MADDE VE YAPISI
İlkçağ felsefecilerinden tutun da, günümüz bilim insanlarına kadar üzerinde en çok kafa yorulan konu oldu madde. Nasıl olmasın ki ; gördüğümüz her şey maddeden.. Güneşimiz ve evrendeki milyarlarca benzeri, üzerinde yaşadığımız gezegen, soluduğumuz hava, bu yazıyı okumak için baktığınız ekran, fareyi kavrayan parmaklarınız hep maddeden ibaret.
Eski Yunan filozofları maddenin doğasını şiddetle tartışmışlar ve tüm görünen karmaşıklığına rağmen dünyanın basit olduğu sonucuna varmışlar. İ.Ö 600’lü yıllarda Thales, bütün maddelerin sudan yapıldığını ortaya attı. Empeodeles (İ.Ö 5. yy) tüm maddelerin farklı oranlarda karışmış olarak, dört temel madde ya da elementten oluştuğuna inandı; toprak, su, hava ve ateş. Bir sonraki yüzyılda Aristo, cennetten geldiğine inanılan “eter” adını verdiği beşinci bir maddeyi ekledi. Leucippus’un (İ.Ö 5.yy) da sadece bir çeşit madde olduğuna dair bir teorisi vardı. Buna göre eğer madde defalarca kesilirse, kalan son kısmın kesilemeyecek madde parçacığı olduğunu düşündü. Daha sonra Democritus, İ.Ö 400’lü yıllarda, kesilemeyen bu parçacıklara “bölünemeyen” anlamına gelen “atom” adını verdi. Fakat atomlara inanmayan Aristo, kendisini izleyen 2000 yıl boyunca en yetkin filozof olarak kabul edildiği için onun elementler ile ilgili düşüncesi hüküm sürdü.
Atomun yapısına ilişkin ilk bulgular J.J Thomson'un (1856-1940) 1887 yılında yaptığı deneylerden geldi. Thomson katot ışınlarında atomlardan daha küçük parçacıklar olduğunu keşfetmişti. Katot ışınları, düşük basınçta tutlan gazla dolu bir tüpün içine yerleştirilmiş yüksek gerilim terminaller arasından geçerken görülebiliyordu. Thomson'un korpüskül adını verdiği, bugün elektron dediğimiz bu parçacıklar eksi elektrik yüküne sahipti ve bir hidrojen atomundan 2000 kez daha hafifti. Bu parçacıklar tüpte hangi gaz kullanıldığına ya da terminallerin neden yapıldığına bağlı olmaksızın aynı değerde idiler; bu, elektronun tüm maddelerde olduğunu öngörüyordu. Atomlar ayrıca elektronların eksi yüklerini dengelemek için artı yükler de içeriyor olmalıydılar. Ernst Rutherford, radyoaktiviteyle ilgili yaptığı deneylerinde ortaya çıkan parçacıklarla atomu inceledi ve artı yükün minik bir çekirdekte yoğunlaştığını buldu. Rutherford böylece, gezegenleri elektronların, Güneş'i de atom çekirdeğinin temsil ettiği Güneş Sistemi'ne benzer bir atom modeli ortaya attı.
J.J. Thomson
20. yy maddeyi tanıma adına insanoğlu için bir dönüm noktası oldu. Elektronun keşfiyle birlikte ilk atom modelinin ortaya atılmasının ardından proton, nötron, pozitron, müon, pion, nötrino diye adlandırılan parçacıklar bulundu ve bunu yeni kuramlar izledi. Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schrödinger, Fermi,Dirac, Feynman, Gell-Mann, Pauli gibi fizikçiler bu süreçte büyük roller üstlenmişlerdi. 1960 yılından sonra devreye hızlandırıcıların da girmesiyle çok sayıda bilinmeyen parçacık gözlendi. 1970’li yıllara gelindiğinde ise proton ve nötronun da kuark adı verilen daha küçük parçacıklardan oluştuğu görüldü.
1960’lar ve 70’lerde bilim adamları, kütle çekimini dışarıda bırakması ve öteki bazı eksikliklerine karşılık, o zamandan bu yana çarpıştırıcı deneylerinde görülen her parçayı açıklayan, daha derin bir kuram için fizikçilere fazla ipucu vermeyen “Standart Model” adlı bir kuram geliştirdiler.
STANDART MODEL
Standart Model farklı temel parçacıkların nasıl düzenlendiğini ve farklı kuvvetler aracılığında birbirleri ile nasıl etkileştiğini açıklayan bir teoridir. Temel parçacıklar kuarklar ve leptonlar olarak isimlendirilen iki aileye ayrılırlar. Bu ailelerin her biri altı parçacıktan oluşur ve birinci nesil en hafif, üçüncü nesil en ağır olmak üzere üç nesle ayrılır. Parçacıklar arasında da etkileşmeyi sağlayan dört farklı kuvvet ve kuvvet taşıyıcıları vardır.
Standart Model’in açıkladığı üç temel doğa kuvvetinden etkilenen ya da bunları taşıyan parçacıklar, hala bilinen ya da varlığı tahmin edilen temel parçacıklar ile, bunlardan yapılı bileşik parçacıklar olarak ayrılır.
Temel Parçacıklar
Ölçülebilir bir içyapıları olmayan, yani daha başka parçacıklardan yapılı olmayanlardır. Temel parçacıklar spin* denen kuantummekaniksel özelliklerine göre ayrılabilir. Bunlardan fermiyon denen parçacıklar ½ spinli, bozon denen parçacıklarsa tamsayı spinli olurlar. Fermiyonların bir özelliği de aynı enerji düzeylerinde sınırlı sayıda bulunabilmeleri, buna karşılık bozonların ise bir araya toplanabilmeleri. Temel doğa kuvvetlerini ileten parçacıklar bozon özelliği taşırken, bazı madde parçacıkları da bozon olabiliyor.
Fermiyonlar, tüm maddenin temel yapıtaşları. Bunlar da şiddetli çekirdek kuvvetinden etkilenip etkilenmediklerine göre sınıflara ayrılıyor. Standart modele göre 12 temel fermiyon çeşnisi bulunuyor: 6 kuark ve 6 lepton.
Evrendeki bütün görünen madde, ilk aile parçacıklarından meydana gelir : yukarı ve aşağı kuarklar ile elektronlar. İkinci ve üçüncü aileden parçacıklar kararsızdırlar ve ilk aileden parçacıklara bozunurlar Bu yüzden evrendeki bütün kararlı maddeler ilk aile parçacıklarından meydana gelir.
Kuarklar elektrik yükünden başka bir de renk yükü taşıyorlar. Renk yükü elektriksel
yük gibi iki değil, üç duruma izin veriyor. Bu renk yükleri sayesinde gluon alışverişinde bulunarak birbirleriyle güçlü etkileşime giriyorlar. Kuarklar daima çoklu bileşimler halinde bulunuyorlar ve asla tek başlarına gözlenemiyorlar.
Kuantum Kromodinamiğine (Kuantum Renk Dinamiği) göre altı değişik kuark var. Bunlar ‘yukarı’, ‘aşağı’, ‘garip’ , ‘tılsım’, ‘alt’ ve ‘üst’ kuarklar. Kütleleri birbirinden çok farklı. En hafifleri olan yukarı ve aşağı kuarkların kütleleri protonun binde biri yakınlarındayken, en ağır olan üst kuarkın kütlesi, protonun 190 katı kadar. Her bir kuark üç ‘renk yükü’nden birini taşır. Bu üç renk yüküne kırmızı, yeşil ve mavi adları verilir. Bu renk yükünün bildiğimiz renklerle hiçbir ilgisi yoktur; sadece fizikçiler tarafından verilmiş birer addır. Her bir kuarka karşılık gelen bir antikuark vardır ve her bir antikuark bir antirenk taşır. Güçlü etkileşimi ileten parçacıklar olan gluonların her biri bir renk, bir de antirenk yükü taşır. Böylece sekiz değişik gluon vardır. Kuarklar ve gluonlar etkileşime girdikçe renk yüklerini değiştirirler. Örneğin kırmızı yük aşıyan bir kuark, kırmızı ve antiyeşil yük taşıyan bir gluon atıp, yeşil yük taşıyan bir kuark haline dönebilir. Renk yüklerinin belli bileşimleri, renksiz olarak adlandırılır.Doğada gözlenen parçacıklar renksizdir, yani toplam renk yükleri sıfırdır. Resimdeki büyük kuarklar, yukarıda bahsettiğimiz kuarklardır ve “temel” ya da “valans” kuarklar olarak adlandırılır. Küçük olarak gösterilmiş kuarklarsa, sürekli ortaya çıkıp kaybolan ‘dinamik’ kuarklardır. Yay şeklindeki çizgiler ise gluonları temsil eder.
Leptonlardan elektron her atomun çekirdeğinde var ve çekirdeğin pozitif elektrik yükünü nötürleştiriyor. Elektrondan daha ağır olan muon ve tau; karmaşık parçacıkların bozunma, dönüşüm veya yok edilme süreçleri sırasında veya sonrasında ortaya çıkıyorlar. Elektrik yükleri ve görece büyük kütleleri sayesinde kolayca gözlemlenebiliyor; fakat ortaya çıktıktan sonra büyük bir hızla veya kısa bir sürede, daha hafif leptonlara, sonuç olarak da elektrona dönüşüyorlar. Dolayısıyla, etrafımızdaki görünür maddenin yapısında hiç yer almıyorlar. Nötrinolar ise, renk veya elektrik yükü taşımadıklarından, öte yandan çok küçük kütlelere sahip olduklarından diğer parçacıklarla ve dolayısıyla maddeyle çok zayıf bir kütleçekimi dışında hemen hiç etkileşime girmiyorlar. Örneğin dünyamızın bir tarafından girip , atomlarından tek bir tanesiyle bile etkileşmeksizin (yani hiçbir çarpışmaya girmeksizin) diğer tarafından çıkıp gidebiliyorlar. Bu özellikleri nedeniyle varlıkları doğrudan gözlenmek yerine , bozunmalar sırasında momentumun korunması gereğini yerine getiren bir varsayımdan hareketle keşfedilmiş.
Tüm bu parçacıkların her birine karşılık gelen bir de anti parçacıkları vardır. Anti parçacıkların parçacıklardan tek farkları yüklerinin zıt oluşudur; kütle,spin gibi özellikleri ise değişmez. Anti parçacıklar, parçacığın ismi önüne “anti” kelimesi getirilerek adlandırılır (Proton /Anti Proton gibi). Bu kuralın tek istisnası elektronun anti parçacığının pozitron olarak adlandırılmasıdır.
* Spin kavramı, dönme hareketiyle ilgili. Klasik mekanikte bir cismin açısal momentumu, yörüngesel ve spin olmak üzere iki farklı hareketten kaynaklanabilir. Örneğin Dünya’nın yörüngesel açısal momentumu, Güneş etrafındaki hareketinden, spin açısal momentumuysa kutup ekseni etrafındaki dönüşünden kaynaklanır. Kuantum fiziğinin hüküm sürdüğü elektron, proton gibi temel parçacıkların hareketine baktığımızda da benzer bir durum var, ama önemli bir farkla. Söz gelimi elektronun atom çekirdeği etrafındaki hareketinden kaynaklanan ve bulunduğu kuantum durumuna bağlı olarak büyüklüğü belirlenen bir yörüngesel açısal momentumu var. Bunun yanı sıra bir de büyüklüğü hiçbir zaman değişmeyen (değiştirilemeyen) bir spin açısal momentumu var ki, kaynağı elektronun kendi etrafında dönmesi değil. Ancak göreli kuantum mekanik kuramıyla öngörülebilen, klasik mekanikte karşılığı bulunmayan bu içsel spin açısal momentumunu tıpkı kütle ve elektriksel yük gibi parçacıkların taşıdığı temel bir özellik olarak görmek gerekiyor.
Bozonlar tam sayılı spinlere sahipler. Doğanın temel kuvvetleri “ayar bozonları” denen parçacıklarca iletiliyor. Standart Model’e göre temel bozonlar şunlar :
Bunlardan Higgs bozonu , elektrozayıf kuram (zayıf çekirdek kuvvetiyle, elektromanyetik kuvveti özdeşleştiren kuram) tarafından öngörülüyor. Temel parçacıkların kütleleri, bu alanla yaptıkları etkileşimle açıklanıyor.
* Peter Higgs, boş uzayın aslında boşluğun her tarafını bir elektrik alanı gibi kaplayan (skalar) bir alanla kaplı olabileceğini keşfetti. Bu alan her noktasında Higgs bozonu diye adlandırılan bir parçacıktan oluşuyor. Ve bu alan, bir yapışkan gibi içinde yol alan parçacıkları yavaşlatıyor ve onlara, kütlenin temeli olan atalet kazandırıyor. Kurama göre Higgs alanıyla kuvvetli etkileşen parçacıklar daha büyük, zayıf etkileşenler ise daha küçük kütleler kazanıyorlar. Sonradan görüldü ki doğa bu ilginç planı izliyor. Bu mekanizmadan yararlanan kuramcılar W ve Z parçacıkları için belirli birer kütle öngördüler. 1983 yılında CERN’deki hızlandırıcılarda gerçekleştirilen deneylerde, çarpıştırılan parçacıkların yarattığı enerji bu parçacıkları boşluktan koparacak düzeye eriştiğinde W ve Z, öngörülen kütleleriyle detektörlerde belirdiler. Şimdi ise bilim adamları, parçacık çarpıştırıcılarında Higgs bozonunu bulmak için uğraş veriyorlar.
Bileşik Parçacıklar
Hadronlar şiddetli çekirdek kuvvetiyle etkileşen bileşik parçacıklar. Hadronlar, ya
-
•Fermiyon türü oluyorlar ki, bu durumda bunlara “baryon” deniyor. Ya da
•Bozon türünden oluyorlar ki, bunlara da mezon deniyor.
Baryonlar (fermiyonlar): Sıradan baryonların (fermiyonların) her biri ya üç değerlik (valans) kuark ya da üç değerlik antikuark içeriyor.
Nükleonlar normal atom çekirdeklerinin fermiyonik bileşenlerine deniyor:
-
• Protonlar iki yukarı (u) ve bir aşağı (d) valans kuarkından oluşuyor
• Nötronlar iki aşağı (d) ve bir yukarı (u) valans kuarkından oluşuyor
Mezonlar (bozonlar) bunlar çok sayı ve çeşitte bulunuyorlar. Sıradan mezonlar (bozon özellikli) bir valans kuarkıyla (başka türden) bir valans antikuarkından oluşur. Bunlar arasında pion, kaon ile bir çok başka mezon sayılabilir. Kuantum dinamiğinde nükleonlar arasında güçlü çekirdek kuvveti, mezonlarca iletiliyor. Mezonlar bir temel parçacıkla bir karşıt parçacıktan oluştuklarından dolayı, genelde çok kararsızdır ve hızla diğer parçacıklara bozunurlar.
KUVVETLER
Kuvvet, iki parçacık arasındaki itme veya çekmenin varlığını ve güçlülük düzeyini betimliyor. Kuvvetlerin şiddet ve erimi (menzil) farklı. Bir kuvvetin şiddeti, taşıyıcı parçacığının taşıdığı enerji miktarı veya kütle ile, o kuvvetten etkilenebilen parçacığın, taşıyıcı parçacıkla etkileşime girme olasılığına bağlı. Kuvvetin menzili ise, kaynağının civarındaki etki alanını belirleyen bir uzunlukla veriliyor.
Doğada dört tür etkileşim veya dört çeşit kuvvet var.
-
• Elektromanyetik
• Kütleçekimi
• Zayıf
• Güçlü
Evrendeki tüm madde bu dört temel kuvvetin etkisi altında. Kütleçekim kuvveti bizleri Dünya üzerinde, gezegenleri de Güneş çevresinde tutar. Elektronları atomda tutan kuvvet ise elektromanyetik kuvvettir ve kütleçekim kuvvetinden çok daha şiddetlidir. Elektromanyetik kuvvetten yüzmilyonlarca kez daha zayıf olan zayıf çekirdek kuvveti, radyoaktivite ve nükleer füzyondan sorumludur. Elektromanyetik kuvvetten yüz kez daha kuvvetli olan şiddetli nükleer kuvvet (güçlü kuvvet) de kuarkları bir arada tutar.
Kuvvetlerin genel bir kuralı vardır : Kuvvet taşıyıcısı çift spinli ise aynı işaretli yükler birbirlerini çeker ve zıt işaretli yükler birbirlerini iter. Spin (elektromanyetizmada olduğu gibi) tek ise, bunun tersi doğrudur.
Elektromanyetik Kuvvet
Elektromanyetik kuvvet, molekülleri oluşturmak üzere atomların birbirleri ile bağlanmasını sağlar. Yaşam her yönüyle bu kuvvete bağlıdır. Elektromanyetik kuvvet, cismi oluşturan molekülleri bir arada tutar, cisimlerin fiziksel yapılarını korumalarını sağlar. Herhangi bir maddenin hemen hemen tüm özellikleri, atomun kuantum ve elektromanyetik özellikleri şeklinde anlaşılabilir. Bu anlayış; şiddetli, zayıf ve kütleçekim kuvvetlerinin anlaşılmasını gerektiren nükleer fizik ile kozmoloji dışında, fiziğin tamamını kapsar. Deneysel sonuçlarındaki zenginlik nedeniyle, elektromanyetik kuvvet temel kuvvetler arasında en iyi anlaşılmış olanıdır.
Elektrik kuvveti, yüklü iki parçacığın birbirini ittiği (yükleri aynı işaretli ise) ya da birbirini çektiği (yükleri zıt işaretli ise) kuvvettir. Manyetik kuvvet, elektrik yüklü bir parçacığın manyetik alandan geçerken üzerine etki eden kuvvettir. Bir manyetik alan, elektrik yüklü parçacıklar hareket ettiğinde ortaya çıkar.
Elektrik kuvveti ve manyetik kuvvet birbiriyle ilişkilidir. James Clerk Maxwell, 1873’de, elektrik ve manyetik kuvvet alanlarının uyduğu eksiksiz denklemleri bulmayı başardı ve böylece günümüzde elektromanyetizma denilen bir “birleşik teori”yi elde etmiş oldu. Elektromanyetik kuvvetin temel parçacıklara etki ederken gösterdiği özellikler şu şekilde sıralanabilir.
-
• Kuvvet, elektrik yükü dediğimiz şey üzerine evrensel bir şekilde etki eder.
• Kuvvet çok büyük bir menzile sahiptir (manyetik alanların yıldızlar arası etkisi vardır).
• Kuvvet oldukça zayıftır. Kuvvetin şiddeti, elektron yükünün karesinin 2hc’ye (2 x Planck sabiti x ışık hızı) bölümüne eşittir. Bu oran yaklaşık olarak 1 :137,036’ya eşittir.
• Bu kuvvetin “taşıyıcısı” , durgun kütlesi sıfır, spini 1 olan ve foton denilen bir parçacıktır. Fotonun kendisinin elektrik yükü yoktur.
Kütleçekimi
Kütleçekimi, 1915’de Einstein tarafından ayrıntılı yapısı bulunan ve bu yapının uzay
ve zaman dokusunun eğriliğine bağlı olduğu gösterilen çok temel bir kuvvettir. Bununla birlikte bugün bile kütleçekimi yasalarını kuantum mekaniği ile nasıl bağdaştıracağımızı bilmiyoruz (kütleçekimi kuvvetinin zayıf olduğu durumlar hariç).
Kütleçekim kuvveti, Güneş Sistemimizi de kontrol eden temel kuvvettir; gezegenleri, asteroitleri, kuyrukluyıldızları ve daha küçük cisimleri yörüngede tutar. Kütleçekim kuvveti çok uzun erimlidir; birbirlerinden milyonlarca ışıkyılı uzaklıktaki galaksi kümeleri kendi kütleçekim kuvvetleri ile bir arada tutulurlar. Fakat yine de dört kuvvet arasındaki en zayıf kuvvettir. Uzun erimli olması sebebiyle evrendeki en baskın kuvvettir; bundan çok daha şiddetli olan çekirdek kuvvetleri atom çekirdeği dışında etkili değillerdir.
-
• Kütleçekimi kuvveti doğrudan doğruya bir parçacığın kütlesine etki eder.
• Kuvvet son derece uzun bir menzile sahiptir (Evrenin bilinen en uzak bölgelerine kadar etkisi görülebilir).
• Kütleçekimi kuvveti öylesine zayıftır ki, iki temel parçacık arasındaki karşılıklı kütleçekimi kuvvetini deneysel olarak ölçmek belki de hiçbir zaman mümkün olmayacaktır. Bizim bu kuvveti hissetmemizin tek nedeni kuvvetin toplam oluşudur : (Dünya’daki) tüm parçacıklar (vücudumuzdaki) tüm parçacıkları aynı yönde çeker.
• Kuvvet taşıyıcısı “Graviton“ dur. Graviton her ne kadar deneysel olarak bulunmadıysa da, kuantum mekaniği önermelerinden hareket ederek kütlesinin sıfır ve spininin 2 olduğu biliniyor.
Zayıf Kuvvet
Pek çok parçacığın ve hatta pek çok tuhaf atom çekirdeğinin kararsız olmasından zayıf kuvvet sorumludur. Zayıf kuvvet, bir parçacığın kendisiyle akraba başka bir parçacığa dönüşmesine ve bu arada bir elektron ile bir nötrino çıkmasına neden olur. Zayıf etkileşim, ağır kuark ve leptonların daha hafif kuark ve leptonlara bozunmasından sorumlu. Bozunma sürecinde; ilgili temel parçacığın kaybolduğu ve ortaya, iki veya daha fazla sayıda farklı parçacığın çıktığı gözlemleniyor. Toplam kütle ve enerji korunmakla beraber, bozunan parçacığın kütlesinin bir kısmı, ortaya çıkan parçacıkların kinetik enerjisine dönüşüyor. Dolayısıyla, bozunma ürünlerinin kütlelerinin toplamı hep, başlangıçtaki kütleden daha az oluyor.
Zayıf kuvvetin genel bir formülü 1934’de Enrico Fermi tarafından bulundu. Daha sonra George Sudershan, Robert Marshak, Murray Gell-Mann ve Richard Feynman tarafından geliştirildi. Geliştirilmiş formül çok iyi iş görüyordu, ancak her koşulda doğru sonuç vermediği açıktı. 1970’e gelindiğinde zayıf kuvvetin aşağıdaki özelliklerinden yalnızca ilk üçü biliniyordu:
-
• Kuvvet değişik türdeki parçacıklara evrensel bir şekilde etki eder ve (etkileri değişik durumlarda çok farklı olsa da) şiddeti her parçacık için yaklaşık olarak aynıdır. Nötrinolar zayıf kuvvete özellikle duyarlıdır
• Diğer kuvvetlerle kıyaslandığında zayıf kuvvetin menzili çok kısadır.
• Kuvvet çok zayıftır. Bu nedenle içinde nötrino bulunan parçacık çarpışmaları öylesine az sayıdadır ki, bu olayları incelemek için çok sayıda nötrino içeren hüzmeye ihtiyaç duyulur.
• Zayıf kuvvet “taşıyıcılarına “W+ , W- “ adı verilir. Bu parçacıklar 1980’lere kadar bulunamadı. Tıpkı foton gibi bunların da spinleri 1’dir, ancak elektrik yükleri vardır ve çok ağırdırlar (işte bu yüzden kuvvetin menzili kısadır) .Üçüncü taşıyıcı Z0 parçacık bozunmalarıyla hiçbir ilişkisi olmayan bir başka tür zayıf kuvvetten sorumludur : “yüksüz akım”. Bu akım, diğer parçacıkların kimliklerini değiştirmeden nötrinolarla etkileşmesine izin verir.
1970’den sonra elektromanyetizma ile zayıf kuvvet arasındaki ilişki açıklık kazandı.
Güçlü Kuvvet
Güçlü kuvvet hadron adı verilen parçacıklar arasında etkilidir. Bu kuvvet hadronlara karmaşık bir içyapı kazandırır. 1972 yılına kadar güçlü kuvvetin sadece simetri kuralları biliniyordu ve kuvvet yasalarını tam olarak formüle edemiyorduk.
-
• Bu kuvvetin menzili hafif bir atom çekirdeğinin yarıçapından daha büyük değildir (yaklaşık 10-13 cm).
• Kuvvet güçlüdür. Parçacıklar güçlü kuvvetin etkisiyle çok çabuk bozunur. Bu parçacıklara “rezonans” denir. Ortalama ömrü 0,6 x 10-23 saniye olan Δ rezonansını buna örnek olarak verebiliriz. İki hadron birbirine 10-13 cm kadar yaklaşırsa çarpışma olasılığı son derece yüksektir.
1972’ye kadar spinleri sıfır, kütleleri 135 ile 140 MeV arasında değişen pionların güçlü kuvvetin taşıyıcısı oldukları sanılıyordu. Örneğin 2 proton arasındaki çekici güçlü kuvvet esas olarak pion değiş tokuşundan meydana geliyordu. Günümüzde bunun nedeni pionların en hafif hadron olmalarına bağlanıyor. Ne var ki pionlar da diğer hadronlar gibi “kuark” lardan meydana gelmiştir. Güçlü kuvvet artık kuarklar arasındaki daha da güçlü bir kuvvetin yan etkisi olarak görülüyor. Güçlü kuvvetin taşıyıcıları “gluonlar”dır.
Parçacık Bozunumları
Çekirdekler bir kere oluştuklarında, hep öyle aynı kalmıyor, onlar da bozunabiliyor ve bu sırada çeşitli parçacıklar ışınlıyor. Bu ışınlar ilk keşfedildiklerinde hangi parçacıklardan oluştukları bilinmediğinden isim olarak Yunan alfabesinin ilk üç harfiyle adlandırılır ;
α – Alfa Işınları : İki nötron ve iki protondan oluşan helyum çekirdekleri
β – Beta Işınları : Hızlı elektronlar
γ – Gamma ışınları : Yüksek enerjili foton salınımı
Bu olaya Radyoaktivite denir.
Bir parçacığın bozunduğunda, daha az kütleli bir parçacığa ve bir kuvvet taşıyıcı parçacığa (bir gluon ya da W/Z) değiştiği anlaşılmıştır. Bu kuvvet taşıyıcılar daha sora başka parçacıklara bozunabilmektedirler. Dolayısıyla bir parçacık, sadece başka bir parçacığa dönüşmemektedir; ayrıca bir de , parçacık bozunumlarına arabuluculuk yapan kuvvet taşıyıcı parçacık vardır. Bir çok durumda bu kuvvet taşıyıcı parçacıklar, enerjinin korunumu yasasını ihlal edermiş gibi görünürler. Ancak bu parçacıklar, çok kısa bir süre için, hiçbir kuralın bozulmayacağı şekilde var olurlar. Parçacık bozunumuna sebep olan kuvvetler güçlü ve zayıf kuvvetlerdir.
Bir parçacığın ömründen bahsedilirken daima onun ortalama ömrü kastedilir. Tamamen kararlı olmayan bir parçacık ömrünün her anında aynı bozunma olasılığına sahiptir. Bazı parçacıklar diğerlerinden daha uzun yaşar ama ortalama ömür her cins parçacık için belli bir değere sahiptir. Kullanılan kavramlardan biri de “yarı-ömür”dür. Elimizde çok sayıda özdeş parçacık varsa, yarı-ömür, bu parçacıkların yarısının bozunması için geçen zamandır. Yarı-ömür ortalama ömrün 0,693 katıdır.
Standart Model’in Eksikleri
Tüm göz alıcı başarılarına, deneylerin kanıtladığı öngörülerine karşın Standart Model, evreni tam olarak açıklayamıyor. Bu nedenle fizikçilerin Standart Model hakkındaki duyguları, saygıyla karışık bir doyumsuzluk. Nedenlerine gelince, her şeyden önce kütleçekimini içermiyor. Standart Model’in ikinci ve aynı derecede rahatsız edici bir sorunu da, en az yanıtladıkları kadar yeni soru ortaya çıkartması. Örneğin, neden yalnızca dört kuvvet var da , altı ya da bir değil? Neden yalnızca görebildiğimiz parçacıklar var da başkaları yok.Temel doğa kuvvetlerinin güçleri, erimleri ve simetrileri arasındaki fark neden? Parçacıkların farklı kütlelerini yaratan ne? Bu son soru için Standart Model’in imdadına yetişen Higgs parçacığı. Ancak değişik kuramlar değişik Higgs yapıları gerektiriyor.
Parçacık kuramları üzerindeki çalışmalarda, parçacığa kütle kazandıran bir başka parçacık olması gerektiğinden yola çıkılarak Higgs parçacığı fikri ortaya atıldı. “Büyük birleştirme kuramları” ve bir adım ötesi olan “her şeyin kuramları” için bu parçacık anahtar konumda. Higgs parçacığı önemli olması yanında bir o kadar da gizemli. Hangi enerji düzeyinde varolduğu bilinmediği gibi, varlığı bile pek çok fizikçi tarafından sorgulanıyor. Kimi fizikçiler Higgs parçacığını bu bilinmezliğinden ötürü “Standart Model’in sorunlarının altına süpürüldüğü bir ‘cehalet halısı’ olarak nitelendiriyorlar. Fizik topluluğunun büyük çoğunluğu ise bu parçacığın yeni çarpıştırma labaratuvarlarında tek ya da bir aile olarak bulunacağından kuşku duymuyor.
Standart Model’in yanıtlayamadığı diğer sorulardan en önemlileri de şöyle:
-
• Kuarklarla leptonlar gerçekten temel parçacık mı, yoksa daha temel başka parçacıklardan mı oluşuyor?
• Madem görünür evren sadece birinci neslin iki kuark ve bir leptonundan oluşuyor, diğer iki nesil niye var?
• Parçacık kütleleri niye öngörülemiyor ve kütleçekimi bu modele en uyumlu şekilde nasıl girmeli?
• Maddeyle karşıtmadde arasında bir simetri varsa eğer, evrene baktığımızda neden hep madde görüyoruz da, hemen hiç karşıtmadde göremiyoruz?
• Evren üzerindeki kütleçekimi etkisi açıkça görülen ‘karanlık madde’nin yapısı nedir ve neden gözlenemiyor?
• Dört ayrı etkileşimin çalışma biçimlerini anlamaya çalışmak yerine, bu dördü tek bir etkileşimin çatısı altında toplanamaz mı?
Kaynakça:
Bilim ve Teknik Dergisi / Nisan 2007
Bilim ve Teknik Dergisi / Nisan 1999
Bilim ve Teknik Dergisi / Aralık 1997
Bilim ve Teknik Dergisi / Eylül 2000
Bilim ve Teknik Dergisi / Ocak 2000
Maddenin Son Yapıtaşları / Gerard’t Hooft / Tübitak Popüler Bilim Kitapları