Eğer kuarklar ve gluonlar serbest parçacıklar olarak izole edilebilseydi, hadronların yapısı ve özellikleri nasıl etkilenirdi?

Question

Normalde kuarklar ve gluonlar bildiğiniz gibi renk hapsi denilen bir şey yüzünden serbest kalamıyorlar, hep proton ya da nötron gibi parçacıkların içinde duruyorlar. Ya böyle bir kısıtlama olmasaydı, hadronların kütlesi, yükü, spini ya da etkileşimleri nasıl değişirdi? Yani kuarklar serbest kalsa her şey farklı olur muydu ve olsa nasıl olurdu?

Sabri Küsüroğlu · Accepted Answer

Eğer kuarklar ve gluonlar kendi başlarına izole edilebilseydi, atom altı parçacıkların, hatta madde dünyamızın görünümü muazzam ölçüde farklı olurdu. Kuantum renk dinamiği (QCD) sayesinde kuarklar ve gluonlar “renk hapsi” denen güçlü bir kuvvetle birbirlerine bağlı kalıyor ve özgürce dolaşamıyorlar. Bu kuvvet öylesine güçlü ki, kuarkları ya da gluonları bir hadronun (proton ya da nötron gibi) dışına çıkarmaya çalıştığınızda, aradaki enerji hattı geriliyor ve sonuçta yeni kuark çiftleri oluşuyor. Fakat hayal edelim: Eğer renk hapsi ortadan kalksaydı, bu mini dünyada bambaşka fizik kuralları işlemeye başlardı.Öncelikle, kuarkların serbest kalması durumunda hadronların kütlesi büyük ölçüde değişirdi. Hadronların kütlesinin büyük bir kısmı kuarklardan değil, kuarklar arasındaki güçlü etkileşimden kaynaklanır. Renk kuvveti, hadronların içinde enerji olarak birikir ve Einstein’ın meşhur formülüne göre bu enerji kütleye dönüşür. Kuarkların serbest kalması, bu enerji katkısını ortadan kaldırır ve böylece hadronlar ya çok daha hafif olurdu ya da stabil yapılar olarak varlıklarını sürdüremezlerdi. Yani, kütlelerin büyük kısmı bir anlamda “buharlaşır” ve atom altı parçacıklar bildiğimiz yapısını kaybederdi. Nobel ödüllü fizikçi Richard Feynman’ın da dediği gibi, “Doğa, hayal edebileceğimizden daha derin, daha sofistike.”Yalnızca kütle değil, hadronların elektrik yükü, spin gibi özellikleri de radikal değişimlere uğrardı. Kuarklar normalde birlikte durduklarında belirli bir yük dengesi sağlarlar. Ancak serbest olduklarında, daha önce hiç gözlenmeyen fraksiyonel yükler etrafta dolaşmaya başlardı. Bu, atom çekirdeklerinin elektriksel yapısını kökten değiştirir ve bildiğimiz kimyasal elementler ortadan kalkabilirdi. Çünkü fraksiyonel yüklerle kimyasal bağlar bambaşka dinamiklere sahip olurdu.

Dahası, serbest kalan kuarklar ve gluonlar nedeniyle, atom altı etkileşimlerin doğası tamamen farklı bir hâl alırdı. Protonlar ve nötronlar gibi yapılara bölünemeyen parçacıklar olmazdı, dolayısıyla nükleer kuvvet, bildiğimiz anlamda var olamazdı. Bu durumda, madde stabil olamaz, sürekli parçalanmaya devam ederdi. Bir başka deyişle, renk kuvvetinin kaybolmasıyla kuarkların farklı kombinasyonlarla bir araya gelerek stabil yapılar oluşturma eğilimi de ortadan kalkardı. Kuarkların ve gluonların serbest kalması, doğrudan doğruya maddenin yapı taşı olan proton ve nötronları tamamen ortadan kaldırabilirdi.Serbest kuarklar ve gluonlar, etraflarında sürekli olarak yeni parçacıklar oluşturarak karmaşık bir parçacık denizi meydana getirebilirlerdi. Öyle ki, bu durumda evrenin yapısına dair tamamen yeni bir model geliştirmek gerekirdi. Bu da bilim dünyasında yeni teorilere, yeni sorulara ve belki de şu an hayal bile edemediğimiz yeni keşiflere yol açabilirdi. Bu hayali senaryoda, evren, Newton’un dediği gibi “anlayışımızın ötesinde bir okyanus” hâline gelirdi.Daha geniş bir perspektiften bakıldığında, kuarklar ve gluonlar serbest olsaydı evren büyük bir “kuark denizi”ne dönüşebilir ve enerji dengeleri tamamen bozulabilirdi. Belki de evrende madde, kararlı yapılar kuramaz, yerine sürekli hareket eden ve dönüşen bir enerji kaosu ortaya çıkardı. Kuarkların özgürlüğü, evrendeki maddenin, yıldızların ve galaksilerin varlığı için gerekli olan dengeyi temelden bozardı. Evren, tıpkı bir bulmacanın eksik parçaları gibi düzensiz ve geçici yapılarla dolu olurdu.[1][2][3][4][5]
  Kaynaklar

M. A. Shifman, et al. (2002). Qcd And Resonance Physics. Theoretical Foundations. Elsevier BV, sf: 385-447. doi: 10.1016/0550-3213(79)90022-1.  | Arşiv Bağlantısı

D. J. Gross, et al. (2002). Asymptotically Free Gauge Theories. I. American Physical Society (APS), sf: 3633-3652. doi: 10.1103/PhysRevD.8.3633.  | Arşiv Bağlantısı

H. D. Politzer. (2002). Reliable Perturbative Results For Strong Interactions?. American Physical Society (APS), sf: 1346-1349. doi: 10.1103/PhysRevLett.30.1346.  | Arşiv Bağlantısı

L. D. Faddeev, et al. (2003). Feynman Diagrams For The Yang-Mills Field. Elsevier BV, sf: 29-30. doi: 10.1016/0370-2693(67)90067-6.  | Arşiv Bağlantısı

F. Halzen, et al. Quarks And Leptons: An Introductory Course In Modern Particle Physics. ISBN: 9780471887416.

İlhan Taşlı · Answer

Sorunuzu gördüğümde çok detaylı bir cevap vermem gerektiğini düşünmüştüm, fakat işin içinde hadronlar, baryonlar, kuarklar, gluonlar, renk hapsi vesaire girince konu çok karıştı. Sonra düşündüm ve "vereceğim cevap eğer herkesin anlayabileceği şekilde olursa daha efektif olur" dedim. Konumuza gelirsek: Modern fizik (kuantum mekaniği) ne diyor" evrende var olan sadece uzay-zaman ve kuantum alanlardır". Peki bu ne demek? Biliyorsunuz kuantum fiziğinde "parçacık, tanecik" gibi ifadeler kullanıyoruz. Ama gerçekten ortada bir parçacık veya tanecik yok ki. Konuya biraz hakim olanların "ya bırak şimdi, çift yarık deneyinde gözlem yapınca dalga fonksiyonu çöküyor, tanecik özelliği çıkıyor veya Einstein fotoelektrik deneylerinde, fotonların tanecik özelliğini gösterdi, hatta bu çalışması ile Nobel aldı, meydanı boş buldun sallıyorsun" dediğinizi duyar gibiyim. Sizler benim için çok daha sert ifadeler kullanmadan konuyu biraz açalım: Aslında yukarıda bahsettiğim iddiayı ilk ortaya atan Dirac. Bu sevgili bilim adamımız, Newton'un tanecikleri ile Faraday'ın alanlarını birleştirip, Maxwell denklemlerini üzerine sos yapmış ve o meşhur, sadece bir kaç matematikçinin anlayabileceği (Sena Hanım baksa anlar kesin) dehşetengiz denklemlerini yayınlamıştır. Denklemlerin sonucu bize şunu anlatıyor: Elektromanyetik alanın kuantumları olduğu gibi, parçacıklarda bir alanın kuantumlarıdır. Tüm alanlar ancak etkileşim anında bu tanecikli etkiyi gösterir. Elbette Dirac Denklemleri o dönem için hipotezden ibaret görünse de, takip eden süreçte yapılan pek çok deney "taneciklerin; alanların farklı kuantum özelliklerinden ibaret olduğunu" göstermiştir.

Sonuç olarak: Elektron, kuark, müon, nötron, Higgs parçacığı gibi yaklaşık 15 alan tanımlanmıştır. Elbette her parçacığı, diğer parçacıklardan ayıran farklı alan özellikleri vardır. Yani klasik anlamda bildiğimiz zaman akışı içerisinde uzayda hareket eden parçacıklar yoktur, bunun yerine kendine has özellikleri ile uzay-zamanda bulunan "kuantum alanlar" vardır. Ve fark ettiyseniz buradan bir sonuca daha varırız. Gerçek ve varlık dünyası olarak görebildiğimiz her şey "alanlar arası ilişkiye/etkileşime" indirgenmiştir.Buradan çıkarabileceğimiz bazı sonuçlara göre artık sorumuza odaklanabiliriz. Kuarklar tek başlarına izole edilebilseydi ne olurdu? Aslında Büyük Hadron (CERN) çarpıştırıcısında proton ve anti proton çarpıştırılarak bunlar elde edilebiliyor. Fakat kuark doğası gereği sadece bir anlığına bu şekilde kalabiliyor (10-25 saniye kadar bir şey sanırım), çarpışmanın etkisi ile açığa çıkan enerji neticesinde  oluşan veya protonlardan ayrılan kuarklar ile tekrar hadronlara dönüşüyor veya başka parçacıklara bozunuyor (dikkat bir etkileşim yaşandı ve kuantum alan özellikleri değişerek başka şeyler görmeye başladık). Buna neden olan şey kuarkın kuantum alan özellikleri. Çok detaya girmeden anlatmaya çalışayım: Biliyorsunuz temelde  elektrik ve manyetik alan olarak iki temel yük var, fakat bu kuarklarda 3 adet, işte bu 3 farklı yük Standart Modelde var olan dört temel kuvvetten, güçlü nükleer kuvvete neden olur.Güçlü Nükleer Kuvvet: kuarkları protonlara, nötronlara ve diğer hadron parçacıklarına hapseden temel bir etkileşimdir. Ayrıca nötronları ve protonları bağlayarak atom çekirdeklerini oluşturur. Bir proton veya nötronun kütlesinin çoğu güçlü etkileşim enerjisinin sonucudur. Normalde serbest bir kuark protonun kütlesinin %1'i bile değildir ve sadece 3 kuark var ise proton nasıl bu kadar yüksek kütle kazanabilir? İşin sırrı 3 kuark arasındaki güçlü enerjiden kaynaklanır (enerji ve kütlenin birbirlerinin tezahürü olduğunu hatırlayalım). Diğer kuvvetler ile kıyaslarsak; 10-15 metre mesafede elektromanyetizmanın yaklaşık 100 katı , zayıf etkileşimin 106 katı ve kütle çekiminin 1038 katı kadar güçlüdür. Dört temel kuvvet içinde bu denli güçlü olmasına neden olan şey; bahsettiğimiz 3 farklı kesirli yükten kaynaklanır. Bu yükler genelde farklı renk ile anlatılır (±kırmızı, ±yeşil ve ±mavi, eksi olanlar anti kuarklar için), gluonlar burada devreye girer ve her biri bir renk yükü taşıyarak kuarklar arası etkileşimi sağlar. Şimdi bu karışık konuyu biraz daha somut hale getirelim: Yüklerin kesirli olmasından bahsetmiştik. Bir bütünün ortaya çıkması için kuarkların bu kesirli yükü tam pozitif veya tam negatif o da olmadı nötr yüke çevirmesi gerekir, ya bozunarak tam/nötr yüke dönecektir, ya da tekrardan bir hadron oluşturarak diğer kuarklar ile tam yüke dönecektir. Aksi halde var olması imkansızdır. Ya da farklı elektromanyetik uzay içeren başka bir evrende var olabilir.Sonuç olarak: Kuarkları izole edemeyiz. Eğer izole edilebiliyor olsalar hadronlar, devamında atom çekirdekleri oluşamazdı. Yani bilinen madde ve evren bambaşka bir şey olurdu ve bu şeyi anlatabilmek benim hayal gücümün çok ötesinde.

Eğer kuarklar ve gluonlar serbest parçacıklar olarak izole edilebilseydi, hadronların yapısı ve özellikleri nasıl etkilenirdi?

Kaynaklar

İlgili Yazılarımız

Kimyasal Evrime Giriş: Canlılık ve Cansızlık Nedir, Ne Değildir? Canlılar ile Cansızlar Arasındaki Farklar Nelerdir?

Eğer kuarklar ve gluonlar serbest parçacıklar olarak izole edilebilseydi, hadronların yapısı ve özellikleri nasıl etkilenirdi?

Kaynaklar

İlgili Yazılarımız

Kimyasal Evrime Giriş: Canlılık ve Cansızlık Nedir, Ne Değildir? Canlılar ile Cansızlar Arasındaki Farklar Nelerdir?