Atom Dünyasına Yolculuk / Bölüm 3 (Standart Model)

Atom Dünyasına Yolculuk / Bölüm 3 (Standart Model)

Şimdilerde “popüler bilim” başlığı altında yayımlanan kitaplara biraz ilginiz varsa eğer, büyük olasılıkla “Standart Model” kavramını duymuşsunuzdur. Peki Standart Model neyi ifade eder ? Standart model kısaca: Yunan filozof Demokritos’un “her şey atomdan oluşur” görüşüyle başlayan bilim selinin, günümüzdeki durağıdır. Ayrıca bu model, fizikçilerin “her şeyin teorisini” aradıkları yoldaki deneme sürüşüdür. Standart Modelde yer alan temel parçacıkların hikayesini anlatmadan önce, sizlere bazı temel bilgiler vermek istiyorum.

İki Tür Parçacık

Başlıktan da anlayacağınız üzere parçacıkları temelde ikiye ayırıyoruz: Fermion ve Bozon. Fermion olarak adlandırdığımız parçacıklar, maddeyi oluşturan parçacıklardır; telefon, masa, cüzdan, dünya… Bozon olarak adlandırdığımız parçacıklar ise, temel kuvvetleri taşıyan parçacıklardır. Örneğin; Kütleçekim kuvveti -> graviton , elektromanyetik kuvvet -> foton…

Bu iki türün arasındaki fark: Fermionların yer işgal etmesi, bozonların ise üst üste yığılabilmesidir. Kuantum mekaniği yasaları , fermionların üst üste yığılabilmesine izin vermez. (bkz: Pauli Dışlama İlkesi)

Sırasıyla keşfedilenler (daha doğrusu öngörülen), elektron, proton, nötron ve nötrinodur. Bu 4 parçacıktan elektron ve nötrino kütleleri sebebiyle, Yunanca’da küçük, hafif anlamına gelen “lepton” kelimesi altında sınıflandırılırken, proton ve nötron “büyük, ağır” anlamına gelen “hadron” kelimesi altında sınıflandırılmıştır.
20.yüzyılda , kuantum fiziği doğrultusunda elde ettiğimiz olgulardan birisi; tüm farklı parçacıkların aslında alanlardan doğuyor olmasıdır. Bu kuantum alan kuramıdır; parçacık fizikçilerinin yaptığı her şeyin altında yatan çerçeve budur. Kuantum alan kuramına göre, mutlaka her şey bir alan ya da alanlar bileşiminden oluşur. “Parçacık” dediklerimiz, bu alanlardaki minik titreşimlerdir. Standart Modelde sözünü ettiğimiz her parçacık, en nihayetinde, belli bir alanda titreşen bir dalgadır. Örneğin, elektromanyetizmayı taşıyan fotonlar tüm uzaya yayılan bir elektromanyetik alandaki titreşimlerdir. Gravitonlar ise kütleçekim alanındaki titreşimler vs. Ses dalgalarının havada yayılması gibi, titreşimler kuantum alanlarında yayılır ve biz de bunları parçacık olarak gözlemleriz. Bu bilgiler, mikro ve makro evreni bir arada değerlendirmemizi sağlayacak temel teorik bilgilerdir. Şimdi asıl konumuza odaklanabiliriz.

Karşı-Madde

1920’li yılların sonuna geldiğimizde, elimizde üç adet fermion vardı: Elektron, proton ve nötron. O yıllarda, bu üç parçacık, bazı fizikçiler tarafından her şeyin inşa edildiği temel lego blokları olarak hayal ediliyordu. Ancak, fermionların işleyişini kavrayan Paul Dirac, elektronu tanımlayan bir denklem yazdı. Dirac denkleminin sonuçlarından biri, her ne kadar fizikçilerin bunu kabullenmeleri uzun sürdüyse de, her fermionun “karşı-madde” verilen, karşıt türde bir parçacıkla bağıntılı olduğuydu. Karşı madde parçacıkları madde karşılıklarıyla tamamen aynı kütleye ama zıt elektrik yüküne sahiptiler. Paul Dirac çok fazla eleştiriye tutulmadan, 1932’de, Amerikalı fizikçi Carl Anderson elektronun karşı parçacığı olan “pozitronu” keşfettiğinde, Dirac’ın kuramı gerçeklik haline geldi.

Nötrinolar

Karşı madde kuramı doğrultusunda, elimizdeki üç fermion sayısı 6 ya çıkmış oldu, bunlar: elektron – pozitron, proton- karşı proton ve nötron-karşı nötron. Parçacıklar bu kadarla da sınırlı değildi. Nötron bozunduğunda ortaya hangi parçacıklar çıkar? Sorusu üzerine yoğunlaşan fizikçiler, yük korunumu ilkesi gereğince, ortaya bir elektron ve proton çıkacağını düşünüyordu. Bu mantıklı bir yaklaşımdı; sonuç olarak yük korunumu sağlanıyordu. Ancak bir elektronun ve bir protonun enerjisi, bir nötronun enerjisine tekabül etmiyordu. Enerjinin korunumu ne olacaktı? Bu problem Wolfgang Pauli tarafından çözüldü. Pauli’ye göre bir nötron bozunduğunda: bir elektron, bir proton ve bir de elektrik yükü nötr olan, saptanması zor başka bir parçacık ortaya çıkıyordu. Bu parçacığa Enrico Fermi tarafından İtalyanca küçük ‘nötr şey’ anlamına gelen “nötrino” adı verildi.

Ailenin Diğer Üyeleri

Geçmiş yıllarda pozitronu keşfeden Carl Anderson ve Seth Neddermeyer, 1936 yılında başka bir parçacık keşfettiler. Bu sefer keşfettikleri, elektron gibi negatif yüklü, ancak elektrondan daha hafif bir parçacıktı. Bu parçacığa “müon” ismi verildi.

1962 yılında, deneyciler Leon Lederman, Melvin Schwartz ve Jack Steinberger tarafından, Wolfgang Pauli’nin öngördüğü nötrino parçacığının 2 farklı türü olduğu keşfedildi. Bunlardan biri elektron nötrinolarda; bunlar, elektronlarla etkileşime giriyorlar ve sıklıkla onlarla birlikte oluşuyorlardı. Diğer nötrino çeşidi ise, müon nötrinolardı.

1970’lerde, tau parçacığı keşfedildi, o da elektron gibi negatif yüklüydü, ama müondan daha ağırdı. Bu üç parçacık (elektron, müon ve tau) arasındaki tek fark kütleleri idi. Tek fark diyebiliyoruz çünkü, 2000 yılında tahmin edildiği gibi, tau nötrinosuda doğrudan saptanabildi.

Standart model tablosunda, leptonlar ailesinin sadece üç kuşaktan oluştuğunu görebilirsiniz. Peki bir yerlerde dördüncü kuşak var mı? Şu an için buna kesin bir yanıt verilemese de, fizikçiler, eldeki teoriler ve hesaplar doğrultusunda, ailenin sadece 3 kuşaktan oluştuğunu düşünüyor.

Hadronlar ve Kuarklar

20. yüzyılda keşfedilen parçacıklar sadece leptonlardan ibaret değildi. Hadronlar tarafında da birçok keşif yapıldı. 1950’li yıllarda, daha fazlasını bilmek isteyenler, parçacık hızlandırıclarını inşa etmeye başladı. Parçacık hızlandırıcılar sonrası dönemde, keşfedilen parçacık sayısında çok fazla artış oldu; pionlar, kaonlar, eta mezonlar, rho mezonlar, hiperonlar vb… Tüm bu yeni parçacıklar, kütleleri doğrultusunda, hadron grubuna yerleştirildi. Ayrıca bu parçacıklar, leptonların aksine, nötronlar ve protonlarla yeğin etkileşime giriyordu. Giderek fizikçiler bu yeni gelenlerin aslında “temel” olmayıp altta yatan daha derin bir yapıyı yansıttıklarından kuşkulanmaya başladılar. 1964 yılında Murray Gell-Mann ve George Zweig birbirlerinde bağımsız bir şekilde, hadronların “kuark” adı verilen daha küçük parçacıklardan oluştuğunu önerdiler. Murray Gell- Mann ve George Zweig, teorilerinde 3 adet kuark öngörmüşlerdi. Bunlar, tabloda görebileceğiniz; yukarı, aşağı ve garip kuarktır. Daha sonrasında, teorinin matematiksel kısmını inceleyen Sheldon Glashow ve James Bjorken 4. bir tür kuark olması gerektiğini duyurdular. İlk kez 1968 yılında, Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezinde, protonun temel bir parçacık olmadığı kanıtlandı. 1973 yılında ise, Makoto Kobayashi ve Toshihide Maskawa, teorideki CP* ihlalini düzeltmek için, yeni bir çift kuark türü olduğunu ileri sürdüler. Yapılan deneyler ve matematiksel düzeltmeler sonucu Makoto Kobayashi ve Toshihide Maskawa’nın öngörüleri de doğrulanmış oldu. Böylelikle parçacık fiziğindeki, şimdilik (!), en üst noktaya ulaşmış olduk. Standart Model: Şu an bilinen temel parçacıkları ve bunların etkileşmesinde rol alan 3 temel kuvveti açıklayan bir modeldir. Ancak bu model geçicidir. Fizikçilerin “nihai” bir kuram arayışı (bkz: Sicim Teorisine Genel Bir Bakış ) deneyler ve teoriler eşliğinde devam etmektedir.