Parçacık fiziğinin soyağacı olan Standart model nedir? Hadronlar, leptonlar ve bozonların özellikleri, atom altı parçacıklar hakkında bilgi.
Standart Model
Protonlar, nötronlar ve elektronlar aslında parçacık fiziği denen buzdağının yalnızca tepesini oluşturur. Protonlar ve nötronlar kuark denen daha da küçük parçacıklardan oluşurlar, elektronlara eşlik eden nötrinolar vardır ve temel kuvvetlere aralarında fotonların da bulunduğu bozonlar taşıyıcılık yapar. “Standart model” onlarca parçacığı tek bir soyağacında toplar.
Eski Yunanlara göre maddenin en küçük yapıtaşı atomlardı. Daha da küçük birtakım bileşenlerin -önce elektronun, sonra da proton ve nötronun-olduğu ancak 19. yüzyılın sonlarında anlaşılabildi. Peki, bunlar maddeyi oluşturan nihai yapıtaşları mıdır?
Hayır, değillerdir. Protonların ve nötronların bile taneli bir yapısı vardır. Onlar da kuark denen daha küçük parçacıklardan oluşurlar. Hepsi bu kadar da değil. Fotonların elektromanyetik kuvveti taşıması gibi diğer temel kuvvetleri de taşıyan birçok parçacık vardır. Bildiğimiz kadarıyla elektronlar bölünemez ama onlar da neredeyse kütlesiz nötrinolarla çiftler oluşturur. Ayrıca parçacıkların antimadde ikizleri de vardır. Bütün bunlar kulağa oldukça karmaşık geliyor ve gerçekten de öyledir. Ama bu parçacık bolluğu parçacık fiziğinin standart modeli denen bir çerçeve içinde kolayca anlaşılabilir.
Kazı
20. yüzyılın başlarında fizikçiler maddenin proton, nötron ve elektronlardan oluştuğunu biliyorlardı. Niels Bohr kuantum kuramına göre elektronların çekirdeğin çevresinde -tıpkı Güneş’in çevresindeki gezegenler gibi- birtakım kabuklarda nasıl dizildiğini açıklamıştı. Çekirdeğin özellikleri daha da garipti. Birbirini iten artı elektrik yüklerine rağmen, çekirdekte onlarca proton ve nötron bir arada minik bir hacimde güçlü çekirdek kuvvetinin etkisiyle duruyordu. Ama radyoaktivite sayesinde çekirdeğin nasıl parçalandığına (fisyon) ve nasıl birleştiğine (füzyon) ilişkin yeni birçok şey öğrenildikçe açıklanması gereken daha birçok olgu olduğu netleşmeye başladı.
Önce füzyon tepkimesiyle Güneş’teki hidrojenin yanarak helyuma dönüşmesi, protonları nötronlara çeviren nötrino adlı yeni bir parçacığın olması gerektiğini düşündürdü. 1930’da nötrinonun varlığından bir nötronun bozunup bir proton ve bir elektrona dönüşümünü -radyoaktif beta bozunumu- açıklamada yararlanıldı. Neredeyse hiç kütlesi olmayan nötrino 1956’ya kadar keşfedilemedi. Yani daha 1930’lu yıllarda bile yanıtlanmayı bekleyen bazı sorular vardı. 1940’lı ve 1950’li yıllarda bunlardan bazılarının üzerine gidildiğinde yeni parçacıklar aranmaya başlandı ve böylece koleksiyon da genişledi.
Bu araştırmaların bir sonucu olarak da atomaltı parçacıkların soyağacı olan standart model doğdu. Üç tip temel parçacık vardır: Kuarklardan yapılan “hadron”lar, aralarında elektronun da bulunduğu “lepton”lar ve foton gibi temel kuvvet taşıyıcısı olan parçacıklar (bozonlar). Kuarkların ve leptonların karşı parçacıkları da vardır.
Kuark
1960’lı yıllarda elektronları protonlarla ve nötronlarla çarpıştıran fizikçiler kuark adını verdikleri çok daha küçük parçacıkların olduğunu gördüler. Kuarklar üçlüler halinde var olabiliyorlardı. Uç renkleri vardı: kırmızı, mavi ve yeşil. Tıpkı elektron ve protonun elektrik yükü olduğu gibi kuarkların da “renk yükü” vardı ve kuarklar bir tipten bir başkasına dönüştüğünde bu renk yükü korunuyordu. Renk yükünün bildiğimiz ışık renkleriyle hiçbir ilgisi yoktur. Bu yalnızca fizikçilerin kuarkların garip kuantum özelliklerini adlandırmak için bulduğu yaratıcı bir çözümdür.
Tıpkı elektrik yüklerinin bir kuvvet üretmesi gibi kuarkların renk yükleri de birbirlerine kuvvet uygular. Renklerin kuvvetleri “gluon” denen bir parçacıkla taşınır. Renk kuvveti kuarktan uzaklaştıkça şiddetlenir; dolayısıyla kuarklar sanki bir paket lastiğiyle birleştirilmiş gibi bir arada sımsıkı dururlar. Renk kuvvet alanı bu denli güçlü olduğu için kuarklar tek başlarına bulunamazlar; toplam renkleri nötr olacak kombinasyonlarda (yani renk yükü olmayacak şekilde) bir arada olabilirler. Bu tür olası üçlülere baryon (“bary” ağır demektir) denir. Bunlar arasında proton ve nötronun yanı sıra, mezon denen kuark-karşı kuark çiftleri de bulunur.
Renk yükleri olmasından başka kuarkların bir de “çeşnileri” vardır. Altı farklı çeşnili kuark bulunur. Uç çift, artan kütleli birer nesil oluşturur. En hafifleri “yukarı” ve “aşağı” kuark çiftidir; sonra “acayip” ve “tılsım” gelir; son olarak da “üst” ve “alt” kuarklar en ağır olanlardır. Yukarı, tılsım ve üst kuarkların elektrik yükleri +2/3, aşağı, acayip ve alt kuarkların da – 1/3’tür. Yani protonların +1 ve elektronların da -1 olan elektrik yüklerine karşılık kuarkların elektrik yükleri kesirlidir. Bu nedenle bir proton oluşturmak için üç kuarka (iki yukarı ve bir aşağı) ve bir nötron oluşturmak için de yine üç kuarka (iki aşağı bir yukarı) gereksinim vardır.
Lepton
İkinci grup parçacıklar yani leptonlar elektronla ilgilidir ve onu da içerirler. Yine artan kütleli üç nesil lepton vardır: elektron, müon ve tau. Müonlar elektronlardan 200 kat daha ağırdır, taular da 3.700 kat daha ağırdır. Leptonların hepsi de elektriksel olarak -1 yüklüdür. Her birinin bir de ilgili nötrinosu vardır – elektron, müon ve tau nötrinoları. Nötrinolar yüksüzdür ve hemen hemen hiç kütleleri olmadığından neredeyse hiçbir şeyle etkileşime girmezler. Dünya’nın içinden geçerler ve yakalanmaları çok zordur. Bütün leptonların bir de karşı parçacıkları vardır.
Etkileşimler
Temel kuvvetler parçacık alışverişiyle taşınırlar. Tıpkı elektromanyetik dalgaların akan fotonlardan oluştuğu düşünüldüğü gibi zayıf çekirdek kuvvetinin de W ve Z parçacıklarıyla ve güçlü çekirdek kuvvetinin de gluonlarla taşındığı düşünülür. Tıpkı foton gibi bu parçacıklar da bozondur; yani hepsi aynı anda aynı kuantum durumunda bulunabilirler.
Ama kuarklar ile leptonlar fermiyondur ve aynı anda aynı kuantum durumunda bulunamazlar.
Parçacık çarpıştırma
Bu atomaltı parçacıklar hakkında bu kadar çok şeyi nasıl biliyoruz? 20. yüzyılın ikinci yarısında fizikçiler atomlara ve parçacıklara kaba kuvvet uygulayarak yani onları çarpıştırarak iç yapılarını ve işleyişlerini ortaya çıkardılar. Parçacık fiziği karmaşık yapılı bir isviçre saatini alıp onu çekiçle parçaladıktan sonra kırık parçalara bakarak saatin nasıl işlediğini anlamaya çalışan bir bilim dalı olarak tanımlanır. Parçacık hızlandırıcılarında kullanılan dev mıknatıslar sayesinde parçacıklar olağanüstü hızlara çıkarılır ve sonra parçacıklardan oluşan bu ışın bir hedefe ya da ters yönden gelen bir başka ışına çarptırılır. Pek yüksek olmayan hızlarda parçacıklar az parçalanır ve en hafif parçacık nesilleri ortaya çıkar. Kütle demek enerji demek olduğundan, sonraki (daha ağır) parçacık nesillerini ortaya çıkarabilmek için daha yüksek enerjili parçacık ışınları kullanmak gerekir.
Daha sonra, atom çarpıştırıcılarında ortaya çıkarılan parçacıklar tanımlanır. Parçacık fizikçileri bunu parçacıklar bir manyetik alandan geçerken bıraktıkları izlerin fotoğrafını çekerek yapar. Manyetik alan içinde artı ve eksi yüklü parçacıklar ters yönlere saparlar. Parçacığın kütlesi onun ne kadar hızlı ilerleyeceğini ve izleyeceği yolun manyetik alan tarafından ne kadar büküleceğini de belirler. Yani hafif parçacıklar çok az bükülürken ağır parçacıklar bazen bükülerek sarmallar bile oluşturabilir. Dedektördeki özellikleri eşleştiren ve teoriler doğrultusundaki beklentilerle karşılaştıran parçacık fizikçileri ortaya çıkan her parçacığın ne olduğunu söyleyebilir.
Şu an için standart modele dahil edilmeyen tek şey kütleçekimdir. Kütleçe-kim kuvvetini taşıyan parçacık, graviton, bir fikir olarak ortaya atılmıştır. Işığın tersine, kütleçekimde taneli bir yapının varlığını gösteren bir kanıta rastlanmamıştır. Bazı fizikçiler kütleçekimi de standart modele dahil etmeye ve dolayısıyla bir büyük bileşik kurama (BBK) ulaşmaya çalışıyorlar. Ama bunun için önümüzde daha uzun bir yol var gibi görünüyor.