüşür. Kuark ve leptonlar arasındaki W parçacıklarının kuantum değiş tokuşu sonucunda ortaya çıkan kuvvetler Fermi’nin yetmiş yıl önce tasvir ettiği zayıf kuvvetlerin ta kendisidir. Fakat bu süreçte yaratılan W⁺,W^– ve Z⁰ oldukça ağır parçacıklardır. Bu parçacıklar fotonlarla çok yakın ilişki içindedirler. Bunlar arasındaki büyük kütle farkı nereden gelmektedir? İşte bu sorunun yanıtı için Higgs alanı ve Higgs parçacığı ortaya atılmıştır. Boşlukta parçacıklara kütle verdiği düşünülen Higgs aranmaktadır.

Üçüncü kategori güçlü nükleer kuvvettir.  Bu kuvvet hem proton ve nötronların çekirdek içinde birlikte tutulmasından, hem de protonların ve nötronların içinde kuarkların bir arada tutulmasından sorumludur.  Ondan yeterince söz ettiğimi sanıyorum.

Dördüncü kategori kütle çekim kuvveti, evrensel bir kuvvettir. Her nesne kütlesi ve enerjisine göre bu kuvvetten etkilenir. Kütle çekim kuvveti dört kuvvet arasında en zayıf olanıdır. İki özelliği onu çok önemli kılar ve onu fark etmemizi sağlar. Çok büyük uzaklıklarda bile etkilidir. Evrenin büyük kütlelerinin yıldızların ve galaksilerin oluşmasının temel kuvvetidir. Bir de kütle çekim kuvveti hep çekicidir. Aranan bir diğer parçacık da  kütle çekim kuvvetinin aracı parçacığı olarak düşünülen gravitondur. Daha doğrusu, belirsizlik ilkesiyle bağdaşan bir kütle çekim kuvveti aranmaktadır. Çünkü bugün pek çok olayı başarıyla açıklayan genel görelilik kuramı, belirsizlik ilkesini hesaba katmaz. 2004’te elde edilen deneysel verilere göre kuarklar nokta parçacıkmar, yani fiziksel boyutları ya da büyüklükleri sıfır! Spinleri var, yükleri var.

Özet:

Son olarak maddelerin oluştuğu temel parçacıklar şöyledir:

Altı kuark var: u, d, c, s, t ve b.

Altı lepton var: elektron, elektron nötrinosu; muon, muon nötrinosu; tau ve tau nötrinosu. Kuarklar ve leptonlara madde parçacıkları denir. Bunlar yarım spinli parçacıklardır. Dünyamızda , günlük hayatımızda gördüğümüz tüm maddeler u ve d kuarkı ile bir lepton olan elektrondan yaplmıştır. Üç kuark ve lepton kuşağı şöyle:

Birinci kuşak:

d ve u kuarkları

e ve n_e(elektron ve elektron nötrinosu)

İkinci kuşak: 

 s ve c kuarkları

(muon ve muon nötrinosu)

Üçüncü kuşak:

b ve t kuarkları

  (tau ve tau nötrinosu)

Dört temel kuvvet tanıyoruz:

Güçlü nükleer kuvvet

Elektromanyetik kuvvet

Zayıf nükleer kuvvet

Kütle çekim kuvveti

Dört aracı (kuvvet taşıyıcı) parçacığımız var (bozonlar):  foton, gluon (sekiz çeşit), zayıf kuvvet aracıları (W ve Z) ve graviton.

Kuarklarla ilgili öykümüz, son elli ya da altmış yılda alınan yolu açıkça gösteriyor. Teorinin gözü, bir dizi öngörülerde bulunmuş, deneyler bunların çoğunu doğrulamış, bazılarını elemiş; ama ortaya harika bir teori-deney düeti çıkmıştır. Yaşam devam ediyor. Pek çok soru işaretiyle kilitli kapılar hâlâ çok sayıda.  Çözülecek  daha pek çok problem, kazanılacak pek çok Nobel ödülü var!

 

Kaynakça

1. B. R. Martin and G. Shaw, Particle Physics, Third Editon, Wiley Publication, UK 2008

2.  Don Lincoln, Understanding the Universe, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd 2004

3. Kenneth W. Ford, Kuantum Dünyası (2004), Çeviren: Neslihan Sabuncu, Güncel yayıncılık 2005

4. Leon Lederman-Dick Teresi, Tanrı Parçacığı (1993), Çeviren: Emre Kapkın, Evrim Yayınları 2001

5. Leon Lederman-Christopher T. Hill, Simetri (2004), Çeviren: Barış Akalın, Güncel Yayıncılık 2005

6. Murray Gell-Mann, The Quark and The Jaguar, Abacus 1994

7. Ramazan Karakale, Atomun İçinde, Güncel yayıncılık 2006

8. Stephan Hawking, Ceviz kabuğundaki Evren (2001), Çeviren: Kemal Çömlekçi, Alfa Yay 2002

9. S. Hawking- L. Mlodinow, Zamanın Daha Kısa Tarihi (2005), Çeviren: Selma Öğünç,Doğan Kitap 2006

10. Wikipedia.org

11.William H. Cropper, Büyük Fizikçiler (2001), Çeviren: Nurettin Elhüseyni, Oğlak Yayıncılık 2004

12.Young &Freedman, University Physics, Pearson Education, 11th Edition 2004  (atominsan.net^RK)

Ramazan Karakale