Doğada Tek Başına Gözlenemeyen Atom Altı Parçacık: Kuark
kuark: doğada tek başına gözlenemeyen, iki temel prensibe dayanan atom altı parçacık.
1. her baryon, üç kuarktan ve her anti baryon üç anti kuarktan oluşur.
2. her mezon, bir kuark ve bir anti kuarktan oluşur.
kuarklar pek çok faklı mesafede birbirlerine bağlanabilirler. aynı hidrojen atomunda elektron ve protonun pek çok farklı enerji seviyesinde bağlı olabildiği gibi. (bkz: hidrojen atomu)
elektron-proton bağlı durumunda enerji seviyeleri bir birbirinden birkaç ev mesafede iken bağlı durumun durgun kütlesi yaklaşık gev mertebesindedir, bu nedenle tüm olası durumları hidrojen atomu olarak isimlendirebiliriz. fakat aynı kuarkların farklı bağlı durumları arasındaki enerji farkı çok büyüktür ki o zaman bu durumları farklı parçacıklar olarak ifade ederiz. bu nedenle üç faklı kuarktan sonsuz sayıda hadron elde edebiliriz. bununla beraber kuark modelinin, s=0 ve q=-2 değerlerine sahip bir baryon veya q=+2 veya s=-3 değerlerine sahip bir mezon gibi bazı birleşimleri kesinlikle dışladığına dikkat edilmelidir. bu tip egzotik olarak adlandırılan parçacıkları bulmak için pek çok deney yapıldıysa da hiç biri bulunamamıştır.
kuark modeli uzun bir süre derin utanç içindeydi, çünkü 20 yıllık bir süre boyunca yapılan hassas deneylerde bile hiç kimse bağımsız tek bir kuark gözlemleyememişti. eğer bir proton üç kuarktan oluşuyorsa ve buna yeterince sert vurulursa kuarklar serbest kalıp dışarı fırlamalıydı. bunun yanı sıra kesirli elektrik yükü taşıdıklarından bunları ayırt etmek oldukça kolay olmalıydı. hatta kuark çok kararlı bir yapı olmalıydı ki, nede olsa bozunabileceği kesirli yüke sahip başka bir hafif parçacık yoktur.
izole bir kuark bulmakta deneylerin başarısızlığı altmışların sonu yetmişlerin başında kuark modeline şüphe ile bakılmasına neden oldu. modele bağlı kalanlar ise hayal kırıklıklarını kuark hapsolmasının arkasına gizlemeye çalışıyorlardı. şu ana kadar anlaşılamayan nedenlerden dolayı kuarklar gerçektende baryon ve mezonların içine hapsolmuşlardır ve ne kadar sert vurursanız vurun onları dışarı çıkaramazsınız. bu durum özellikle fizikçiler dünyasında hayal kırıklığı yaratsa da en azından 1980'lerde uğraşılacak çok önemli bir teorik problemi ortaya atmıştı: kuark hapsolması'ndan sorumlu mekanizma nedir?
her ne kadar kuarklar hadronların içinde hapsolsa da deneysel olarak erişilmez değildirler. bir protonun içi rutherford'un atomun içini gözlemlediği şekilde gözlemlenebilir. böyle deneyler ilk olarak altmışların sonunda slac'da (stanford linear accelerator center) yüksek enerjili elektronlar kullanılarak, yetmişlerin başında ise cern'de önce nötrino demetleri ve daha sonra protonlar kullanılarak gerçekleştirildi. bu deneylerden elde edilen sonuçlar rutherford'un elde ettiklerinin benzeriydi. 'derin esnek olmayan çarpışma' olarak isimlendirilen bu deneylerde pek çok mermi parçacık etkilenmeden geçerken çok az sayıdaki mermi parçacık ise geri sıçramıştı ve bu durum proton içindeki pozitif yükün çok küçük bir merkezde yoğunlaştığını göstermişti. bununla birlikte bu sefer deneysel kanıtlar bir yerine üç parçaya işaret ediyordu. bu, kuark modeline güçlü bir destek sağlasa da hala daha şüpheleri ortadan kaldıracak nitelikte değil tabii ki.
enteresan bir şekilde, sonuç olarak beklenen oldu ve kuark modeline teorik itiraz geldi.
(bkz: pauli dışlama ilkesi)
pauli dışlama ilkesi'ni ihlal ediyordu. pauli'nin orijinal formülasyonu iki elektronun aynı durumda bulunmasını yasaklıyordu çünkü. sonradan anlaşıldı ki bu durum tüm buçuk spinli parçacıklara uyuyor ve bunun ispatı kuantum alan teorisinin en önemli başarılarından biri olmuştu.
bu modelle ilgili özellikle renk hipotezi ilk bakışta can çekişen kuark modeline yapılan son bir destek gibi görünse de sonradan bu tanımlamanın günümüzün en verimli fikirlerinden biri olduğu ortaya çıktı. bu noktada şunu da belirtmek gerekir ki kırmızılık, yeşillik ve mavilik sadece bir etiket olarak kullanılır ve kelimelerin asıl anlamları ile hiçbir ilgisi yoktur. bu ifade gayet rahat x-lik, y-lik ve z-lik olarak da kullanılabilirdi. aslında bu hipotezin ortaya koyduğu en önemli açılım 'doğal olarak bulunan bütün parçacıklar renksizdir' oldu. bu ifadedeki renksizlik teriminden rengin toplam miktarının sıfır olduğu veya her renkten eşit miktarda bulunduğu anlaşılmalı tabii ki... bu da bize neden iki veya dört kuarka sahip parçacıklar yapamadığımızı veya doğada tek başına bir kuark gözlemleyemediğimizi açıklar.