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 , kuuantum 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 ? Şuan için buna kesin bir yanıt verilemese de , fizikçiler , eldeki teoriler ve hesaplar doğrultusunda , ailenin sadece 3 kuşaktan oluştuğunu düşünüyor.

Hadronlar ve Kuarklar

20. yüzyıl’da 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 : Şuan 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.