Parçacık Fiziği (Yüksek Enerji Fiziği, Particle Physics)

Parçacık fiziği, maddenin parçacıklarını ve aralarındaki karşılıklı etkileşimi konu alan ^[1] ve ışıma, maddenin temel parçacıkları üzerine çalışan fiziğin bir dalıdır ve onların aralarındaki etkileşimleri de incelemektedir. Yüksek enerji fiziği diye de adlandırılmaktadır; çünkü birçok temel parçacık, doğada normal koşullarda oluşmaz; fakat oluşturulması veya gözlenmesi için geçen süre zarfında parçacık hızlandırıcılarında, diğer parçacıklarla enerjik çarpıştırılmaları gerekir.^[2]

Atomaltı parçacıkları, bağımsız olarak ömürleri çok kısa olduğu için normal şartlar altında gözlemlenemezler. Bu amaçla oluşturulan "parçacık hızlandırıcısı" denilen dev düzeneklerde, yüksek elektrik alan etkisi ile hızlandırılmış parçacıkların manyetik alan etkisi ile odaklanarak çarpıştırılması ile ortaya çıkan farklı parçacıklar incelenebilir hale getirilmeye çalışılır.^[1]

20. Yüzyıl başlarında Rutherford deneyi ile ortaya konulan atom modeli sonrasında insanoğlunun maddenin temel yapısını çözümleme çerçevesindeki arayış ve gayretleri, özellikle parçacık fiziği ve nükleer fizik konusunda yapacağı yeni deneylerde elektron ve proton gibi hızlandırılmış temel parçacıkların kullanılmasını gündeme getirmiştir. Parçacık hızlandırıcıları ile ilgili ilk deneysel çalışmalar 1920'lerde başlamış, 1930'larda çeşitlenmiş ve 1940'lı yılların sonlarından başlayarak gelişen teknoloji ile ortalama her yedi yılda bir demet enerjilerinde ulaşılabilen üst sınır 10 kat artmış ve günümüzde 1 TeV enerjili hızlandırıcıların kurulması sağlanmış ve 5-10 TeV enerjili hızlandırıcıların yapımına başlanmıştır. Parçacık fiziğinin ve nükleer fiziğin vazgeçilmez deneysel aygıtları olan hızlandırıcılar günümüzde temel parçacıkların üretimi, ikincil demetlerin üretimi, sinkrotron ışınımı üretimi, serbest elektron lazerlerinin üretimi ve başta temel araştırmalar olmak üzere, bilim ve teknolojinin çeşitli alanlarında endüstriyel ve teknolojik ürünlerin üretiminde ve kalite kontrolünde kullanılması ile özellikle gelişmiş ülkelerde makro ekonominin, mühendisliğin ve teknolojinin gelişmesinde kilit rol oynamaya başlamışlardır.

Bu çerçeveden bakılıp, her birinde yüzlerce doktoralı nükleer, parçacık ve hızlandırıcı fizikçisinin çalıştığı İsviçre-Fransa sınırında yerleşik Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi CERN'in [0.1], Almanya'da Alman Elektron Sinkrotronu DESY'nin [0.2], Japonya'da Japon Ulusal Hızlandırıcı Merkezi KEK'in [0.3], Amerika'da Stanford Lineer Hızlandırıcısı SLAC'ın [0.4] ve Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı FNAL'in [0.5], Rusya'da Novosibirsk [0.6] ve Protvino [0.7] hızlandırıcı merkezlerinin kurulduğu dönemler ve sonrasında bu ülkelere bilgi birikimi, mühendislik ve teknoloji alanında kazandırdıkları dikkatlice incelenirse hızlandırıcı laboratuarlarına sahip olmanın önemi kendiliğinden ortaya çıkacaktır.

Parçacık hızlandırıcılarının başta temel parçacık fiziği ve nükleer fizik deneyleri olmak üzere malzeme fiziğinden yüzey fiziğine, x-ışınlarından, nötron terapisine, proton terapisinden iyon implantasyonuna, petrol ve gaz yataklarının aranmasından çevre atıklarının etkisiz hale getirilmesine, gıda sterilizasyonundan izotop üretimine, nükleer atıkların temizlenmesinden toryuma dayalı nükleer santrallere, polimerizasyondan litografiye, anjiografiden baca gazlarının temizlenmesine, mikrospektroskopiden güç mühendisliğine, sinkrotron ışınımından serbest elektron lazerlerine, ağır iyon füzyonlarından plasma ısıtılmasına kadar günümüzde yüzlerce kullanım alanı mevcuttur. Bu gün gramına on binlerce dolar ödenebilen bir izotopu üretmek veya iyon implantasyonu yoluyla 15 yıl paslanmazlık garantisi verilebilen metalik bir yüzeyi ortaya koymak hızlandırıcıya dayalı basit ve yaygın teknolojiler haline gelmiştir.

Sadece sinkrotron ışınımının Avrupa'da kullanımını ele alınırsa, çalışır durumda bulunan ve halka tipli elektron hızlandırıcılarına dayalı HASYLAB (Hamburg), BESSY (Berlin), ESRF (Grenoble), ELEITRA (Trieste) v.b. sinkrotron ışınımı laboratuarlarında fiziksel, biyolojik, kimyasal ve jeolojik numuneler üzerinde yapılan ve genel anlamda spektroskopiye dayalı araştırmaların sayısının bir yılda binlerce olması mikro teknolojilerin uygulamalarının artış hızı ve bunlara yapılan yatırımların boyutu konusunda bazı ipuçları kendiliğinden ortaya çıkacaktır.

Bugün dünyada 4 kıtaya dağılmış on beş binin (15000) üzerinde küçüklü büyüklü hızlandırıcı mevcuttur [0.8]. Bunların yaklaşık 7000 adedi iyon implantasyonu ve yüzey modifikasyonunda, 1500 adedi endüstride, 1000 adedi nükleer-dışı araştırmada, 5000 adedi radyo-terapide, 200 adedi medical izotop üretiminde, 20 adedi hadron terapide, 70 adedi sinkrotron ışınımı kaynağı olarak kullanılmaktadır. Daha önce bazılarının isimleri ve ülkeleri verilen ve daha çok parçacık fiziği ve nükleer fizik deneyleri, sinkrotron ışınımı ve serbest elektron lazeri üretimi ve yeni teknoloji geliştirme amacıyla kurulan büyük ölçekli olanların sayısı ise 110 civarındadır. Ziyaretçi bilim adamları ile birlikte bu gün CERN de çalışan bilim adamı sayısı 4500 dür.^[3]

"Farklı maddeleri oluşturan benzer temel yapıtaşları vardır" fikri, Demokritus'un atom modeline kadar uzanır. Yakin tarihte J.J. Thompson'un elektronu bulması ve E. Rutherford'un atom yapısı deneyi ile ortaya çıkan atom fiziği, Curie'lerin radium & polonyum gibi ışıyan (radyoaktif) elementleri ortaya çıkarması ile çekirdek (nükleer) fiziğine yol vermiştir. Güncel araştırmalar, atom çekirdeğini oluşturan daha temel yapıtaşları üzerinedir. Bu araştırmalar, CERN, FNAL gibi çok uluslu laboratuarlarda yapılmaktadır. Atom bombasından, kanser terapisine kadar, birey ve toplum hayatına doğrudan etki eden sonuçları vardır.^[4]

Çağdaş fiziğin en yoğun ilgi alanı, temel parçacıklar üzerine yapılan araştırmalardır. Parçacık fiziği ya da yüksek enerji fiziği olarak bilinen bu dal çok sayıdaki temel parçacık arasındaki ilişkilerin aydınlatılmasıyla uğraşır. Kararlı elektron ve protondan, 10'2°saniyelik ömrü olan çok kararsızlarına kadar geniş çeşitlilik gösteren bu parçacıklar, kabarcık odası gibi düzenekler aracılığıyla incelenir.

Çağdaş fiziğin kuramsal temellerini, kuantum ve görelilik kuramları oluşturmaktadır. Fiziğin çeşitli dallarının konuları, deneysel yöntemleri ve kuramsal teknikleri ne kadar farklı olsa da, bu iki kuramın uyarlamalarına, birçok araştırma alanında rastlanmaktadır. kuantum mekaniği, elektromagrıetik ışınımın sürekli dalgalardan değil, enerji ve momentumları, frekansları ile orantılı olan parçacığa benzer fotonlardan oluştuğunu ileri sürer. Klasik mekanik, bir olası değerler aralığında sürekli değişebilen fiziksel niceliklerle belirlenirken, kuantum kuramının belirleyici özelliği kesikli (ayrık) değerler taşıması ve içkin olarak belirsizlik ilkesine yer vermesidir.

Einstein'ın ortaya koyduğu görelilik kuramı, iki temel postula üzerine kurulmuştur:

1. Bir ışık kaynağına göre hareket durumları ne olursa olsun tüm gözlemciler, ışık hızı için aynı değeri ölçerler.
2. Tüm eylemsiz koordinat sistemlerinde fizik yasaları aynıdır. Birinci postuladaki ışık hızının değişmezliği, deneysel olarak kanıtlanmıştır. İkinci postula ise, klasik mekanik için de geçerlidir.^[5]

Araştırmalar sonucunda parçacıkların listesi uzuncadır.^[2] Tanımlanabilen tanecik türlerinin sayısı 200 dolayındadır. Bu sayı karşı tanecikleri de kapsar. Karşı tanecikler kütle bakımından öteki taneciklerle özdeştir, ama başka özellikleri bakımından karşıtlıklar gösterirler. Sözgelimi, bir elektron eksi gerilimle yüklü bir elektrot tarafından itilir, oysa bir karşı elektron (pozitron), aynı elektrot tarafından çekilir. Bunun nedeni, elektronun eksi yük, pozitronunsa artı yük taşımasıdır.

Tanecikler, kütle bakımından birbirinden ayrılırlar. Sözgelimi, fotonlar (ışık taneciği,) kütlesizdir, yalnızca enerji taşırlar. N ve Z harfleriyle gösterilen ve kütleleri PROTON ve NÖTRON'dan üç kez daha büyük olan tanecikler de vardır. Taneciklerin, elektrik yükleri (artı, eksi) ve dönüleri (spin) gibi ölçülebilir özellikleri vardır. Tanecik etkileşimleri arasında büyük farklar bulunmuş ve tanecik özelliklerini denetleyen dört kuvvet tanımlanmıştır: Güçlü kuvvet; elektromagnetik kuvvet; zayıf kuvvet; çekimsel kuvvet. Şiddetleri çok farklı olan bu kuvvetler, birbirinden kolayca ayırt edilebilir. Elektromagnetik kuvvet güçlü kuvvetten yüz kez, zayıf kuvvet milyar kez, çekimsel kuvvet de milyon kez daha küçüktür.

Aşağıda bu kuvvetler, tanımlanmış ve bu sınıflara giren tanecikler verilmiştir. Güçlü kuvvete duyarlı olan taneciklere "kadron", zayıf kuvvete duyarlı olanlara da "lepton" adı verilir. Elektrik bakımından yüklü olanlar elektromagnetik kuvvete, kütlesi olan her tanecik de çekimsel kuvvete duyarlıdır.^[6]

Çekimsel Kuvvet

Çekimsel kuvvet, kütlesi olan iki tanecik arasında bulunur ve Newton'un düşen bir elmadan esinlenerek çıkardığı yasayla tanımlanır. Bu kuvvet, Dünya ve öteki gezegenlerin Güneş çevresindeki yörüngelerinde dönmelerini denetler. Çekim kuvveti, yalnızca çeken bir kuvvettir. İki kütle birbirini çeker, hiç bir zaman itmez. Bu kuvvetin değeri, kütlelerin çarpımının aralarındaki uzaklığın karesine bölümüyle orantılıdır. Gök cisimleri ele alındığında büyük bir güç olarak ortaya çıkan çekim kuvveti, tek tek tanecikler söz konusu olduğunda sezilmeyecek kadar küçüktür ve çoğunlukla öteki kuvvetler tarafından gölgelenir.^[6]

Elektromagnetik Kuvvet

Elektromagnetik kuvvet, elektrik yükü taşıyan bütün tanecikler arasında bulunur. Elektrik ve magnetizma olaylarında yer alır. Atom içinde, eksi elektronun artı çekirdek çevresindeki dolanımını denetler ve böylece atom hareketlerinin kaynağını oluşturur. Karşıt yüklü taneciklerin birbirini çekmesini, aynı yüklü taneciklerinse birbirini itmesini sağlar. Elektromagnetik kuvvetin değeri de, çekimsel kuvvete benzer biçimde, iki yükün çarpımının, uzaklığın karesine bölümüyle orantılıdır.

Elektromagnetik kuvvetin etkinliği ve işlevi, kuantum elektrodinamiği kuramında tanımını bulmaktadır. Buna göre, her taneciğin çevresi bir foton bulutuyla sarılıdır. Söz konusu bulut, ışUsta (?) olduğu gibi kütlesiz bir enerji paketidir. Tanecikse, sürekli olarak bu fotonları dışa doğru fırlatmakta, sonra da kendine doğru çekip yakalamaktadır. Eğer bir foton başka bir fotonla karşılaşırsa etkileşim başlar (sözgelimi, karşıt yüklüyseler birbirlerini çekerler).

Foton yardımıyla bir tanecik, ikinci bir taneciğe mesaj iletmektedir. Foton bulutunun yoğunluğu, taneciğe yakın yerlerde yüksek, dışa doğru düşüktür. Bu, elektromagnetik etkileşimin uzaklıkla azaldığını ortaya koyar.

kuantum elektrodinamiğinin geçerli bir kuram olduğu söylenebilir. Bu kuram deneyle de kanıtlanabilir. Çünkü, yüklü taneciğin çevresinde bulunan foton bulutu, tanecik özelliklerini biraz değiştirir. Küçük değişimler ölçülmüş ve milyonda birkaç hatayla kuantum elektrodinamiği kuramında öngörülen değerler bulunmuştur. Kuram, küçük çaplı olayları açıklamak için geliştirilmiş olmasına karşın, başka elektromagnetik kuvvetlerin saptanmasında da başarılı sonuçlar vermiştir. Tanecikler arası uzaklığın, atomsal ölçekte ya da uzaysal boyutlarda olması fark etmemektedir.^[6]

Güçlü Kuvvet

Güçlü kuvvet, hadronlar arasında ortaya çıkar. Atom çekirdeği içinde işlevini sürdürür. Elektromagnetik kuvvetin artı yüklü protonları birbirinden uzaklaştırmaya çalışmasına karşı, proton ve nötronları bir arada tutar. Bu kuvvetin etkisi, ancak atom çekirdeği ölçeğindeki uzaklıklarda (yani 10-"J cm düzeyinde) duyulabilir. Bu özellik, öteki hadronların, nükleer hacme girmedikçe neden çekirdek tarafından çekilmediklerini açıklar.

Güçlü kuvvetin, "mezon" adı verilen taneciklerin yer değiştirmesi sonucu ortaya çıktığı düşünülmektedir. En çok tanınan mezon, pi mezonudur (ya da pion). Bir hadron, varlığını başka bir hadrona duyurmak için, bir pion değiş tokuşunda bulunur. Bu durum, yüklü taneciklerin foton değiştirmesine benzer. Bununla birlikte, pionun bir kütlesi vardır (protonunki-nin dörtte biri kadar) ve hadronun çok yakınına gelip kaldığından, güçlü kuvvet, tanecikten uzaklarda pek etkili değildir.

Hızlandırıcılarda, çeşitli hadron ve mezonların bulunması, yukarda verilen yalın açıklamalara çelişkili bir durum getirmiştir. Yüksek enerjilerde hızlandırılmış tanecikler başka taneciklerle çarpıştıklarında, varlıkları önceden bilinmeyen bazı yeni tanecikler ortaya çıkmaktadır. Bunların tümü, güçlü kuvvetin etkisi altında bulunmaktadır. 1960 yıllarının başlarında çekirdek fizikçileri, yeni tanecikler bulmaya başlamışlar, ama bunların doğadaki işlevleri ve varlıklarının nedeni anlaşılamamıştır. Zamanla,tanecik özellikleri ortaya çıkarıldıkça, bunlar arasında kimyasal elementlerdeki gibi bir düzen bulunduğu ortaya çıkmıştır.

Tıpkı atom yapısının periyodik çizelgedeki ilişkileri belirlemesi gibi, hadronların yapısı da, bunların birbiriyle ilişkisini düzenlemektedir. Benzer özellikler taşıyan sekiz-on tanecik, hadron gruplarını oluşturur. Bu gruplaşmanın nedeni de, "kuark" adı verilen ve çeşitli düzenlemelerle hadronu oluşturan daha temel nesnelere bağlanmaktadır.

Son yıllarda proton ve nötronlardan yüksek enerjili, farklı tiplerde taneciklerin koparıldığı bir dizi deney yapılmıştır. Bu çalışmaların amacı, XX. yüzyılın başında, Rutherford'un yaptığı ünlü deneye benzer. Rutherford, atomdan tanecikler koparmış, böylece merkezde çekirdek adı verilen bir bileşenin varlığını ortaya koymuştur. Taneciklerin proton ve nötronlar üstüne saçılması, hadronlar içinde üç küçük taneciğin (büyük bir olasılıkla kuark) varlığını göstermektedir. Böylece, maddenin temel yapısı diye nitelendirilen bileşenlerin, gerçekte daha yalın cisimlerden oluştuğu anlaşılmaktadır. Ancak, günümüzde deneysel yoldan, hadronlar içinde bulunan kuarkları açığa çıkarmak olanaklı değildir. Güçlü kuvvetin etkisinde bulunan taneciklerin özellikleri kuark kavramıyla açıklanabilmekteyse de, varlıkları, deneylerle kanıtlanamamıştır.^[6]

Zayıf Kuvvet

Zayıf kuvvet, taneciklerin parçalanıp başka taneciklere dönüşmesi sırasında ortaya çıkar. Tanecik dönüşümü için geçen süre saniyenin milyarda biri düzeyindedir. Bu. tanecik etkileşim süresine göre çok uzun bir zamandır ve söz konusu kuvvetin zayıflığını gösterir. Bilindiği kadarıyla, bu kuvvetin etkisi tanecik içiyle sınırlıdır, dışarıya taşmaz.

Yüksek enerjili hızlandırıcılar geliştirilmeden önce, zayıf kuvvet konusundaki bilgiler, çekirdek parçalanması sırasındaki gözlemlere dayanmaktaydı. Burada özellikle nötronun proton ve elektronlara parçalanmasına bağlı beta bozunması dikkat çekiciydi. Gözlemlerde, elektronun değişik enerjilerde ortaya çıktığı izlendiğinden, enerjinin geri kalan bölümünü yutan başka taneciklerin var olması gerektiği düşünüldü. Bu görünmez taneciğe «nötrino Zayıf kuvvet altındaki tanecikle yapılan deneyler, doğa konusunda önceden doğruluğuna inanılan pek çok düşünceyi çürütmüştür. Sözgelimi, 1950 yıllarında, çekirdeğin beta bozunması sırasında açığa çıkan elektronlar üstünde yapılan ölçmeler bir gerçeği ortaya çıkarmıştır. Buna göre, elektronlar saat ibreleri yönünde dönmekte, görünmeyen nötrinolarsa saat ibrelerinin tersi yönünde dönmektedirler. Bu olay şu gerçeği açığa çıkarır: Zayıf kuvvet etkisini gösterdiğinde, doğada bir doğrultu davranışı gözlenmektedir. Oysa eskiden «sağ On yıl sonra, mezonların bozunumu sırasında daha ilginç bir gerçek ortaya çıkmıştır: Doğada, yalnızca doğrultu özelliği değil, ayrıca, zaman içindeki doğrultu kavramı da vardır. Buna göre, zaman içinde geri gidilerek olayların yeniden yaşanabileceği düşüncesi (film şeridinin geriye döndürülmesi gibi) geçerliliğini yitirmiştir.

Gözlenen zayıf kuvveti yeterli biçimde açıklayan bir kuram geliştirilmemiştir. Bir kuramda açıklama, güçlü kuvvetteki pion değiş tokuşu ile elektromagnetik kuvvetteki foton değiş tokuşu gibi bir tanecik alış verişine dayandırılmaktadır. Buna "ara bozon" ya da "W taneciği" adı verilmektedir. Ama bu tür bir tanecik bulunamamıştır.

Tanecik fiziğindeki en gizemli kuvvet, zayıf kuvvettir.^[6]

Temel Parçacıklar

Leptonlar ve kuarklar şimdiki bilgilerimize göre en temel parçacıklardır. Yani, kendilerini oluşturan başka parçacıklardan yapılmamışlardır. Temel parçacıklar fermiyonlardır, dönüş (spin) kuantum değerleri kesirlidir (1/2 gibi). Bu parçacıklar dönüş değerleri kesirsiz (0, 1 gibi) olan bozonlar sayesinde birbirleri ile etkileşirler.^[1]

Leptonlar

Leptonların en çok bilineni elektrondur. Elektron şimdilik başka parçacıklardan yapılmamış olarak kabul edilmektedir. Leptonların spini (dönüş; parçacığın iç açısal momentumu) ½ ve elektrik yükleri (protonun elektrik yükünün katları olarak) -1 veya 0 dır. Yunanca lepton hafif parçacık anlamına gelmektedir. Şimdilik (2007'de) bilinen 6 lepton vardır:

1. e electron (Elektrik yükü=-1)
2. νe elektron-nötrino (Elektrik yükü=0)
3. τ tau (Elektrik yükü=-1)
4. ντ tau-nötrino (Elektrik yükü=0)
5. μ muon (Elektrik yükü=-1)
6. νμ muon-nötrino (Elektrik yükü=0) ^[1]

Kuarklar

Temel parçacıklar içinde adını Murray Gell-Mann ve Georg Zweig tarafından alan parçacıklar kuarklardır. Kuarklarda spin ½ ve elektrik yükleri 2/3 veya -1/3 olan parçacıklardır. Şimdilik (2007'de) bilinen 6 kuark vardır:

1. u up (üst, elektrik yükü=2/3)
2. d down (alt, elektrik yükü=-1/3)
3. c charm (çekici, elektrik yük=2/3)
4. s strange (tuhaf, elektrik yükü=-1/3)
5. t top (tavan, elektrik yükü=2/3)
6. b bottom (taban, elektrik yükü=-1/3) ^[1]

Atom altı parçacıklar

Modern parçacık fiziği araştırmaları atom altı parçacıklar üzerine odaklanmıştır, atomlardan daha küçük yapılara sahipler. Atomu oluşturan bileşenleri elektronlar, protonlar ve nötronlardır, parçacıklar ışıma ve saçılma süreçleri tarafından üretilir; fotonlar, nötrinolar ve müonlar gibi ya da egzotik parçacıklar gibi...

Açıkçası, parçacık terimi yanlış isim kullanımıdır çünkü parçacık fiziğinin dinamiği kuantum mekaniği tarafından yönlendirilmiştir. Bunun gibi, onlar parçacık-dalga ikililiği gösterirler, güvenilir deneysel koşullar altında parçacıksal ve diğerleri (daha fazla teknik detayda onlar Hilbert uzayında durum vektörleri tarafından tanımlanır, kuantum alan teorisinin konusu) için de dalgasal davranış gösterirler. Parçacık fizikçilerinin kongreleri izlendiğinde, biz temel parçacıkları referans nesne olarak kullanırız öyle ki elektronlar ve fotonlar gibi, anlaşılmaz şekilde bu parçacıklar dalga özelliği gösterirler.

Bugüne kadar gözlenen bütün parçacıklar ve onların etkileşimleri, tamamen kuantum alan teorisi tarafından Standard model adı ile tanımlanmıştır.Standart Model özelleşmiş 40 temel parçacığı içerir bu parçacıklar 24 fermiyon, 12 vektör bozonu ve 4 skaler bozon olarak gruplandırılırlar. Bileşik parçacıklar birleşerek 1960'lı yıllarda diğer tür parçacıklar bulundu. Parçacık fizikçilerinin çoğu doğanın eksik kısımlarının tamamlanacağı inancını taşıyorlar ve daha fazlasını en temel teorinin bulunmasını bekliyorlar. Son zamanlarda, Standart Modelden sapmadan ilk kez evrendeki nötrinonun kütlesi ölçüldü.^[2]

Temel Kuvvetler

Doğada şimdilik varlığı bilinen dört temel kuvvet vardır. Bu kuvvetler belli parçacıkların değiş-tokuşu ile oluşurlar ve şöyle sınıflanabilirler:

1. Elektromanyetik Kuvvet: Foton tarafından iletilir. Foton kütlesizdir. Foton, günlük hayatta iç içe yaşadığımız Isı, Işık, Radyo-TV sinyalleri, Mikrodalga sinyalleri, X-ışınları, Gama ışınları ve bunlara benzer enerji yayılımlarını taşımakla yükümlüdür. Elektromanyetik kuvvet yüklü parçacıklar arasındaki mesafe ile '1/mesafe²' şeklinde değişir.
2. Zayıf Çekirdek Kuvveti: Z adı verilen kütleli foton ile W adı verilen kütleli ve elektrik yükünü haiz parçacıklar tarafından iletilirler. Z ve W boson'lar radyoaktif bozunmalardan sorumludurlar. Zayıf kuvvet zayıf bir kuvvettir ve yüklü parçacıklar arasındaki mesafe ile 'Exp(- M_Z * mesafe)/mesafe²)' şeklinde değişir ve yalnız 'mesafe ~ 1/ M_Z' civarında etkili olur.
3. Şiddetli Çekirdek Kuvveti: Gluon (yani 'zamk' parçacığı) tarafından iletilir. Güçlü kuvvet yüklü parçacıklar arasındaki mesafe ile 'mesafe' şeklinde değişir ve büyük mesafelerde güçlü bir etkileşme verirken, küçük mesafelerde oldukça zayıftır (Hook kuvveti gibi.)
4. Kütleçekim Kuvveti: Graviton tarafından iletilir. Graviton henüz keşfedilmemiştir. Bu kuvvet hep çekimseldir ve yüklü (kütleli) parçacıklar arasındaki mesafe ile '1/mesafe2' şeklinde değişir.^[1]

Hadronlar

Kuarklar ve/veya antikuarklar gluon tarafından zamklanarak hadronları oluştururlar. Yeğin kuvvet gereğince kuarklar hadronlar içinde hapsolmuş olarak bulunurlar; serbest parçacık olarak gözlemlenemezler. 3 kuarktan (veya anti kuarktan) oluşan spini kesirli hadronlara Baryonlar (bu kelime Yunanca ağır anlamındadır), bir kuark ve bir anti kuarktan oluşan spini tam sayı hadronlara ise Mezonlar denir.^[1]

Atom çekirdeği

Atom çekirdeği temel parçacık değildir, nükleon adı verilen proton ve nötronlardan meydana gelir. Elektron ve çekirdeğin içindeki nötron ile proton kararlı parçacıklardır. Kuarklar bir araya gelerek nükleonları oluştururlar. Nötron u,d,d kuarklarından, proton ise u,u,d kuarklarından meydana gelmiştir. Elektrik yükleri hesaplandığında nötronun yüksüz (2/3 - 1/3 - 1/3 = 0) ve protonun +1 yüklü (2/3 + 2/3 - 1/3 = 1) olduğu görülür.

Bir atom çekirdeğini oluşturan nükleonlar aradaki mezon alışverişi ile kararlı parçacıklar ortaya çıkar. Bu olay esnasındaki kuvvet Yeğin etkileşimdir ve çekirdeği parçalanmadan tutar. Bu olgu ilk kez Hideki Yukawa tarafından ortaya konulmuştur ve bu olayda en çok rol oynayan mezon pi mezondur. Ortalıkta fazla görülmeyen bu parçacıkların ömrü çok kısadır. Yüklü pi mezon 10 ^{− 8} sn yaşar.

Bir atom çekirdeğinin her zaman kararlı değildir, kararsız atom çekirdeklerinde, ki radyoaktif maddelerin çekirdekleri böyledir, çekirdek parçalanması olur. Bunun nedeni zayıf etkileşim adlı kuvvettir.^[1]

Spin istatistiği

Yukarda belirtilen bu parçacıkların Pauli yasası dahilinde spinleri göz önüne alındığında, ya tam sayılı (0,1,..) veya buçuklu (1/2, 3/2,...) olduğu görülür. Yarı tamsayılı spinli parçacıklar Fermi istatiklerine, tamsayılı spine sahip olanlar Bose-Einstein istatiklerine uyarlar.

Bu nedenle spinler göz önüne alındığında parçacıklar iki kısma ayrılırlar;

1. Fermiyonlar (Enrico Fermi'den)
2. Bozonlar (M. K. Bose'dan)

Fermi istatistiklerine uyan parçacıklar aynı anda aynı kuantum sayılarına sahip olamazlar. Bose istatiklerine uyanlar ise aynı anda aynı konumda olabilirler. (fotonlar bu grupta oldukları için lazer ışını oluşabilir). Yukarıda bahsi geçen Temel Kuvvetlerin etkileşim parçacıkları Bozonlardır. Tüm bahsedilen parçacıkların bir anti parçacığı da mevcuttur; bu parçacıkların tamamı, "anti madde" olarak adlandırılır.^[1]

Parçacık Fiziğinin Tarihi

Tüm maddenin temel parçacıkların bileşiminden oluştuğu yönünde milattan önce 6.yüzyılda bir kanı oluşmuştu. Antik Yunan filozoflarından Lefkippos, Demokritos ve Epikurus atom üzerine çalışmışlardır. 19. yüzyılda John Dalton, stokiyometri çalışmaları sayesinde, her bir doğa elementinin bir bileşenden oluştuğunu düşündü, tek tür parçacık. Dalton ve çağdaşları bunların doğanın temel parçacıkları olduğuna inanıyorlardı ve adlarını atom olarak koydular. Anlamı bölünemez idi. Ancak yüzyılın sonuna yaklaşıldığında, fizikçiler atomları keşfediyorlardı, gerçekten de, doğanın temel parçacıkları ama daha küçük atom parçacıkları kümeleriydi. 20.yüzyılın başlarında nükleer fizik ve kuantum fiziğinin keşfi, nükleer fizyon ve nükleer füzyon bulunuşu ile kanıtlandı.Nükleer fizyon 1939 yılında Lise Meitner tarafından (deneyi yapan Otto Hahn) ve Nükleer füzyon Hans Bethe tarafından aynı yılda bulundu. Bu buluşlardan sonra nükleer gücün farkına varılmıştı ve aslında nükleer bir çağ başlamıştı. 1950'li ve 1960'lı yıllar arasında, saçılma deneyleriyle şaşırtıcı çeşitlikte parçacıklar bulundu. 1970'lerde Standart Model geliştirildi.^[2]

Kısaca Standart Model

Standart Model, temel parçacıkların sınıflandırılması üzerine günümüzde geçerli olan bir modeldir. Güçlü ve zayıf nükleer, elektromanyetik temel kuvvetleri ile aracı olan ölçü bozonları tanımlayarak kullanılır. Ölçü bozon türleri gluonlar,w- ve w+ ile Z bozonları, ve fotonlardır. Model maddenin bileşenleri olan 24 tane temel parçacığı kapsıyor. Son olarak, model bozonun bir türü olan Higgs bozonun varlığını önceden kestirmektedir, henüz bulunamadı.^[2]

Sözü geçen 3 temel kuvvet: Elektromanyetik kuvvet, zayıf nükleer kuvvet (elektro-zayıf kuvvet) ve güçlü nükleer kuvvettir. SM'in en büyük başarısı şimdiye dek bir çok kez sınanmış olmasına rağmen atom altı parçacıkların özellikleri ile aralarındaki etkileşmelerine ait gözlenebilir nicelikleri büyük hassaslıkta tahmin edebilmesidir. Bununla birlikte yapılan daha hassas deneyler ile SM'in öngördüğü değerler arasında farklar bulunmaktadır. Bunlara ek olarak SM'in temel birçok eksik tarafı vardır.^[7]

İlgili Yayınlar

1. Robert Gilmore, "Kuarkların Büyücüsü / Bir Parçacık Fiziği Masalı", çev. İlker Kalender, ODTÜ Geliştirme Vakfi Yayıncılık, İstanbul 2007.
2. Sezen Sekmen, "Parçacık Fiziği / En Küçüğü Keşfetme Macerası", ODTÜ Geliştirme Vakfı Yayıncılık / Bilim ve Toplum Dizisi

Kaynaklar

[1] Vikipedi, "Parçacık Fiziği" maddesi, tr.wikipedia.org/wiki/Parçacık_fiziği
[2] Gökhan Atmaca, "Parçacık Fiziği ve Tarihçesi", Kuark Bilim Topluluğu, www.kuark.org/bilim/index.php?option=com_content&task=view&id=40&Itemid=78
[3] www.odevarsivi.com/dosya.asp?islem=gor&dosya_no=106102
[4] www.bibilgi.com/Kategori:Parçacık-fiziği
[5] ansiklopedi.turkcebilgi.com/Parçacık_fiziği
[6] www.nuveforum.net/1110-tanecik-fizigi/32541-tanecik-fizigi-parcacik-fizigi-çekirdek-fizigi-maddenin-temel-bilesenlerinin-ozelli/
[7] Vikipedi, "Standart Model" maddesi, tr.wikipedia.org/wiki/Standart_Model