Temel Parçacıklar Nelerdir?

Yazdır Temel Parçacıklar Nelerdir?

Boyutları olmadığı halde birbirleriyle etkileşimleri yoluyla çevremizdeki dünyayı oluşturan nesneleri ilk kez tanımlayanların Antik Yunanlılar olduğu iddia edilir. Mikroskopların artan gücü sayesinde, dünyayı çok küçük detaylarıyla gözlemleyebildiğimiz için bu nesnelerin neden yapıldığını merak etmemiz çok doğaldır. 

Bulduğumuz bu nesnelerin bazılarına "atom altı parçacıklar" ya da "temel parçacıklar" adı verilir.  Bu nesnelerin boyutu olmadığı için, onları oluşturan alt yapılar da bulunmamaktadır. Yani atomun bölünemeyeceğini iddia etmemizin fiziksel bir nedeni yoktu; ancak atom altı parçacıkların nihai sınır olduğu hakkında en azından şu anda bildiğimiz fizik dahilinde tutarlı bir nedenimiz var. Şimdiki işimiz ise bu parçacıkların özelliklerini araştırmak ve evreni meydana getiren maddeleri bulmak için onlardan faydalanmaya çalışmak. 

İki tür temel parçacık vardır: madde parçacıkları ve kuvvet parçacıkları. Madde parçacıklarından bazıları etrafımızdaki dünyayı oluşturacak şekilde birleşirler. Kuvvet parçacıklarından biri olan foton ise elektromanyetik yayılımdan sorumludur. Bu temel parçacıklar, maddenin temel yapı taşlarının temel kuvvetler tarafından yönetilerek, birbirleri ile nasıl etkileştiklerini kuramlayan Parçacık Fiziği'nin Standart Modeli içinde sınıflandırılmıştır. Madde parçacıklarına fermiyon adı verilirken, kuvvet parçacıklarına bozon denir. 

Madde parçacıkları: Kuarklar ve Leptonlar

Madde parçacıkları iki gruba ayrılır: kuarklar ve leptonlar. Bunlar 6 tanedir ve her birinin karşılığı olan eşleri vardır. Leptonlar 3 çifte ayrılır. Her çift, yüklü ve yüksüz temel bir parçacığa sahiptir. Yüksüz parçacık daha hafiftir ve tespit etmesi son derece zordur. Bu çiftlerin en hafifi, elektron ve elektron-nötrino çiftidir. 

Yüklü bir parçacık olan elektron, elektrik akımından sorumludur. Yüklü elektronun, elektron-nötrino olarak bilinen, yüksüz eşi, Güneş'in içinde bol miktarda üretilir ve çevrelerindeki maddeyle çok az etkileşim içinde olduklarından Dünya'nın içinden hiç bir engele takılmadan geçer. Bunların milyonlarcası, vücudumuzun her santimetre karesinden, her saniye, gündüz ve gece geçip gider! 

Süpernova patlamaları sırasında, elektron-nötrinolar hayal edilemeyecek kadar çok üretilir ve bu parçacıklar, evrene çekirdek tepkimeleri sonucu üretilen elementleri dağıtır. Bu elementler, bizleri oluşturan karbonu, soluduğumuz oksijeni ve Dünya üzerindeki neredeyse her şeyi içerir. Bu nedenle nötrinolar, diğer temel parçacıklarla etkileşme isteksizliklerine rağmen, varlığımız için son derece önemlidir. Diğer iki nötrino çifti (müon ve müon-nötrino, tau ve tau-nötrino) elektronun daha ağır örnekleri olarak bilinir.

Normal madde bu parçacıkları içermediği için, bunların gereksiz yere kafa karışıklığına neden olduğunu düşünebilirsiniz. Ancak, büyük patlamayı takip eden ve Lepton Çağı adı verilen ilk on saniyelik sürede, içinde yaşadığımız evrenin yapısını oluşturmak için kritik bir role sahiptiler. 

Altı adet kuark da tuhaf adlarıyla üç çifte ayrılır: “yukarı’’ ile “aşağı’’, “sevimli’’ ile “tuhaf’’ ve “üst’’ ile “alt’’ (önceden “gerçek’’ ve “güzel’’ olarak anılıyorlardı, ne yazık ki bu isimlendirme değiştirildi). Aşağı ve yukarı kuarklar, her atomun kalbinde bulunan proton ve nötronları oluşturacak şekilde birleşirler. Sadece kuark çiftlerinin en hafifi olan aşağı ve yukarı kuarklar normal madde içinde bulunurlar. Sevimli/tuhaf ve üst/alt çiftlerinin şu andaki evrende oynadıkları bir rol yok gibi görülmektedir; ama ağırlığı daha fazla olan leptonlar gibi, evrenin ilk anlarında bizi meydana getiren evreni oluşturmada görev almışlardı. 

Kuvvet Parçacıkları

Standart Model'de, madde parçacıkları arasındaki etkileşimi yaratan 6 tane kuvvet parçacığı vardır. Bunlar 4 temel kuvvete ayrılırlar: kütleçekimi, elektromanyetik, güçlü çekirdek kuvveti ve zayıf çekirdek kuvveti. Foton, bir ışık parçacığıdır ve yüklü bir nesneden diğerine geçen foton akışının oluşturduğu elektriksel ve manyetik alanlardan sorumludur. Gluon ise, kuarkları bir arada tutarak proton ve nötronu oluşturan ve sonraki aşamada bu proton ve nötronları da bir arada tutarak yapıca daha ağır çekirdeği oluşturan kuvveti üretir.  Ara vektör bozonları olarak bilinen, "W pozitif", "W negatif" ve "Z sıfır" adlı üç parçacık  radyoaktif bozunum ve Güneşin parlamasına neden olan süreçlerden sorumludur. Altıncı kuvvet parçacığı olan gravitonun kütle çekiminden sorumlu olduğuna inanılır ama henüz gözlemlenememiştir. 

Bilimkurgunun Gerçekliği: Anti-madde

Anti-maddenin varlığından haberdarız. Bilimkurgu yazarlarının çok sevdiği bir konu olmasına karşın anti-madde gerçekten de vardır ve sıklıkla gözlemlenmiştir. Örneğin pozitron (elektronun anti parçacığı), pozitron emisyon tomografisi (PET) ile iç organlarımızın görüntülenmesi için tıpta kullanılır. Bir parçacık, kendisinin anti parçacığı ile karşılaştığında birbirini yok eder ve bir enerji patlaması üretir. Bir PET tarama cihazı bu özelliği kullanarak görüntü üretir.

Her madde parçacığının aynı kütlede ama karşıt yükte bir eş parçacığı vardır. Bu yüzden, madde parçacıklarını iki katına çıkardığımızda, 24 sayısına ulaşırız (altı kuark ve altı lepton). Madde kuarklarına +1 sayı değerini ve anti-madde kuarklarına -1 sayı değerini veririz. Madde kuark sayısına anti-madde kuark sayısını eklersek, evrendeki net kuark sayısını elde ederiz. Bu sayı asla değişmez. Eğer yeteri kadar enerjiye sahipsek, bir anti-madde kuarkını üretebildiğimiz sürece aynı anda madde kuarklarından herhangi birini üretebiliriz. Evrenin ilk anlarında, bu parçacıklar aralıksız üretiliyordu; şimdiyse sadece, kozmik ışınların gezegen ve yıldızların atmosferleriyle çarpışması yoluyla oluşuyorlar.

Ünlü Higgs Bozonu: Sözde "Tanrı Parçacığı"

Parçacık fiziğinin standart modeli içinde şu ana kadar bahsettiğimiz listeye eklenecek son bir parçacık daha kaldı: Higgs Parçacığı, Tanrı Parçacığı ya da bilimsel adıyla Higgs Bozonu... 50 yıl önce Peter Higgs tarafından var olduğu tahmin edilen bu parçacığın 2012’de CERN’de keşfedilmesi Peter Higgs ve Francois Englert’a Nobel Ödülü kazandırmıştı. Bilim insanları yıllar yılı, olması gerektiğinden emin oldukları bu parçacığa "Tanrı'nın Laneti Parçacık" ya da "Lanet Olası Parçacık" (God Damned Particle) lakabını takmışlardı. Ancak makale editörleri bu isimlendirmeyi saldırgan bularak reddetmişti ve yumuşatılmasını istemişti. Bunun üzerine, İngilizcede bir nevi argo olarak görülen "damned" (lanet) sözcüğü tanımdan çıkarıldı ve parçacık, "God Particle" (Tanrı Parçacğı) olarak popülerleşti.

Higgs Bozonu tuhaf bir parçacıktır. Standart Model parçacıklarının ikinci en ağırıdır ve tarifi de hiç  kolay değildir. Cisimlerin kütle sahibi olmasının nedeninin genelde Higgs Bozonu olduğu söylenir. Bu ifade hem doğru, hem de yanıltıcıdır. Higgs'in kuarklara kütle kazandırdığı doğrudur. Kuarklar da, proton ve nötronları meydana getirir. Ancak proton ve nötronun toplam kütlesinin sadece %2'si kuarklar tarafından sağlanır. Geri kalanı oluşturan, gluonların enerjisidir. 

Buraya kadar, Standart Model için gerekli olan tüm parçacıkları saydık: 6 adet kuvvet parçacığı, 24 adet madde parçacığı ve 1 adet Higgs parçacığı: toplamda 31 temel parçacık. Bunlar hakkında edindiğimiz bilgiye karşın, tam olarak ölçemediğimiz özelliklerinden dolayı, tüm bu parçacıkların çevremizde gördüğümüz evreni inşa etmek için gerekli olan her şey olduklarını henüz söyleyemiyoruz ve sorularımızın karşılıklarına henüz sahip değiliz. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndan elde edeceğimiz veriler, bu özelliklerin bazılarıyla ilgili ölçümlerimizi geliştirmemize izin verecek. Ama başka bir şey daha var...

Kuram Hala Yanlış!

Oldukça güzel ve işlevsel bir kuram olan Standart Model, 20 yıldan fazladır tekrar tekrar test edildi ve hala tahminlerimizle çelişen bir ölçümle karşılaşmadık. Ama Standart Model'in yanlış olması gerektiğini biliyoruz! 2 temel parçacığı çarpıştırdığımızda, bir dizi olası sonuç ortaya çıkar. Kuramımız herhangi bir sonucun oluşabileceğini şu anda hesaplamamıza izin veriyor; ancak, şimdiye kadar ulaşabildiğimiz enerji seviyelerinin ötesinde bazı sonuçların oluşma olasılığının %100'den büyük olduğunu öngörüyor. Ki bu, fark edebileceğiniz gibi, açık bir biçimde anlamsızdır!

Kuramsal fizikçiler, tüm enerji seviyelerinde anlamlı cevaplar veren bir kuram oluşturmak için çok fazla uğraştılar. Ama Standart Model test edildiği her durumda aynı cevapları verdi. Kuramdaki en genel değişiklik, henüz keşfedilmemiş çok ağır parçacıkların varlığına işaret ediyor. Ağır olmaları, onları üretmek için çok fazla enerjinin gerekli olacağı anlamına gelir. Oluşturulacak yeni kuramın tüm enerji seviyelerinde anlamlı cevaplar verdiğini garantilemek için bu ekstra parçacıkların özellikleri seçilebilir; ancak bunların Standart Model ile çok iyi uzlaşan ölçümler üzerinde pek de etkisi olmayacaktır. 

Keşfedilmemiş ve henüz gözlemlenmemiş parçacıkların sayısı, hangi kuramı doğru varsaydığınıza bağlıdır. Bu kuramların en popüler sınıfına Süpersimetri Kuramı denir. Tüm gördüğümüz parçacıkların, çok daha ağır birer eşleri olduğunu öngörür. Ancak bunlar çok ağır olursa, o zaman bu parçacıkları bulmak için üretmemiz gereken enerji seviyelerine ulaşmakta sorun yaşayacağız. Yine de Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın ulaşabildiği enerji seviyesi o kadar yüksek olacaktır ki, keşfi beklenen yeni parçacıkların ortaya çıkmaması tüm Süpersimetri Kuramları'na derin bir darbe vurabilir.

Bekleyip göreceğiz...

Teşekkür: Bu yazıyı hazırlayan Gizem Görünmez'e teşekkür ederiz.

Düzenleyen: Hakan Ersöz 

Geliştiren: ÇMB 

Kaynak: The Conversation

6 Yorum

Giriş




Tavsiye Edilenler

Bilim Eğlencelidir!

En Aktif Yazanlar

İnsan Türüyle İlgili Gerçekler