STANDART MODEL. Etraf m zdaki her ey bu yap ta lar ndan olu maktad r. Peki ya bu yap ta lar?

Transkript

1 Giri STANDART MODEL Yüksek enerji fizi i temel parçac klar ve parçac klar aras etkile meleri inceleyen oldukça yeni çal ma alan d r. Temel parçac klar n yap s n inceleyebilmek için yüksek enerjilere, yüksek enerjilere ula t r lan parçac klar n da yap s n gözlemlemek için detektörlere ihtiyaç vard r. Niçin yüksek enerjinin gerekli oldu u hakk nda birkaç neden vard r. Birinci neden n dalga karakteristi i yüzündendir. Bir eyleri görebilmek için üzerine k dü ürürüz. Bununla birlikte n dalgaboyundan daha küçük bir eyleri görmek istedi imizde bu çok zor olacakt r. Fakat elektron gibi di er parçac klarla birlikte onu görebiliriz. Elektronlar da dalga karakteristi ine sahiptir, fakat momentumlar artt nda dalgaboylar azal r. Böylece incelenen parçac k ne kadar h zl giderse dalgaboyu o kadar azal r ve daha iyi çözünürlükte görebiliriz. Di er bir neden yeni parçac klar olu turmakla ilgilenmemizdendir. Bunu yapman n tek yolu kütleye dönü türülebilecek bir enerjiye ve yüksek enerjili parçac klara sahip olmaktan geçer. Etraf m zdaki her ey bu yap ta lar ndan olu maktad r. Peki ya bu yap ta lar? 1900' lü y llar n ba nda atomlar n temel parçac klar oldu una inan ld. Ayr ca maddenin en küçük yap ta oldu u ve maddenin atomlardan meydana geldi i dü ünüldü.

2 Daha sonralar bu modelin do rulu unu görmek için deneyler yap ld. Ve atomun maddenin temel yap ta olmad anla ld. Atomun pozitif bir yük çekirde ini çevreleyen negatif yük bulutlar ndan olu tu u öngörüldü. Atomun yap s biraz daha incelendi inde daha küçük eylerden olu tu u anla ld. Bu, elektronlar ile çevrelenen pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlard. Standart Model farkl temel parçac klar n nas l düzenlendi ini ve farkl kuvvetler arac l nda birbirleri ile nas l etkile ti ini aç klayan bir teoridir. Temel parçac klar kuarklar ve leptonlar olarak isimlendirilen iki aileye ayr l rlar. Bu ailelerin her biri alt parçac ktan olu ur ve birinci nesil en hafif üçüncü nesil an a r olmak üzere üç nesle ayr l r. Parçac klar aras nda da etkile meyi sa layan dört farkl kuvvet ve kuvvet ta y c lar vard r. A a daki tablodan bu üç nesil ve kuvvet ta y c lar görülmektedir. Peki dünyadaki her ey kuarklar ve leptonlardan m olu maktad r? Pek say lmaz. Belki de anti madde!

3 Anti madde Parçac klar hakk nda ilginç olan her birine kar gelen bir anti parçac k olmas d r. Anti parçac klar gerçek parçac klard r. Parçac k ve onun anti parçac aras ndaki temel fark sadece yüklerinin ters i aretli olmas d r. Anti parçac aynadaki görüntü gibi dü ünelim. Aynaya bak ld nda sa daki ve soldaki görüntüler sadece aynadaki terslenmelerdir. Benzer olarak parçac k dünyas nda da yük aynaya bak ld nda terslenendir. Anti parçac n kütlesi, spini ve di er bir çok özelli i de parçac k ile ayn d r. Genelde bir anti parçac n ad parçac n önüne anti kelimesi gelmesi ile yaz l r. Örne in protonun anti parçac anti protondur. Bu kurala uymayan elektronun anti parçac olan pozitrondur. Anti parçac k hakk nda ilginç olan evrendeki her bir maddenin anti parçac olmas d r. Bu her nedense bir gizemdir.

4 Temel Parçac klar Temel parçac klar iki gruba ay rabiliriz. Alt kuark anti kuarklar ile birlikte üç guruba ayr l r. Kuarklar tek ba lar na asla gözlemleyemeyiz. Kuarklar "hadron" olarak bilinen parçac klar içerisinde hapis olmu tur diyebiliriz. Protondaki ve elektrondaki gibi kuarklar elektrik yüküne sahiptir. Bununla beraber elektrik yükleri kesirlidir (2/3 veya -1/3, -2/3 ve 1/3 anti kuarklar için). Ve parçac klar olu tururlarken yük daima tamsay d r. Kuarklar parçac klar n yükü tamsay olacak biçimde bir araya geldi inden kuraklar n her türlü kombinasyonu mümkün de ildir. Hadronlar n iki ekli vard r, baryonlar ve mezonlar. Üç kuark n bir araya gelmesi ile baryonlar, bir kuark ve bir anti kuark n bir araya gelmesi ile mezonlar olu ur. Baryonlara iki örnek proton ve nötrondur.

5 Proton iki up kuark ve bir down kuark n bir araya gelmesi ile olu ur. ekilden görüldü ü gibi her bir kuark n yükü toplan p proton için yük +1 elde edilir. Nötron iki down kuark ve bir up kuartan meydana gelir. Kuarklar n yüklerini tekrar toplarsak 0 olan nötronun yüküne ula r z. Mezon için bir örnek piondur. Pion bir up bir de down kuark n bir araya gelmesi ile olu ur. Mezonlar parçac k ve anti parçac k kombinasyonu oldu undan karars z bir yap gösterirler ve çok h zl bozulurlar.

6 Tablodan görüldü ü gibi tau ve muon elektrondan daha fazla a rd r. Bundan fazlas bunlar her zaman her maddede bulunmaz. Bunun nedeni çok h zl bir ekilde daha hafif leptonlara bozunmalar d r. Leptonlar n bozunmas n aç klayan iki kural vard r. Birinci Kural: A r bir leptonun bir bozunma ürünü daima onun kar l k gelen nötrinosu olacakt r. Di er ürün bir kuark ve onun ant ikuark, veya daha hafif bir lepton ve onun anti nötrinosu olacakt r. kinci Kural: Önceki ve sonraki aile ürünlerinin toplam say s korunmal d r. Unutmamak gerekir ki bir anti parçac k negatif bir aile ürünü olarak dü ünülür. Örne in, e er bir tau parçac daha hafif bir leptona bozunursa tau'ya kar l k gelen nötrino bozunman n bir ürünü olacakt r. Di er ürün daha hafif bir lepton ve onun kar l k gelen anti nötrinosu olacakt r.

7 Temel Kuvvetler 100 m uzakta bir a açtaki ku u vurmak istedi imizi dü ünelim. Bir kuvvet kullanman z gerekmekte, ama ku sizden uzaktad r. Yerden bir ta al p ku a att n zda onu vurabilirsiniz. Tabii yeterince ba ar l iseniz ;) te bu ta bir kuvvet ta y c s d r. Bu kuvvet ta y c lar arac l ile do ada 4 temel etkile me vard r. Gravitasyonel (kütle çekimi) Zayıf Elektromanyetik Kuvvetli

8 Bütün parçac klar her kuvvet ta y c s ndan etkilenmezler. Örne in elektron ve proton elektromanyetik kuvvet ta y c s olan fotonlardan etkilenirler. Foton yay nlayabilir ve so urabilirler. Yüksüz olan nötrino ise foton taraf ndan etkilenmez ve böylece foton yay nlay p so uramaz. Parçac klar aras etkile melerin kuantumlu alanlarla temsili "Feynman Diyagramlar " yard m ile göz önünde canland r labilir. Gravitasyonel Etkile me Grativasyonel kuvvet kütlesi olan tüm parçac klar aras nda gerçekle ir. Bir kütle di er kütleyi aradaki uzakl k artt kça azalan bir kuvvetle çekecektir. Gravitasyonel kuvvet evrendeki büyük yap larda belirgin olur. A a da gravitasyonel kuvvet etkisi ile bir arada duran bir galaksinin resmi görülmektedir. Gravitasyonel kuvvet çok kuvvetli gibi görünmesine ra men ufak kütleli parçac klara gelince zay fl yüzünden ihmal edilebilir. Gravitasyonel kuvvetin ta y c s gravitondur. Deneylerde u ana kadar gözlemlenmemi olsa da gravitonun varl na inan l r.

9 Zayif Etkile me Bu büyük kütleli kuarklar gözlemleyememizin nedeni zay f kuvvet yüzündendir. Kütleli leptonlar ve kuarklar daha hafif leptonlara ve kuarklara bozulmas na neden olan zay f kuvvetlerdir. Bu bozunmalara yol açan kuvvet parçac W+ ve W- parçac klar ile yüksüz Z parçac d r. Elektromanyetik Etkile me Elektromanyetik kuvvet ya am m zda bask n olan bir kuvvettir. Monitörünüzden yay nlanan radyasyon elektromanyetizman n bir sonucudur. Ve oturdu unuz sandalye de sizi yere dü mekten korur! Elektromanyetik kuvvet yüklü parçac klara etki eder. Ters yükler için çekici, z t yükler için itici özelli i vard r. Elektromanyetik kuvvet parçac klar aras mesafe artt kça giderek azal r. Bu kuvvetin ta y c s genelde k olarak gözlenen fotondur. Di er bir elektromanyetik kuvvet de atomlar bir arada tutarak molekülleri olu turmaktan sorumludur. Birçok atom net nötral bir yüke sahip olsa da, bir atomdaki pozitif yük di er atomdaki negatif yükle etkile ebilir. Böylece iki atomu bir arada tutar.

10 Kuvvetli Etkile me Elektrik yüküne ilave olarak kuarklar renk yükü ta rlar. Bu yükler aras ndaki kuvvet çok güçlü oldu undan buna kuvvetli etkile me denir. Tüm kuarklar ve kuvvetli etkile melerin ta y c s gluon renk yüküne sahiptir. Kuarklar üç renk yükünün birine sahipken, anti kuarklar üç anti-renk yükünün birine sahiptir. Kuark bile eni parçac klar beyaz, veya nötral, renk yükü ta rlar. Baryonlar nötral yükü olu turmak için mavi, ye il ve k rm z n n kombinasyonlar ndan olu ur. Mezonlar nötral bir yük olu turmak için bir renk ve onun anti-renginden olu mu tur. Kuarklar birbirlerini gluon arac l nda kuvvetli etkile meyle çekerler. Kuarklar gluon yay nlay p yuttu unda sürekli olarak renk yüklerini de i tirirler. Gluonlar bir renk yükünü daima bir anti-renk yüküne de i tirdi inden hem renk hem de anti-renk yüküne sahipmi gibi dü ünülebilir. Kuvvetli etkile me çekirdekler aras nda etkiyen a r derecede çekicidir. Proton nötron, nötron nötron, proton nötron bu kuvvetle birbirini çeker. Bu kuvvet atom içerisindeki itici etkisi olan elektromanyetik kuvveti yenerek atomun bir arada kalmas n sa lar.

11 Standart Model ve Gelecek Standart Model en basit haliyle bile, maddenin yapısını ve kararlılığıyla ilgili sorunların pek çoğunu; dört kuvvetin etkisi altındaki altışar çeşit kuark ve leptonla, oldukça inandırıcı biçimde yanıtlayabiliyor. Hatta, evreni oluşturan görünür maddenin yapısını, sadece iki kuark (u,d) ve bir leptonla (elektron), yani en hafif olan birinci neslin parçacıklarıyla, çok daha basit olarak açıklıyor. Şöyle ki: Eğer komşumuz bilmem kimin veya kendimizin ne menem bir şey olduğunu merak ediyorsak; iki kuark bir lepton, yani elektron: başka hiçbir numaramız yok. Ancak, Standart Model'in yanıtlayamadığı sorular da var. En önemlileri şöyle sıralanabilir: Kuarklarla leptonlar gerçekten temel parçacık mı, yoksa daha temel başka parçacıklardan mı oluşuyor? Madem görünür evren sadece birinci neslin iki kuark ve bir leptonundan oluşuyor, diğer iki nesil niye var? Parçacık kütleleri niye öngörülemiyor ve kütleçekimi bu modele, en uyumlu şekilde nasıl girmeli? Maddeyle karşıtmadde arasında bir simetri varsa eğer, evrene baktığımızda neden hep madde görüyoruz da, hemen hiç karşıtmadde göremiyoruz? Evren üzerindeki kütleçekimi etkisi açıkça görülen 'karanlık madde'nin yapısı nedir ve neden gözlenemiyor? Dört ayrı etkileşimin çalışma biçimlerini anlamaya çalışmak yerine, bu dördü tek bir etkileşimin çatısı altında toplanamaz mı? Parçacık fiziğinin bugünkü ana amaçlarından birisi, dört temel kuvvetin; evrendeki düzeni daha basit ve şık bir şekilde açıklayabilecek, tek bir 'Büyük Birleşik Alanlar Kuramı'nda birleştirilmesi. Çünkü yukarıdaki sorunların çoğunun yanıtının, bu basitleştirme sırasında yanıtlanmış olacağı düşünülüyor. Farklı görünen olayları birleştirmenin örnekleri geçmişte yaşanmış. Örneğin, yılları arasında James Maxwell, daha önce farklı oldukları düşünülen elektrik ve manyetik olayları, kendi adıyla anılan tek bir denklem sisteminde birleştirdi. Hertz daha sonra, yılları arasında, radyo dalgalarının ve ışığın, farklı frekanslardaki elektromanyetik dalgalar olduğunu göstererek, Maxwell'in öngörülerini haklı çıkardı. Einstein son zamanlarında, kütleçekimi ile elektromanyetik kuvvetleri birleştirmeye çalıştıysa da, bunu başaramadı. Glashow, Salam ve Weinberg yılları arasında, elektromanyetik ve zayıf etkileşimleri birleştiren 'Elektrozayıf' kuramı geliştirdi. Bu kuram, beta bozunmasında rol oynayan W bozonlarının kütlesini öngördüğü gibi, ayrıca, yeni bir zayıf etkileşim tipinin ve bu etkileşimin aracısı olarak Z bozonunun varlığını öneriyordu. Önerileri arasında Higgs parçacığının varlığı da vardı yılında bu çalışmalarından dolayı Nobel Ödülü'nü aldılar. W ve Z bozonlarının varlığı, bundan ancak dört yıl sonra, 1983 yılında, CERN'de yapılan UA-1 ve UA-2 deneyleri sonucu keşfedilebildi. Standart Model, dramatik bir şekilde kanıtlanmıştı. Bugün ise, hızlandırıcıların dedektörlerinde 100,000'den fazla W ve milyonlarca Z parçacığı gözlenmiş bulunuyor. Kuvvet taşıyıcı bir parçacık olmayan, hatta kütlesinin olması dahi gerekmeyen Higgs bozonu ise hala gözlenemedi. Kütlesi varsa ve ağırsa, bu parçacığın gözlenebilmesi için, parçacık çarpıştırmalarında çok daha yüksek enerjilere çıkılması gerekiyor.

12 CERN'deki dairesel 'büyük elektron pozitron' hızlandırıcısının sökülüp, yerine 'büyük hadron çarpıştırıcısı'nın inşasına, biraz da bu amaçla başlandı. Yandaki şekilde; iki proton, yapımı süren LHC hızlandırıcısında yüksek enerjiyle çarpıştırıldıklarında, ATLAS dedektöründe açığa çıkacak olan bir dizi diğer parçacık arasında bir Higgs parçacığının da bulunması halinde oluşacak olan bozunma şemasının benzetişimi gösteriliyor. Eldeki veriler ve kuram, dört tür etkileşimin; etkilenen parçacıkların enerjisi yeterince yüksek düzeylere ulaştığında, tek ve aynı bir etkileşime doğru benzeştiği izlenimini veriyor. Dolayısıyla, güçlü etkileşimi de, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerle birleştirmeye yönelik çalışmalar, yoğun bir şekilde sürdürülüyor. Şimdiden önerilmiş bazı Birleşik Kuram'lar bulunmakla beraber, hepsinin de kanıtlanmak gereksinimi var. Bu kuramlardan bazıları, Standart Model'in, lepton ve baryon sayılarının korunmasına yönelik ilkesinin zedelenebileceği doğrultusunda öngörülerde bulunuyor. Bu kapsamda yapılan çalışmalar örneğin, protonun bozunmasına yol açan bir tür kuvvet taşıyıcı parçacığın varlığını öneriyor ve dolayısıyla, protonun da bozunabileceğini öne sürüyor. Buna göre proton; yukarı kuarklarından birinin aşağı kuarka dönüşmesi sonucu, pozitron ışınlayarak, nötür bir pi mezonuna dönüşebiliyor. (p e ) Nötür pi mezonu daha sonra, iki gama ışınına bozunarak yok oluyor. Halbuki Standart Model'e göre böyle bir bozunma, 'baryon sayısı' korunmadığından mümkün değil. Fakat o zaman da, madde ile karşıt madde birbirlerine eşit konumda iken ve evrende bu kadar çok madde varken, niye hemen hemen hiç karşıt madde bulunmadığı sorusunu yanıtlamak güçleşiyor.