Evrendeki Bütün Parçacıkların Birbiriyle Etkileşimini Açıklayan Kuram: Standart Model
parçacık fiziğinin standart modeli, evrendeki parçacıkları ve bunların nasıl birbirleriyle etkileşim kurduğunu açıklayan teoridir. herkesin bilmesi gerektiği kadarına biraz değineceğim.
öncelikle, parçacıkların birbirleriyle etkileşimi şu evrensel kuvvetler sayesinde olur (kuvvet yerine etkileşim de derler):
a- elektromanyetizma (ışık, elektrik ve mıknatısın babasıdır)
b- güçlü çekirdeksel kuvvet (her şeyi bir arada tutar; kısaca 'güçlü kuvvet')
c- zayıf çekirdeksel kuvvet (radyokaktivite; kısaca 'zayıf kuvvet')
bir de dördüncü olarak ‘kütleçekim kuvveti’ var, ama o daha çok büyük kütlelerde önem kazanan bir kuvvettir, parçacık fiziğinde diğer üç kuvvet kadar büyük bir rol oynamıyor. hiç oynamıyor değil tabi, her parçacığın enerjisi vardır ve dolayısıyla her parçacık kütleçekimden etkilenmektedir. fakat, standart model kütleçekimi açıklayamamaktadır, bu yüzden kütleçekim teorisiyle henüz buluşturulamamıştır. yani, standart model’de kütleçekim diye bir kuvvet yoktur.
graviton parçacığı gibi teoriler vardır ama dediğim gibi hem henüz oturmamıştır hem de standart modelin, kütleçekim'i işin içine katma ihtiyacı yoktur; tabiri caizse, standart model, parçacıkların kütleçekimsiz yassı bir mekanda olduğunu varsayar. aslında denkleme kütleçekim eklenebiliyor, fakat kara delikler gibi yüksek enerjili olaylar açıklanmaya çalışıldığında teori bozuluyor.
detaya inmeden modele devam edelim.
Spin: Fizikte bir parçacığın açısal momentumu.
maddeleri oluşturan parçacıklar için üç kategorimiz var
a- fermiyon'lar (spin'leri 1/2'dir)
b- bozon'lar (spin'leri 1'dir)
c- higgs bozonu (spin'i 0 olduğu için öteki bozon'lardan ayrı bir kategoridedir)
fermiyon'lar da ikiye ayrılır:
insanı oluşturan tüm maddeler sadece üç fermiyondan oluşur: iki kuark ve bir lepton
altı tip kuark vardır:
birinci nesil kuark'lar (bunlar normal maddeleri oluşturan kuark'lardır):
a- aşağı kuark
b- yukarı kuark
ikinci nesil kuark'lar:
c- acayip kuark
d- tılsım kuark
üçüncü nesil kuark'lar:
e- alt kuark
f- en kuark
kuark'ların nesiller arası farkı sadece ama sadece kütleseldir. alt, acayip'in, acayip de aşağı'nın daha kütleli halidir. bunlara topluca aşağı kuark'lar diyebiliriz. aynı şekilde; en, tılsım’ın, tılsım da yukarı'nın daha kütleli halidir. bunlara da topluca yukarı kuark'lar denilebilir.
altı tip de lepton vardır:
- birinci nesil lepton'lar
a-elektron
b-elektron nötrinosu
- ikinci nesil lepton'lar
c-muon
d-muon nötrinosu
- üçüncü nesil lepton'lar
e-tau
f-tau nötrinosu
tekrardan aynı şekilde, muon ve tau, elektron'un daha kütleli versiyonlarıdır. farklı olarak, nötrino'ların kütleleri bilinmemektedir, lakin 0'dan büyük olduklarını ve nesilleri arttıkça kütlelerinin de arttığını biliyoruz.
proton ve nötron'ları oluşturan kuark'lar, en hafif iki kuark olan yukarı kuark ve aşağı kuark'tır. proton, nötron ve elektron'u bir yerde toplarsak, olur sana atom. atomları beraber bir yerde toplarsak, olur sana molekül. vücudumuzdaki tüm moleküllerin sadece üç fermiyondan oluştuğunu söylerken bunu kastediyordum, proton ve nötronu sadece iki tip kuark oluşturuyor, bir de işte bunların yanına elektron geliyor.
bozon'lar (hepsi 1 spin'e sahiptir) ise parçacıkların iletişim kurmasına yardımcı olan parçacıklardır. yani bir parçacığın öteki parçacıkla iletişim kurmasının tek yolu, bozon denen parçacıkları kullanmaktır. fizikçiler bu iletişimlere kuvvet ya da etkileşim derler. elektromanyetik kuvvet, zayıf çekirdeksel kuvvet, güçlü çekirdeksel kuvvet vesaire bunların başının altından çıkar.
bozon'ları sayalım:
a- foton
b- glüon
c- w bozonu
d- z bozonu
iki elektron birbirlerini ittirirken, foton (ışık parçacığı) takası yaparlar. bu takasa elektromanyetik etkileşim/kuvvet denir. foton'lar sadece ama sadece yüklü parçacıklarla etkileşim kurabilirler.
foton'lar kütlesiz olduğu için, epey uzak mesafelere yolculuk yapabilirler. foton’ların aksine kütleli olan w ve z bozon'larının oluşturduğu takasa da zayıf kuvvet denir. ama w bozon'larının aynı zamanda elektrik yükü de vardır, bu yüzden foton'larla, elektron'larla falan iletişim kurabilirler.
kütlesiz glüon'ların takası ise güçlü kuvvettir. kendileri de "renk yükü"ne sahip olan glüon'lar, sadece "renk yükü"ne sahip olan parçacıklarla, yani kuark'larla ve kendileriyle etkileşime girebilirler.
renk yükü'nün üç türü vardır:
a- kırmızı
b- yeşil
c- mavi
tabii, aslında kuark'ların ya da glüon’ların herhangi bir rengi yoktur, renk yükü sadece bir isimlendirmedir, benzetmedir. renk yükleri elektrik yüklerine benzer, nasıl ki bir pozitif ile bir negatif etkileşim kurduğunda nötrü oluşturuyorlar, aynı şekilde kırmızı, yeşil ve mavi de birbiriyle etkileşim kurduklarında ‘renksiz’i oluştururlar.
higgs bozonu ise kütlesi olan her parçacıkla etkileşim kurabilmektedir.
son olarak, anti-parçacıklar vardır fakat bunlar için ayrı bir anlatıya gerek yok
bir parçacığın özelliklerini ters çevirince aha işte al sana anti-parçacık. mesela yukarı-kuark'ın (elektrik yükü +2/3; renk yükü de mavi, yeşil ya da kırmızı) anti-parçacığı anti-yukarı-kuark'tır(elektrik yükü -2/3; renk yükü de sarı, mor ya da açık mavi). sarı, mor ya da açık mavi mi?
evet, renkli bir parçacığın anti-parçacığı anti-renkli olur ve bunların karşılıkları şöyledir:
a- kırmızı - açık mavi (anti-kırmızı)
b- yeşil - mor (anti-yeşil)
c- mavi - sarı (anti-mavi)
fakat genelde, kafa karışıklığı olmaması için ‘açık mavi’ yerine direkt ‘anti-kırmızı’ denir, ben de kafa karıştırmak istemiyorum.
elektron'un anti-parçacığı da pozitron'dur ve yükü -1 yerine +1'dir.
muon ve tau da elektron gibi eksi yüklüdürler. anti parçacıkları olan antimuon ile antitau ise artı yüklüdür.
w bozonu’nun, spesifik anti-parçacığı yoktur, pozitifse negatifi, negatifse pozitifi anti-parçacıktır.
z bozon’u yüksüzdür, anti-parçacığı kendisi olarak görülür. yük değişmese de başka özellikler değişmektedir.
foton'un da herhangi bir yükü olmadığı için parçacıkla anti-parçacık arasında bir fark yoktur, yine kendi kendisinin anti-parçacığı sayılır.
nötrino'ların da bir yükü yok ama onların anti-parçacığı var mı yok mu konusu henüz tartışılmakta.
higgs bozonu’nun da anti-parçacığı kendisidir.
glüon’un da w bozonu gibi spesifik bir anti-parçacığı yoktur. glüon’ların, kuark’ların aksine aynı anda iki renk yükü vardır: biri renk, öbürü anti-renk’tir. bu yüzden, bir glüon’un renk yükünü ters çevirdiğinizde anti-parçacığa değil, başka bir glüon’a gelirsiniz. bir bakıma, bir glüon’un anti-parçacığı, ters yüklü bir başka parçacıktır. mesela bir glüon’un renk yükü ‘yeşil + anti-mavi’ ise, anti-parçacığı ‘mavi + anti-yeşil’ yüklü glüon’dur.
ayrıca, glüon’la ilgili bir probleme de değinmek istiyorum
ki bu, sanırım bu metnin en karışık kısmı olacak...
glüon’un, iki renk yüküne sahip olduğundan ötürü, dokuza ayrılması beklenebilir:
kırmızı - antikırmızı
kırmızı - antimavi
kırmızı - antiyeşil
mavi - antimavi
mavi - antikırmızı
mavi - antiyeşil
yeşil - antiyeşil
yeşil - antimavi
yeşil - antikırmızı
lakin, glüon’lar, şu şekilde 8’e ayrılır:
kırmızı - antimavi
kırmızı - antiyeşil
mavi - antikırmızı
mavi - antiyeşil
yeşil - antikırmızı
yeşil - antimavi
tuhaf bir glüon
tuhaf iki glüon (son ikisinin adlarını bu metnin hatrına ben attım şimdi)
neleri eklediğim belli, asıl soru bu listeden neyi çıkardığım! kırmızı - antikırmızı, mavi - antimavi, ve yeşil - antiyeşil’i çıkardım, çünkü bu üçü birbirleriyle etkileşime girip renkleri tuhaf bir şekilde dağıtır ve üç farklı/yeni glüon ortaya çıkarır:
1. glüon: tüm renkleri içerir, ve bunlar eşit bir şekilde dağıtıldığı için renksizdir.
2. glüon: eşit olmayan şekilde üç adet renk ve antirenge sahiptir.
3. glüon: eşit olmayan şekilde üç adet renk ve antirenge sahiptir.
ilk baştaki, renksizliği gereği bir daha hiçbir renk yüküyle etkileşim kuramayacağından listeden çıkar. bize de 2 glüon kalır, ve totalde 8 glüon’umuz olmuş olur.
sonracığıma, bir de birleşik parçacıklar vardır
birleşik parçacıklar iki ya da daha fazla temel parçacığın birleşmesinden oluşurlar. bu temel parçacıklar mutlaka kuark’lardır çünkü bir tek kuark’lar birbirlerinden kopmamalarını sağlayacak ‘güçlü çekirdeksel kuvvet’ten nasibini alır, çünkü bir tek onların bu kuvveti sağlayacak renk yükleri vardır.
e glüon’lar? onların da renk yükleri yok muydu? var tabii! dolayısıyla, standart modele göre bunlar birleşip birleşik parçacık oluşturmalıdırlar, fakat böyle bir şey henüz gözlemlenebilmiş değil. glüon’ların oluşturdukları bu teorik birleşik parçacığa ‘glüontopu’(glueball) ya da ‘glüonium’ derler.
burada, kabaca bir standart model çıkarımı görmüş oldunuz. standart model’den yola çıkarak bu tarz sonuçlara, parçacıklara varılır, daha sonra da bu parçacıklar kanıtlanır (örn. higgs bozonu); popülerliğinin bir kısmı bu varlık-tahmini potansiyelinden gelir. temel parçacıkların hepsi (17 tane) deneysel olarak gözlemlenmiştir, daha bulunacak bir parçacık kalmadı; sadece, glüontopu, pentakuark (4 kuark + 1 anti kuark) ve tetrakuark (2 kuark + 2 antikuark) gibi teorik birleşik parçacıklar kaldı.
parçacıklarla yapılabilecek en basit birleşik parçacıklara hadron denir
hadron'lar ikiye ayrılır:
a- baryon: üç kuark ve üç antikuark'tan oluşur. baryon’lar, fermiyon’durlar.
b- mezon: bir kuark ve bir antikuark'tan oluşur. mezon’lar, bozon’durlar.
mesela, nötron da proton da birer baryon'dur. proton'u oluşturan şeyler iki yukarı kuark ve bir aşağı kuark'tır. nötron ise bir yukarı kuark ve iki aşağı kuark'tan oluşur. bir yukarı kuark'ın +2/3 yüklü olduğunu, aşağı kuark'ın da -1/3 yüklü olduğunu düşünürsek, proton'un (2/3 + 2/3 - 1/3 = 3/3) toplamda +1, nötron'un (2/3 - 1/3 - 1/3 = 0/3) ise 0 yüklü olduğunu, yani yüksüz olduğunu görebiliriz.
mezon denince ilk akla gelen şeyler piyon'lardır, yani en hafif mezon’lar, ama oralara girersek hiç çıkamayız. mezon'ları da aşağı kuark, yukarı kuark ve antikuark'lar oluşturur. mezon'ları oluşturan kuark'ların, toplamda yükü ya +1'dir, ya -1'dir ya da 0'dır.
bu yüzden üç tür mezon vardır:
a- artı yüklü mezon = yukarı kuark (+2/3) + anti-aşağı kuark(+1/3).
b- eksi yüklü mezon = anti-yukarı kuark (-2/3) + aşağı kuark(-1/3).
c- yüksüz mezon = yukarı kuark (+2/3) + anti-yukarı kuark(-2/3).
mezon’lar ve baryon’lar için (yani hadron’lar için), elektrik yükü negatif ya da pozitif olabilse de, renk yükü mutlaka ‘renksiz’ olmalıdır. bir mezon’u oluşturan kuark ve antikuark, her zaman zıt renk yükleri taşır.
bunlar basit birleşik parçacıklardı. bir de kompleks birleşik parçacıklar vardır: atomlar!
atomların bileşenleri proton, nötron ve elektron'dur. bu da demek oluyor ki, bizim gördüğümüz ve tanık olduğumuz tüm maddeler sadece birinci nesil kuark'lardan ve lepton'lardan meydana gelmiştir: yukarı kuark'lar, aşağı kuark'lar ve elektron'lar. daha yukarı nesillerden atomlar yapılamaz, zira oralardaki kuark'lar ve lepton'lar atom için fazla kararsızdırlar.
lakin, birinci nesil'den antikuark'lar ve antilepton'lar alınıp anti-madde üretilebilir. mesela, iki anti-yukarı kuark ve bir anti-aşağı kuark'tan antiproton oluşturabiliriz. bunu bir de elektron'un antisi olan pozitron'la birleştirirsek olur size anti-hidrojen atomu. anti-hidrojen, laboratuar ortamında yapılabilmiştir.
Kuantum Mekaniğinin Temel Fizik Yasalarına Dayandırılarak Güzelce Sadeleştirilmiş Özeti
