Atomaltı Parçacıklar Nedir? Atomaltı Parçacıkların Özellikleri

Bu yazımızda, günümüzde Fizik Bilim İnsanlar'ının da en çok araştırma yaptıkları konulardan birine değineceğiz: Atom altı parçacıklardan. Yüzyıllarca insanların zihinlerini şu sorular sürekli meşgul etmiştir; maddeler nasıl meydana geldi? Maddeler nelerden oluşurlar? Ancak bu sorular hiçbir zaman bitmeyecek gibi de durmaktadır. Çünkü her yeni araştırma beraberinde cevaplanmamış yeni bir soruyu da getirmektedir.

Bilindiği gibi maddelerin en küçük yapı birimi atomdur. Atomlar genel anlamda merkezde pozitif yüklü bir çekirdek ve bu çekirdeğin etrafında orbital olarak isimlendirilen belli yörüngelerde dönen negatif yüklü elektron adı verilen parçacıklardan meydana gelmiştir. Maddelerin kimyasal yapısını da bu yörüngelerde dönen elektronlar ve çekirdekteki parçacık sayıları belirlemektedir. Aşağıdaki figürde temsili bir atom görülmektedir. Ancak atomdan da daha küçük parçacıklar da bulunmaktadır. Şimdi bu konuya biraz derinlemesine inelim. 

Atom altı parçacıklar

Atom altı parçacıklar, atomdan daha küçük parçacıklardır. Fiziği alt dalları olan parçacık fiziği ve nükleer fizik bu konularla birlikte ilgilenmektedirler. Genel anlamda standart modele göre atomlar, pozitif yüklü protonlar, negatif yüklü elektronlar ve yüksüz durumdaki nötronlardan meydana gelmektedirler. Ancak Protonlar ve nötronlar, kuark adı verilen parçalanamayan "temel" parçacıklardan meydana gelir. Yani protonlar ve nötronlar bileşik parçacıklardır. Elektronlar ise kuarklar gibi "en temel" parçalanamayan bir parçacıktır. Şimdi bu "temel" parçacıklar konusunu biraz açalım. Sırasıyla 3 ana başlıkta toplayabiliriz :

1- Kuarklar

2- Leptonlar

KUARKLAR

Kuark temel parçacık ve maddenin temel bileşenlerinden biridir. Kuarklar bir araya gelerek hadronlar olarak bilinen bileşik parçacıkları oluştururlar. Bunların en kararlı olanları atom çekirdeğinin bileşenleri proton ve nötrondur.

Renk hapsi denilen bir olgu sebebiyle kuarklar asla yalnız bir şekilde bulunmazlar; onlar sadece hadronlar dahilinde bulunabilirler. Bu sebeple kuarklar hakkında bilinenlerin çoğu hadronların gözlenmesi sonucunda elde edilmiştir.Çeşni olarak bilinen altı tip kuark bulunmaktadır: yukarı, aşağı, tılsım, acayip, üst ve alt.

Yukarı ve aşağı kuark bütün kuarklar içinde en düşük kütleli olanlardır. Daha ağır kuarklar parçacık bozunması yoluyla hızlıca aşağı ve yukarı kuarka dönüşürler: yüksek kütle durumundan daha düşük kütle durumuna dönüşüm. Bu sebeple yukarı ve aşağı kuarklar evrende en yaygın olanlardır, bununla birlikte tılsım, acayip, üst ve alt kuarklar sadece yüksek enerjili çarpışmalarda (kozmik ışınlar ve parçacık hızlandırıcılarda) oluşabilir.

Kuarklar elektrik yükü, renk yükü, spin ve kütle gibi çeşitli içkin özelliklere sahiptir. Kuarklar parçacık fiziğinin Standart Model'inde dört temel kuvvetin (elektromanyetizma, gravitasyon, güçlü etkileşim, zayıf etkileşim) tümüyle de etkileşen ve ayrıca elektrik yükü temel yükün tamsayı katı olmayan tek temel tanecik ailesidir. Her kuark çeşnisi için ona karşılık gelen bir tane de antiparçacık bulunur. Antikuark denilen bu parçacık kuarktan, sadece bazı özelliklerinin aynı büyüklükte fakat ters işaretli olması ile ayrılır.

Kuark modeli 1964'te Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından birbirlerinden bağımsız olarak ortaya atıldı. Kuarklar hodronlar için oluşturulan bir düzenlenim şemasının parçaları olarak tanıtıldı ve 1968 yılına kadar onların varlığı ile ilgili çok az fiziksel kanıt bulunuyordu. Altı kuarkın tamamı hızlandırıcı deneylerinde gözlemlendi, keşfedilen son kuark olan üst kuark ilk kez 1995'de Fermilab'da gözlendi.

Standart Model şimdiye kadar bilinen tüm temel parçacıkları ve henüz gözlemlenmemiş Higgs bozonunu açıklayan bir kuramdır. Bu model kuarkların (q), yukarı (u), aşağı (d), tılsım (c), acayip (s), üst (t) ve alt (b) isimlerindeki altı çeşnisini kapsar. Kuarkların antiparçacıklarına antikuark denir ve karşılık gelen kuarkın sembolünün üzerine çizgi eklenerek gösterilir (örneğin yukarı kuark için anti kuark u ile gösterilir). Genellikle bütün antimaddelerde olduğu gibi, antikuarklar da kendi kuarkı ile aynı kütleye, ortalama ömür süresine ve spine sahiptir ancak elektrik yükü ve diğer yükleri ters işaretlidir.

Kuarklar, spinleri -1⁄2 parçacıklarıdır. Yani spin-istatistik kuramına göre onlar fermiyondur. Dolayısı ile, aynı iki fermiyonun aynı anda aynı kuantum durumunda bulunamayacağını söyleyen Pauli dışlama ilkesine tabiidirler. Bu aynı kuantum durumunda çoklu sayılarda bulunabilen bozonların (tamsayı spinli parçacıklar) tersidir. Leptonlardan farklı olarak kuarklar, güçlü etkileşime girmelerini sağlayan renk yüküne sahiptirler. Farklı kuarklar arasındaki etkileşim hadronlar olarak bilinen kompozit parçacıkların oluşmasını sağlar.

Hadronların kuantum sayısını belirleyen kuarklara değerlik kuarklar denir bundan ayrı olarak hadronlar kuantum sayısına etki etmeyen sonsuz sayıda sanal (veya deniz) kuark, antikuark ve gluon barındırabilir. İki farklı hadron ailesi vardır: üç değerlik (valans) kuarklı baryonlar ve bir değerlik kuarklı ve bir antikuarklı mezonlar. En büyük sayıdaki baryonlar atom çekirdeğini oluşturan proton ve nötrondur. Hadronların büyük bir bölümü bilinmektedir (bkz. baryonlar listesi, mezonlar listesi), bunların çoğu kuark bileşenleri ve yapıtaşını oluşturan kuarkların kazandırdığı özelliklerle ayırt edilirler. Tetrakuarklar (qqqq) ve pentakuarklar (qqqqq) gibi daha fazla değerlik kuarka sahip olan "egzotik" hadronların varlığı da tahmin edilmektedir ancak henüz kanıtlanamamıştır.

Temel fermiyonlar her biri iki lepton ve iki kuarkı kapsayan üç nesilden oluşur. Birinci nesilde yukarı ve aşağı kuark, ikinci nesilde tılsım ve acayip kuark, üçüncü nesilde üst ve alt kuark yer alır. Kuarkların ve diğer temel fermiyonların dördüncü nesli ile ilgili araştırmaların tamamı başarısızlıkla sonuçlanmıştır ve üç nesilden fazlası olmadığına dair güçlü ve doğrudan olmayan kanıtlar mevcuttur. Daha yüksek nesillerde yer alan parçacıklar genellikle daha büyük kütleye ve daha az kararlılığa sahiptirler. Bu da onların zayıf etkileşimler vasıtasıyla bozunarak daha küçük nesilli parçacıklara dönüşmesine sebep olur. 

Sadece birinci nesildeki (yukarı ve aşağı) kuarklar doğada yaygın olarak bulunur. Daha ağır kuarklar sadece yüksek enerjili çarpışmalarda (kozmik ışınları içerenler gibi) yaratılabilirler ve hemen ardından çabucak bozunurlar. Yine de onların evrenin son derece sıcak ve yoğun fazda olduğu Büyük Patlama'dan sonraki bir saniyenin ilk kesirlerinde bulundukları düşünülmektedir (kuark dönemi). Ağır kuarklar üzerine çalışmalar parçacık hızlandırıcılar gibi yapay olarak yaratılmış koşullarda yürütülmektedir.

Elektrik yükü, kütle, renk yükü ve çeşniye sahip olan kuarklar çağdaş fiziğin dört temel kuvvetinin tamamıyla (elektromanyetizma, gravitasyon, zayıf etkileşme ve güçlü etkileşme) etkileştiği bilinen tek parçacık ailesidir. Ancak gravitasyon genellikle atomik skalada etkisizdir ve Standart Model ile açıklanamaz.

KUARKLARIN ELEKTRİK YÜKLERİ

(Charge)Kuarklar kesirli elektrik yüküne sahiptir. Çeşnisine bağlı olarak yükleri temel yükün -1⁄3 veya +2⁄3 katlarını alabilirler. Yukarı, tılsım ve üst kuarkların (bunlara topluca yukarı-tip kuarklar denir) elektrik yükü +2⁄3 iken, aşağı, acayip ve alt kuarklar (aşağı-tip kuarklar) −1⁄3 elektrik yüküne sahiptir. Antikuarklar eşlerinin tersi elektrik yüküne sahiptirler; yukarı-tip antikuarklar -2⁄3 ve aşağı-tip antikuarklar 1⁄3 elektrik yüküne sahiptir. Bir hadronun elektrik yükü, barındırdığı kuarkların elektrik yükleri toplamına eşit olduğundan, bütün hadronlar tamsayı yüklere sahiptirler: üç kuarkın (baryonlar), üç antikuarkın (antibaryonlar) ve bir kuark ve bir antikuarkın (mezonlar) kombinasyonu her zaman tamsayı değerini verir. Örneğin atom çekirdeğinin bileşenleri nötron ve proton sırasıyla o ve +1 elektirk yüklerine sahiptirler; nötron iki aşağı kuark ve bir yukarı kuarktan ve proton da iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan oluşur.

KUARKLARIN SPİNLERİ

Spin temel taneciklerin içkin özelliklerinden biridir ve yönelimi önemli bir serbestlik derecesidir. Bir cismin kendi ekseni etrafında dönüşü şeklinde canlandırılabilir (spin adı buradan gelir), yine de bu düşünce atomaltı ölçekte kısmen yanlıştır çünkü temel taneciklerin nokta benzeri olduklarına inanılmaktadır.

Spin büyüklüğü, indirgenmiş Planck sabiti ħ (okunuşu: "haş bar") biriminden olan bir vektörle gösterilebilir. Kuarklar için herhangi bir eksen boyunca spin vektörü bileşeninin ölçümü sadece +ħ/2 or −ħ/2 değerlerini verebilir; bu sebeple kuarklar spin-1⁄2 parçacıklar olarak sınıflandırılırlar. Spinin verilen bir eksendeki—genel kabulle z eksenindeki—bileşeni, +1⁄2 değeri için yukarı ok ↑ işareti ile ve −1⁄2 değeri için aşağı ok işareti ile ifade edilir. Örneğin z ekseni boyunca spini +1⁄2 olan bir yukarı kuark u↑ ile ifade edilir.

KUARKLARIN KÜTLELERİ

Kuarkların kütlelerini ifade etmek için iki terim kullanılır: çıplak kuark kütlesi kuarkın kendi başına olan kütlesidir ve bileşik kuark kütlesi de kuarkın ve onu çevreleyen gluon parçacık alanının kütlesinin toplamıdır. Bu kütleler genellikle çok farklı değerlere sahiptirler. Çoğu hadronun kütlesi, kuarkların kütlelerinden ziyade, kuarkları bir arada tutan gluonların kütlelerinden gelir. Gluonlar tabiatları gereği kütlesiz olurlarken, enerjiye—daha belirgin olarak kuantum renk dinamiği bağlanma enerjisi (QCBE)—sahiptirler, ve bu enerji hadronların kütlelerine çok büyük oranda katkı yapar. Örneğin protonun 938 MeV/c2 olan durgun kütlesine, bileşeni oluşturan üç değerlik kuarkın katkısı sadece 11 MeV/c2'dir, geriye kalanın çoğu gluonların kuantum renk dinamiği bağlanma enerjisine atfedilebilir.Standart Model'e göre, temel parçacıklar kütlelerini henüz gözlenmemiş Higgs bozonu ile bağlantılı olan Higgs mekanizmasından kazanır. Fizikçiler, kütlesi neredeyse bir altın çekirdeğinin kütlesine (~171 GeV/c2) eşit olan üst kuarkın kütlesi üzerine yapılacak olan ileriki araştırmaların kuarkların ve diğer temel taneciklerin kütlelerinin orijinine dair daha fazla bilgi vereceğini ummaktadırlar.

ETKİLEŞEN KUARKLAR

Kuantum renk dinamiğinin tanımladığı gibi kuarklar arasındaki güçlü etkileşime, gluonlar olarak bilinen kütlesiz vektör ayar bozonları aracılık eder. Her bir gluon bir renk yükü ve bir antirenk yükü taşır. Parçacık etkileşimlerinin standart referans sisteminde gluonlar, kuarklar arasında sürekli olarak sanal emisyon ve absorbsiyon yolları ile takas edilir. Bir gluon kuarklar arasında taşındığında, hem kuarkta hem de gluonda renk değişimi olur. Örneğin bir kırmızı kuark bir kırmızı-antiyeşil gluon yayarsa yeşile döünüşür ve eğer bir yeşil kuark bir kırmızı-antiyeşil gluon soğurursa kırmızıya dönüşür. Böylece, her kuarkın rengi sürekli değişirken güçlü etkileşim korunmuş olur.

Gluonlar renk taşıdıklarından, diğer gluonları yayma ve soğurma yetisini sahiptirler. Bu da asimptotik özgürlük olarak bilinen kuarkların birbirlerine yakınlaşırken aralarındaki kromodinamik (renk dinamiği) bağlanma kuvvetinin zayıflaması olgusuna sebep olur. Diğer taraftan kuarklar arasındaki mesafe arttığında bağlanma kuvveti de güçlenir. Renk alanı, lastik bandın uzatılması gibi gerilmiş bir hale gelir ve alanı güçlendirmek için uygun renkten daha çok gluon kendiliğinden yaratılır. Belli enerji eşiğinin üzerinde kuark ve antikuark çiftleri üretilir. Çiftler ayrılmış kuarklar ile bağlanır ve yeni hadronların oluşmasına sebep olur. Kuarkların hiçbir zaman izole bir şekilde görülemeyeceğini söyleyen bu olgu renk hapsi olarak bilinir. Bu hadronizasyon süreci, yüksek enerjili çarpışmalarda oluşan kuarkların bir başka yolla etkileşime girmeye başlamasından önce meydana gelir. Buradaki tek istisna hadronize olmadan önce bozunuma uğrayabilen üst kuarktır.

ZAYIF ETKİLEŞİM 

Bir çeşninin kuarkı, başka bir çeşninin kuarkına sadece, parçacık fiziğindeki dört temel kuvvetten biri olan zayıf etkileşim ile dönüşebilir. W bozonu yayımı veya soğurulması yoluyla herhangi bir türden yukarı tip kuark (yukarı, tılsım ve üst kuarklar) herhangi bir türden aşağı tip kuarka (aşağı, acayip ve alt kuarklar) dönüşebilir ve bunun tersi de geçerlidir. Bu çeşni dönüşüm mekanizması, bir nötronun (n), bir proton (p), bir elektron (e-) ve bir elektron antinötrinosuna (ve) ayrıldığı (resme bakınız) beta bozunumu radyoaktif sürecine sebep olur. Bu olay nötrondaki (udd) aşağı kuarklardan birinin sanal bir W- parçacığı yayarak bir yukarı kuarka dönüşmesi ile olur. Sonuçta nötron protona (uud) dönüşür. Sonrasında W- bozonu da bir elektron ve bir elektron antinötrinosuna dönüşür.

n → p + e + ve(Beta bozunumu, hadron notasyonu)

udd → uud + e + ve(Beta bozunumu, kuark notasyonu)

Beta bozunumu ve onun tersi olan süreç ters beta bozunumu pozitron emisyon tomografisi (PET) gibi tıbbi uygulamalarda ve nötrino keşfi gibi yüksek enerji deneylerinde kullanılır.

GÜÇLÜ ETKİLEŞİM

Kuarklar renk yükü olarak bilinen bir özelliğe sahiptir. Renk yükünün mavi, yeşil ve kırmızı olmak üzere rastgele belirlenmiş üç türü bulunur. Bunlardan herbiri bir antirenk —antimavi, antiyeşil ve antikırmızı— ile tamamlanır. Her kuark bir renk taşırken her antikuark da bir antirenk taşır.

Üç rengin farklı kombinasyonları ile yüklenmiş kuarklar arasındaki çekme ve itme sistemi güçlü etkileşim olarak bilinir. Güçlü etkileşime gluonlar denilen kuvvet taşıyıcı parçacıklar aracılık eder. Güçlü etkileşimi tanımlayan kuram kuantum renk dinamiğidir (KRD). Herhangi bir renk değeri ile yüklenmiş bir kuark, ona karşılık gelen antirengi taşıyan antikuarkla birlikte bir bağlı sistem oluşturabilir; üç (anti)kuark, birer (anti)renk benzer şekilde bağ oluşturacaktır. İki çekici kuarkın sonucu renk nötrlüğü olacaktır: renk yükü ξ olan bir kuark ve −ξ olan bir antikuarkın bir araya gelmesi 0 renk yükü (veya "beyaz" renk) ve bir mezon oluşumu şeklinde sonuçlanacaktır. Temel optikteki toplanır renk modeline benzer şekilde, herbiri farklı renkten olan üç kuarkın veya üç antikuarkın kombinasyonu da "beyaz" renk yükü ve bir baryon veya antibaryon oluşumu şeklinde sonuçlanacaktır.

Modern parçacık fiziğinde ayar simetrileri —bir çeşit simetri grubu— parçacıklar arası etkileşimlerle ilgilidir (bkz. ayar teorileri). SU(3) (genellikle SU(3)c şeklinde kısaltılır) rengi, kuarklardaki renk yüküyle ilgili ayar simetrisidir ve kuantum renk dinamiği için tanımlayıcı simetridir. Fizik kurallarının uzaydaki hangi yönün x, y ve z olarak atandığından bağımsız olması ve koordinat eksenlerinin döndürülmesi durumunda değişmeden kalması gibi kuantum renk dinamiğinin fiziği de üç boyutlu renk uzayında hangi yönlerin mavi, kırmızı ya da yeşil olarak tanındığından bağımsızdır. SU(3)c renk dönüşümleri renk uzayındaki "dönmelere" denk gelir (matematiksel ifadeyle bir kompleks uzay). Kuarkların renklerine göre fB, fG, fR alt türleri olan her kuark çeşnisi (f) bir triplet oluşturur: SU(3)c'ün temel temsili altında dönüşen üç bileşenli bir kuantum alanı. SU(3)c'ün yerel olması, güçlü etkileşimin özelliklerini, bilhassa kuvvet taşıyıcıları olarak sekiz gluon türünün varlığını belirler.

DENİZ KUARKLARI

Hadronlar, kuantum sayılarına katkıda bulunan değerlik kuarklar (qv) ile birlikte deniz kuarkları olarak bilinen sanal kuark-antikuark (qq) çiftleri içerirler.

Sanal kuark-antikuark çiftleri, hadronlardaki değerlik kuarkların çevresinde bir çeşit "bulut" veya "zırh" olarak nitelendirilebilecek biçimde olma eğilimindedirler. Bu bulut sanal gluonlardan oluşan dıştaki başka bir katmanla tamamlanır. Bu katmanlar çevrelediği değerlik kuarka göre bir renk alırlar. Kuantum renk dinamiği—değerlik kuarkın antirengini taşıyan—buluttaki sanal antikuarkların alanın içinde daha yakın olmalarını sağlar. Örneğin kırmızı bir kuark için, antikırmızı sanal antikuarklar, kırmızı sanal kuark eşlerinden ziyade kırmızı değerlik kuarka yakınlaşma eğiliminde olacaklardır.

KUARKIN DİĞER EVRELERİ

Yeterli düzeyde uç şartlar altında, kuarklar hapisten kurtularak serbest parçacık haline gelebilir. Asimptotik özgürlük boyunca, yüksek sıcaklıkta güçlü etkileşim zayıflar. Nihayetinde renk hapsi kaybolacak ve serbest hareket eden kuarklar ve gluonların son derece sıcak bir plazması oluşabilecektir. Maddenin bu kuramsal evresine kuark–gluon plazması denir. Bu durum için gerekli olan kesin koşullar bilinmemektedir ve çok miktarda spekülasyonun ve deneyin konusu olmuştur. Son tahminler gerekli sıcaklığı 1.90±0.02×1012 kelvin değerine koymaktadır.

1980'lerde ve 1990'larda CERN'de yapılan birçok denemeye karşın şimdiye kadar serbest kuarklar ve gluonlar için gereken koşullara hiçbir zaman erişilemedi. Ancak Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı'ndaki son deneyler sonucunda "neredeyse kusursuz" akışkan hareketi yapan sıvı benzeri kuark özdeği için kanıtlar bulunmuştur.

Kuark–gluon plazması, ağır kuark çiftlerinin sayı bakımından yukarı ve aşağı kuark çiftlerinden büyük farkla fazla olması ile nitelendirilebilir. Hadronların kararlı olamayacağı kadar büyük bir sıcaklıkta Büyük Patlama'nın ardından geçen 10−6 saniye öncesindeki (kuark devri) bir dönemde evrenin kuark–gluon plazması ile dolu olduğuna inanılmaktadır.

Yeterli düzeyde yüksek baryon yoğunluklarında ve göreli düşük sıcaklıklarda—muhtemelen nötron yıldızlarında bulunanlarla karşılaştırılabilecek değerlerde—kuark özdeğinin, zayıf etkileşen kuarkların Fermi sıvısına yozlaşması beklenir. Bu sıvı renkli kuark Cooper çiftlerinin yoğun hale gelmesi ve böylece de yerel SU(3)c simetrisinin kırılması ile karakterize edilebilir. Cooper çiftleri renk yükü barındırdıklarından, buna benzer kuark özdeği evreleri renk süperiletkeni olacaklardır; yani renk yükü, kuark özdeğinden hiçbir dirençle karşılaşmadan geçebilecektir.

Bir sonraki yazımızda leptonlardan bahsedeceğiz. 

Umarız faydalı olmuştur.

Saygılarımızla,

EO (Yaşamın Kökeni)

Kaynakça :

Frank Close (2004) Particle Physics: A Very Short Introduction. Oxford University Press. ISBN 0-19-280434-0.

Close, Frank; Marten, Michael; Sutton, Christine (2004). The particle odyssey: a journey to the heart of the matter. Oxford University Press. ISBN 9780198609438

Ford, Kenneth W. (2005) The Quantum World. Harvard Univ.

Oerter, Robert (2006) The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Plume

Schumm, Bruce A. (2004) Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. John Hopkins Univ. Press. ISBN 0-8018-7971-X.

''Lepton'' da ne şimdi? Hele ki bu sıcakta?! Kimimizin aklına Lipton'un soğuk şeftalili meyve suyunun, kimimizin aklına ise direkt olarak kuantum fiziğinin geldiğini düşünüyoruz. Neden bundan bahsetmeliyiz; çünkü atomların karakteristiklerini belirleyen ve bize bir periyodik tablonun sunulmasında rol oynayan elektronlar ve yakın zamanda ışık hızını geçtiklerinden şüphelenilen, ancak bu şüphelerin yersiz olduğu, üzerlerinde yapılan detaylı araştırmalardan sonra anlaşılan nötrinolar, bu parçacık sınıfında bulunurlar. Evet, bu vesileyle, leptonların ne olduğuna da biraz değinmiş olduk; leptonlar diye ayırdığımız parçacıklar vardır, dolayısıylaleptonlar, bir parçacık sınıfını oluştururlar.

Lepton, Yunanca'da ''küçük'' anlamına gelmektedir. Etimolojik kökeninden sonra, değinmemiz gereken en önemli şeyin, leptonların, kuarklardan farkları olduğunu düşünüyoruz. Bildiğimiz gibi, kuarklar ve leptonlar, birlikte, fermiyonlar dediğimiz parçacık ailesini oluşturur. Belirtilen bir zamanda sadece bir kuantum durumuna karşılık gelebilen parçacıklar olarak tanımlayabileceğimiz fermiyonlar ise bozonlar ve diğer kuramsal parçacıklarla, bildiğimiz temel parçacıkları oluşturur. 

Bildiğimiz ve belirli bir sistematikte tanımladığımız 6 adet lepton vardır. 6 adet leptondan üçünü, tanıdık olandan olmayana doğru: elektron, müon ve tau diye sıralayabiliriz. Kalan üçü ise ilk 3 leptonun nötrinolarından oluşur; yani elektron nötrinosu, müon nötrinosu ve tau nötrinosu. 

Elektronlar, yüklü leptonlar arasında en düşük kütleye sahip olandır. Müon ve tau ise diğerlerine göre hızlı biçimde parçacık bozunumu ile elektrona dönüşür. En kararlı leptonlar, elektronlardır; dolayısıyla evrende en yaygın olan leptonlardır. Diğer leptonlar, tau ve müonlardan ise yalnızca kozmik ışınlar veya hızlandırıcı çarpışmaları gibi yüksek enerji gerektiren olgular söz konusu olduğunda bahsedilebilir. Bu altı leptondan sadece elektron normal madde yapısında yer alır. Çünkü elektron, en küçük kütleli parçacıktır; bozunarak dönüşebileceği daha hafif bir parçacıkolmadığından kararlıdır. Buna karşın müon, tau ve nötrinolar oldukça kararsız parçacıklar olduğundan, normal maddenin bir parçası olamazlar. Burada değinmemiz gereken bir başka nokta da, bu 6 adet leptonun her birinin bir de karşı-parçacığı olduğudur. Dolayısıyla toplamda 12 parçacık, bu konunun kapsama alanındadır. Karşı parçacık demek, bir parçacığın elektrik yükü olarak ters işaretlisi demektir. Örneğin, elektronun karşı parçacığı pozitron, pozitif yüklü elektrondur. 

1.Elektron ve Pozitron

Yunanca'da kehribar  anlamına gelen elektron, hepimizin bildiği gibi, (-) yüklü bir temel parçacık olup, kimyasal tepkimelerin yürümesinde en büyük rolü oynar. Elektronlar gözlemlendiğinde tanecik değil dalga özelliği gösterirler. Bütün atomların dış bölümü elektron tabakalarından oluşur ve her tabaka çekirdekten uzaklığına göre K, L, M, ... gibi harflerle adlandırılır. Elektronun  negatif yükü 1,6.10^-19 coulomb büyüklüğündedir. Kütlesi ise9,1.10^-31 kg veya 0,5MeV/c² olarak ifade edilir (bkz. MeVve ). Atom altı parçacıklar için açısal momentum olarak tanımlanabilecek spin olgusuna gelirsek, elektronun spini, 1/2değerindedir. 

Bütün bu sıkıcı rakamlardan sonra, eektronların belirli enerji seviyelerinde bulunduğunu söylemeliyiz. Bunun yanında, foton salınımı veya emilimi yaparak farklı seviyeler arasında geçişlerde bulunabilirler. (Fotonlar, ışığın temel birimi olup, tüm elektromanyetik ışınların kalıbıdır.) Elektron, elementin kimyasal özelliklerini belirlemesinin yanı sıra atomun manyetik özellikleri üzerinde de oldukça etkilidir. 

Elektronların atom içerisindeki yerine bakacak olursak, atomun yapısını açıklayan ve bugün için kabul edilen son teori, Kuantum Atom Teorisi'dir. Kuantum Atom Teorisi'ne göre, atom modeli Bohr'un atom modelinden farklıdır. Bohr Atom Modeli'ne göre, atomun merkezindeki çekirdeğin etrafında elektronlar, çember şeklindeki yörüngelerde dolanmaktadırlar. Herbir çember yörünge, belli enerji seviyesine sahiptir. Yörüngeler arası elektronik geçişler, atomun renkli görünmesine neden olur. Ancak belli bir zaman sonra Bohr'un atom modelinin, birçok olguyu açıklayamadığından yetersizliği ortaya çıkmıştır. Kuantum Atom Modeli'ne göre ise atomun merkezinde bulunan çekirdeğin etrafındaki elektronlar, belli bölgelerde, yani orbitallerde bulunurlar. Belli enerji seviyelerine sahip orbitaller, atomu oluşturan küresel katmanlarda bulunur. Birkaç portakal kabuğunun, iç içe geçmiş haline benzer şekilde, küresel katmanlardaki orbitallerin belli şekilleri ve açıları (yönelmeleri) mevcuttur. Orbitallerin bulunduğu katmanların enerji seviyelerinin başkuantum sayısı belirler. (n) = 1,2,3,... gibi tam sayılarla ifade edilir. Orbitallerin şeklini ise "l" (küçük L harfi) yan kuantum sayıları belirler. l = 0(s), 1(p), 2(d),. .(n-1) e kadar değerler alır. Orbitallerin doğrultularını(açılarını) veren ml yan kuantum sayısı ml=-l...0...+l değerlerini alır. Elektronların spinini gösteren ms kuantum sayısı da +1/2 veya -1/2 değerlerini alabilir. Sayılar kafa karıştırmış olabilir; ama korkmayın, çözülmeyen sorular ve simgeler henüz çok uzakta.

Öncelikle, (n)  ile ifade edilen enerji seviyeleri, elektronun bulunduğu kabukları gösterir. 1,2,3,4,... gibi değerleri alır ve (+) değerli bir tamsayıdır. Bu değerler büyük harflerle gösterilir: n=1 K kabuğunu, n=2 L kabuğunu, n=3 M kabuğunu, n=4 N kabuğunu, vs. gibi. Harflerle veya başkuantum sayıları ile de yazılan bu kabukların alt kabuklara ayrılması ile alt kabuk kuantum sayıları, bunların da alt yörüngelere ayrılması ile orbital kuantum sayıları oluşur. En rafine haliyle (n), elektronun kabuğunu ve çekirdeğe olan ortalama uzaklığını belirlemektedir. 

l ise, elektronun alt kabuğu ve orbitalinin şeklini verir. Verilen bir alt kabuğun her orbitali, aynı enerjiye sahip bir yapıdadır. Alt kabuk kuantum sayısı, sıfırdan başlayarak kaç tane alt kabuk varsa baş kuantum sayısının bir eksiğine (n-1) kadar numaralanır. Şöyle ki, n-1 (K) tabakası için 1 tane alt kabuk vardır. 1=0 diye numaraladığımızda ancak 1=0 numaralı alt kabuk kuantum sayılı alt kabuk olduğunu görüyoruz. n=2 (L) tabakası için iki alt kabuğun kuantum numaraları 1=0 ve 1=1 olacaktır. n=3 (M) tabakası için, üç alt kabuk vardır ve bu üç alt kabuğun kuantum ayıları 1=0, 1=1 ve 1=2 olacaktır. Fakat bu sayılar olmadan, alt kabuk kuantum sayılarının gösterimini daha da sadeleştirmek için, küçük harflerle gösterilirler. Örneğin, 1=0 yerine s, 1=2 yerine p, 1=3 yerine f, 1=4 yerine g, vs. harfleri kullanılır. Bu harfler, sharp, principal, diffuse. fundamental, vs. gibi atomik spektrumlardaki çizimlere ait kelimelerin baş harfleridirler. 

(ml) ile orbitalin yönelmesi belirtilir. Magnetik kuantum sayısı diye de adlandırılan bu kuantum sayısı, her bir alt kabukta bulunan orbitalleri belirler. Her bir alt kabuktaki orbital adedi, o alt kabuğun kuantum numarasının iki katının bir fazlası yöntemi ile bulunur (2n+1). 

Çift yaratılması olayının tersi. Elektron ve karşıt elektron çarpışıyor ve foton salınıyor.

Elektron hakkında fazlasıyla konuştuktan sonra, pozitrona geçebiliriz. Elbette ki elektronun karşıt parçacığı olan bu parçacık hakkında, elektron hakkında bildiklerimiz kadarını bilemiyoruz. Ancak yine de, anti parçacık kavramının ilk örneği olan pozitron, ilk olmasıyla bizlere bazı bilgileri, diğer anti parçacıklardan önce sunmuştur. Pozitronda yük pozitif olup, yükün şiddeti, kütlesi ve spini, elektronunkilerle aynıdır. 1928'de İngiliz fizikçi, Paul Dirac,Schrödinger denklemi üzerinde çalışırken elektronla aynı spinli, eşit kütleli fakat pozitif yüklü bir parçacığın da aynı denklemi sağlayacağı varsayımını ortaya attı. Bu varsayım, 1932 yılında Amerikalı deneysel fizikçi, Carl David Anderson tarafından gerçeklendi. Bu olayda yeterli enerjiye sahip bir foton, çekirdekle çarpıştığında, elektron ve pozitron ortaya çıkarıyordu. Buna, çift yaratılması denir. 

2.Müon ve Karşı Müon 

Elektrondan tek farkı, kütlesinin biraz daha fazla olması olan müon, genellikle bozunmalarda kendini gösterir. Özellikle son zamanlarda Higgs bozonu ile ilgili gelişmelerde, atom altı düzeyde zayıf kuvvetle ilgili olan iki Z bozonunun elektrona ve müona bozunması sırasında alınan sinyallerin, Higgs bozonu'na işaret etmesi de burada manidardır. Güçlü kuvvet dışındaki diğer tüm temel kuvvetlerle etkileşir. Bunlar da bilindiği gibi, zayıf kuvvvet, elektromanyetik kuvvet ve kütleçekimidir. 

Özel bir mikrokoptan müon gölgesi.

Karşı Müonun müondan tek farkı ise elektrik yüküdür. Karşı müon (+), müon (-) yüklüdür. Karşı müonun gözlemlenmesi, ancak kozmolojik düzeyde mümkündür. Buna rağmen, bazı parçacık hızlandırıcı laboratuvarlarında gözlemlendiği de bilinmektedir. 

3.Tau ve Karşı Tau 

Karmaşık parçacıkların bozunma, dönüşüm veya yok edilme süreçleri sırasında veya sonrasında ortaya çıkan parçacıklar, taulardır. Elektrik yükleri ve görece büyük kütleleri sayesinde, kolayca gözlemlenebilir; fakat ortaya çıktıktan sonra büyük bir hızla veya kısa bir sürede, daha hafif leptonlara, nihayetinde elektrona dönüşürler. Dolayısıyla, etrafımızdaki görünür maddenin yapısında hiç yer almazlar. Tıpkı diğer leptonlardan olan müon gibi. Tau hakkındaki bilgilerimiz sınırlı olduğundan, henüz karşı tau hakkında da kesin bilgilere sahip değiliz. Ancak diğerlerinde olduğu gibi, burada da yükünün, taunun yükünün ters işaretlisi, yani (+) olduğunu biliyoruz. 

Taunun diğer temel parçacıklara bozunumunun diyagramı.

Taular, tıpkı müonlar gibi, kütleçekimle, zayıf kuvvetle ve elektromanyetik kuvvetle etkileşirler. Zaten bu sebepten dolayı da, atmosferimizde çarpışmalar yaparak mikro düzeyde kara delikler oluşturdukları tahmin edilmektedir. 

4.Nötrinolar 

3 çeşit nötrino bulunduğuna, yazımızın başlarında değinmiştik. Bunları hatırlamak gerekirse: elektron nötrinosu, müon nötrinosu ve tau nötrinosu olarak tekrar edebiliriz. Çok küçük kütleleri ve olmayan elektrik yükleri ile ''kolaysa bizi yakalayın'' dercesine bilim insanlarına meydan okuyan parçacıklar, nötrinolar. Evrende her bir protona karşılık 700 milyon nötrino bulunsa da, gözlenmeleri için çok özel deney düzenekleri gerekiyor. Güneş’teki füzyon reaksiyonlarında rol alan nötrinoların, evrendeki madde/karşı-madde asimetrisinden de sorumlu olabileceği söyleniyor. Üç çeşit nötrinonun (elektron, müon ve tau nötrinoları) arasındaki çok ufak kütle farklarının, Büyük Patlama sırasında gerçekleşen atomaltı reaksiyonları etkileyeceği tartışılıyor. Bir nötron,  bir elektrona ve bir protona bozunduğunda, (yani beta bozunumu sırasında) elektron ve protonun momentumları toplamı, başlangıçtaki nötronunkine eşit değildir. Bu yüzden, kayıp momentuma karşı gelecek başka bir parçacık olmalıdır: o parçacık da nötrinodur. Bu çıkarım, nötrinoyu fizik dünyasına kazandıran Avusturyalı fizikçi, Wolfgang Pauli'den gelmişti. Pauli, beta bozunmasında ortaya çıkan protonun ve pozitronun (elektronun karşı-parçacığı) yanında, yüksüz ve küçük kütleli bir parçacığın daha olması gerektiğini, 1930 yılında ileri sürmüştü. Hatta nötrinoyu tarif ettikten sonra şu ifadeleri kullandı:

    ''Öyle bir parçacığın var olduğunu ileri sürdüm ki; belki hiç keşfedilemeyecek!’'' 

Pauli, bu son cümlesi hariç, söylediklerinde haklı çıktı. Bu tezinden 26 yıl sonra, yani 1956 yılında, Clyde L. COWAN ve Frederick REİNES, nötrino-madde etkileşimlerini ilk kez gözlemledi ve böylece nötrinonun varlığı ispatlanmış oldu. Sonraki araştırmalar, doğada üç çeşit nötrino olduğunu gösterdi: elektron nötrino, müon nötrino ve tau nötrino. Nötrinonun keşfinden sonra yapılan çalışmalar, nötrinonun sırlarını çözerek mevcut kuramsal bilgilerin sınanmasına yönelikti. Özellikle Güneş'ten gelen nötrinolarla yapılan çalışmalar, nötrinonun diğer atomaltı parçacıklardan farklı  bazı özelliklere sahip olabileceğini gösterdi. Güneş’teki nükleer füzyondan dolayı her hidrojen yanması sonucunda iki nötrino açığa çıkar. Adeta görünmez bir sağanak yağmur gibi saniyede trilyonlarca nötrino vücudumuza girer ve çıkar. Nötrinolar çok zayıf etkileştikleri için bu nötrino yağmurunun bize hiçbir zararı yoktur.

Güneş’ten gelen bu kadar çok nötrinonun sayısını ölçmeye yönelik ilk çalışmalar Raymond Davis ve ekibi tarafından yapıldı. 1960’lı yıllarda başlayan bu çalışmalarda, Güneş’ten gelen nötrinoların sayısının tahmin edilenden daha az olduğu görüldü. Bu durum akla şu üç olasılığı getirdi: Ya bilim insanları yanlış ölçümler yapıyordu ya da yapılan kuramsal hesaplar yanlıştı. Son ihtimal ise nötrinonun Güneş’te oluştuktan sonra bilmediğimiz bir etkileşim yaparak farklılaşıyor olabileceğiydi. İhtimaller arasında yer alan, kuramsal hesapların yanlış olma olasılığı hayli düşüktü, çünkü mevcut modelin birçok öngörüsü doğrulanmış ve hayli başarılı sonuçlar elde edilmişti. Bilim insanlarının yanlış ölçümler yapma ihtimali ise tabii vardı. Fakat benzer ölçümler farklı teknikler kullanılarak birçok kez yapıldı ve elde edilen sonuçların hepsi aynı probleme işaret ediyordu, yani Güneş’ten gelen nötrinoların sadece %40’ı Dünya’ya ulaşabiliyordu. Solar nötrino problemi olarak literatüre geçen bu problemin çözümü içim kuramsal birtakım modeller üretildi. Bunlardan en ilgi çekici olanı İtalyan fizikçi,Bruno Pontecorvo tarafından 1957 yılında daha solar nötrino problemi bile bilinmezken ortaya atılmıştı. Pontecorvo, nötrinonun salınım yaparak karşı-nötrinoya (nötrinonun karşı parçacığı) dönüşebileceğini ileri sürdü. 1962 yılında ise Japon fizikçi Ziro Maki, nötrinonun başka bir nötrinoya, örneğin elektron nötrinonun müon nötrinoya veya tau nötrinoya salınım yaparak dönüşebileceği fikrini ortaya attı. Dolayısıyla nötrino salınım yapıyorsa, elektron nötrinonun bir kısmı  doğduğu noktadan Dünya’ya gelene kadar metamorfoza uğrayıp başka bir nötrinoya dönüşüyor, bu farklılaşmadan dolayı elektron nötrino sayısında bir azalma meydana geliyor. Bu olayın doğruluğuna dair ilk ipucu 1998 yılında Süper Kamiokande deneyinde bulundu. Üstelik  nötrinoların salınımda bulunduğu bizzat görülmüştü. Takip eden yıllarda yapılan deneyler de Süper Kamiokande’yi doğruladı.

Bu gözlemlerin doğruluğundan emin olabilmenin tek yolu, nötrinonun salınım sonrası halinin fotoğrafının elde edilmesiyle mümkün olabilirdi. Örneğin, hızlandırıcılar kullanılarak oluşturulan müon nötrino, salınım yaparak, diyelim ki tau nötrinoya dönüştü; eğer tau nötrinoyu fotoğraflayabilirsek salınımın gerçekleştiğinden %100 emin olabiliriz. Bunu yapabilmek için kullanacağımız algılayıcılar hem müon nötrinoya hem de tau nötrinoya duyarlı olmalıdır. Böyle bir algılayıcı, İtalya’daki Gran Sasso yer altı laboratuvarı'nda kuruldu. OPERA (Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus - Emülsiyon izleme Aparatı ile Salınım Projesi) adı verilen ve müon müon nötrinonun tau nötrinoya salınımını gözlemlemek için tasarlanan bu algılayıcının yapımında, 12 ülkeden yaklaşık 170 bilim insanı görev aldı. Orta Doğu Teknik Üniversitesi'nden de bir ekibin de katıldığı bu projede, algılayıcının yapımı 2008 yılında tamamlandı. Deneyde kullanılan nötrino demeti ise Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi’nde (CERN) üteriliyor. CERN-SPS (Super Proton Synchrotron - Süper Proton Sinkrotronu) hızlandırıcısında, hızlandırılan protonların bir hedefe çarptırılması sonucu oluşan pion ve kaon gibi parçacıkların bozunumlarından müon nötrino açığa çıkmaktadır. Yüksüz olduğu için elektromanyetik etkileşim yapmayan nötrino, yörüngesinde herhangi bir sapma olmadan Alpler'i aşarak, İtalya’daki Gran Sasso laboratuvarı'na ulaşıyor. Nötrino, 732 km’lik bu yolculuğu 2,4 milisaniyede tamamlıyor. OPERA ekibi, algılayıcıya çarpan bu nötrinoların etkileşimlerini analiz etmek için 2 yıldır yoğun olarak çalışıyordu. Bu uğraş, ilk meyvesini 2010 yılında vermişti ve CERN’den yollanan trilyonlarca müon nötrinodan birinin, bu yolculuk esnasında tau nötrinoya dönüştüğü ilk kez doğrudan gözlemlenmişti. Nötrinolar, 732 km'lik bu yolculuğu, ışıktan 6 nanosaniye önce tamamlıyor gibi görünüyordu!

OPERA'da yapılan deneylerden, geçtiğimiz yılın sonlarına doğru yükselen ışık hızını aşan parçacık seslerinin birer birer hayal kırıklığına dönüşmesi ise uzun sürmedi. Hız ölçümünde kullanılan atom saatleri ve GPS cihazları arasındaki bir senkronizasyon sorunundan dolayı, hesaplamalar da yanlışlanmak zorunda kalınmıştı. Kısacası, ışık hızı yine aşılamamış; büyük deha, Albert Einstein, kalesini yine usta bir komutan gibi savunmuştu!

Umarız faydalı olmuştur, 

Sevgiler.

EO(Yaşamın Kökeni)  

Read more