Bu yazımda parçacıkların sınıflandırılması hakkında bilgiler vereceğim. Konu ile ilgili diğer yazımızda göz atabilirsiniz; atom altı parçacıkları nelerdir. Alan parçacıkları dışındaki tüm parçacıklar, yer aldıkları etkileşmelere göre, iki ana sınıfa ayrılabilir, hadronlar ve leptonlar. Tablo 1’de bu parçacıklardan bir kısmının bazı özelliklerinin özetini verir.
Hadronlar
Çekirdek kuvveti aracılığı ile etkileşen parçacıklara hadronlar denir. Mezonlar ve baryonlar olarak iki sınıfta toplanan hadronlar, kütle ve spinleri ile birbirinden ayırt edilir.
Mezonların tümü sıfır veya tamsayı (0 veya 1) spinlidir. Bunların mezon adı, Yukawa’nın mezonunun kütlesi elektron kütlesi ile proton kütlesi arasında olmalıdır, beklentisinden gelir. Proton kütlesinden daha büyük kütleli mezonlar var olmasına karşın, birçok mezonun kütlesi bu aralıktadır.
Tüm mezonların sonunda elektron, pozitron, nötrino ve fotonlara bozunduğu bilinmektedir. Piyonlar bilinen en hafif mezonlardır, kütleleri yaklaşık 1,4 x 102 MeV/c2 dir ve piyonların üçü de (π+, π– ve π0) spinlidir. (Bu Anderson’un 1937 de keşfettiği parçacık olan müon’un bir mezon olmadığını gösterir; müon 1/2 spinli dir. Aşağıda tarif edilen lepton sınıfındandır.)
Baryonlar hadronların, kütleleri proton kütlesine eşit veya daha büyük olan ikinci sınıfıdır (Yunanca baryon ağır anlamındadır) ve spnileri daima buçuklu değerlerdir (1/2 veya 2/3). Bir çok diğer parçacık gibi, proton ve nötron baryondur. Proton dışında tüm baryonlar, son üründe proton bulunacak şekilde bozunur. Örneğin, Ξ (Yunanca büyük ksi) denilen baryon, yaklaşık 10-10s de Λ° (Yunanca büyük lambda) baryona bozunur. Sonra Λ° yaklaşık 3×10-10s de bir proton ve bir π– ye bozunur.
Günümüzde hadronların temel parçacık olmadığı, kuark denilen daha temel birimlerin bileşimi olduğuna inanılmaktadır.
Leptonlar
Leptonlar (Yunanca “küçük” veya “hafif” anlamında leptos dan) çekirdek kuvvetiyle etkileşmeyen parçacıklar grubudur. Tüm leptonlar ½ spinlidir. Hadronların büyüklükleri ve yapıları olmasına karşın, leptonlar, yapıları olmadığından ve noktasal olduklarından, gerçek temel parçacık olarak görülür.
Hadronların tam aksine, bilinen leptonların sayısı azdır. Günümüzde bilim adamları yalnız altı lepton olduğuna inanmaktadır; elektron, müon, tau ve bunların her birine eşlik eden bir nötrino:
1975 de keşfedilen tau leptonunun kütlesi protonun kütlesinin iki katıdır. Tau ya eşlik eden nötrino henüz laboratuvarda gözlenmemiştir. Altı leptondan her birinin bir anti parçacığı vardır.
Günümüzde yapılan araştırmalar, nötrinoların kütlesinin küçük ama sıfırdan farklı olduğunu göstermektedir. Nötrinoların kütlesi olsaydı ışık hızıyla gidemezlerdi. Ayrıca, o kadar çok sayıda nötrino bulunmaktadır ki bunların bileşik kütlesi, evrendeki tüm maddeleri tek bir noktaya çökertip, yeni bir evren yaratmaya yeterli olabilir! Bu olasılığı daha ayrıntılı olarak diğer yazılarımız da tartışacağız.
Korunum yasalarının neden bazı radyoaktif bozunmalar ve nükleer tepkimelerin gerçekleşip diğerlerinin gerçekleşmediğini anlamak için önemli olduğunu öğrendik. Genel olarak, enerji, doğrusal momentum, açısal momentum ve elektrik yükünün korunum yasaları, tüm işlemlerde izlenmesi gereken kurallar kümesi verir. Temel parçacıkların incelenmesinde, birkaç ek korunum yasası önemlidir. Burada tanımlanan iki tanesinin kuramsal temeli olmamasına karşın, çok sayıda deneysel kanıt ile desteklenmektedir.
Baryon Sayısı
Baryon sayısının korunumu yasası, bir bozunma da veya çekirdek tepkimesin de bir baryon yaratıldığında bir antibaryonun da yaratılacağı söylenir. Bu, her bir parçacığa bir kuantum sayısı, bir baryon sayısı verilerek uygulanabilir: Tüm baryonlar için B = +1, tüm antibaryonlar için B = -1 ve tüm diğer parçacıklar için B = 0. O halde baryon sayısının korunumu yasası, bir çekirdek tepkimesi veya bozunması meydana geldiğinde, olaydan önceki baryon sayısının olaydan sonraki baryon sayısına eşit olması gerektiğini ifade eder.
Baryon sayısı kesin olarak korunursa, proton kesin olarak kararlı olmalıdır. Proton, baryon sayısının korunumu yasasına uymasaydı, bir pozitron ve bir nötr piyona bozunurdu. Bununla beraber, böyle bir bozunma hiç gözlenmemiştir. Şu anda söyleyebileceğimiz tek şey, protonun yarı ömrünün en az 1033 yıl olduğudur (Evrenin tahmin edilen yaşı yalnız 1010 yıldır). Buna karşın, son zamanlardaki bir kuramda, fizikçiler protonun kararsız olduğunu öne sürdüler. Bu kurama göre, baryon sayısının korunumu kesin değildir.
Lepton Sayısı
Her bir lepton çeşidi için bir tane olmak üzere, lepton sayısını içeren üç korunum yasası vardır. Elektron lepton sayısının korunumu yasası, bir çekirdek tepkimesi veya bozunması meydana geldiğinde, olaydan önceki elektron lepton sayısının toplamının olaydan sonraki elektron lepton sayısının toplamına eşit olması gerektiğini ifade eder.
Elektrona ve elektron nötrinosuna verilen elektron lepton sayısı Le= l, e+ ve antileptonlanna verilen lepton sayısı Le = -1 ve tüm diğer parçacıkların Le = 0 dır. Örneğin;
n → p + e– + ve
nötron bozunmasını ele alalım. Bozunmadan önce elektron lepton sayısı Le = 0, bozunmadan sonra 0 + 1 + (-1) = 0 dır. O halde elektron lepton sayısı korunur. (Baryon sayısı da, elbette, korunmalıdır ve korunur: Bozunmadan önce B = +1, bozunmadan sonra B = +1 + 0 + 0 = +1)
Benzer şekilde, bir bozunmada müon varsa, müon lepton savısı Lµ korunur. µ– ve vµ ye verilen müon lepton sayısı Lµ ( = +1, antimüon µ+ ve müon antinötrinoya verilen müon lepton sayısı Lµ = -1 ve tüm diğer parçacıklar için Lµ=0 dır.
Son olarak, tau leptonu, nötrinosu ve diğer parçacıklar için benzer karşı getirmelerle tau lepton sayısı korunur.