FİZ314 Fizikte Güncel Konular

Transkript

1 FİZ314 Fizikte Güncel Konular Bahar Yarıyılı Bölüm Ankara A. OZANSOY A.Ozansoy,

2 Bölüm 8: Parçacık Fiziği 1. Temel Olmayan Parçacıklardan Temel Parçacıklara 2. 4 Temel Kuvvet 3. Parçacık Aileleri 4. Korunum Yasaları A.Ozansoy,

3 1.Temel Olmayan Parçacıklardan Temel Parçacıklara Madde nelerden yapıldı ve onu bir arada tutan ne? Neden bazı maddeler benzer özellik gösteriyor? Temel yapı taşları olmalı! Temel parçacıklar ve onlar arasındaki temel etkileşmeleri inceleyeceğiz. Temel parçacık ne demektir? Temel parçacık, bir iç yapısı olmayan yani daha küçük bileşenlerden oluşmayan parçacık demektir. Geçmişte farklı zamanlarda atom, çekirdek ve nükleonlar (proton ve nötron) temel parçacık olarak düşünülmüştür A.Ozansoy,

4 Atom gerçekten temel miydi? Atom fikri: Democritus (M.Ö 460- M.Ö 370) Temel yapı taşlarına bölünemeyen anlamında atom dedi. Benzer kimyasal özellik gösteren atomlar, gruplar halinde sınıflandırıldı. Bu atomun daha temel yapı taşlarından oluştuğunun göstergesiydi. J. J. Thomson (1897) Atomun içinde daha hafif bir şeylerin olduğu anlaşıldı. (Elektronun keşfi) E. Rutherford ve öğrencileri(1911) Atomun merkezinde daha küçük ve daha ağır bir şeyin olduğu sonucuna varıldı. (Çekirdeğin keşfi) Bu deneylerin sonuçlarına göre atom temel bir parçacık değildi! Bütün atomlar, elektronların ve çekirdeğin bir kombinasyonu olarak açıklandı A.Ozansoy 4

5 Çekirdek gerçekten temel miydi? protonun keşfi (Rutherford) 1932 nötronun keşfi (Chadwick) Bütün çekirdekler nötronların ve protonların bir kombinasyonu olarak açıklandı. Nükleonlar temel mi? Nötron ve protonlar da kuarkların bir kombinasyonu olarak açıklanmıştır (DIS: Deep Inelastic Scattering) deneyleri, SLAC, 1960 ların sonu) A.Ozansoy 5

6 Elektrozayıf kuvvet 2. Dört Temel Kuvvet Kuvvet Göreli Şiddet Karakteri stik Zaman Menzil Belirleyici olduğu durumlar Güçlü 1 < s m Kuarkları bir arada tutar Çekirdeği bir arada tutar Elektromanyetik s e - ların çekirdeğe bağlanarak kararlı atom oluşturmaları Zayıf s m Radyoaktif bozunmalar Güneşteki reaksiyonlar Kütle çekim Gezegenleri bir arada tutar. Güneşsistemini bir arada tutar Temel parçacık fiziğinde kuvvet sözcüğünden ziyade etkileşme sözcüğü tercih edilir. Parçacıklar arasındaki temel etkileşmelerin bir aracı parçacık vasıtasıyla (değiş-tokuşu ile) gerçekleştiği dikkate alınır. Bu parçacıklara aracı parçacıklar, kuvvet taşıyıcıları ya da ayar bozonları denir A.Ozansoy,

7 Temel etkileşmeler, aracı parçacıkları ve özellikleri Etkileşme Aracı Parçacık Simge Yük (e) Spin ( h) Durgun Enerji (GeV) Güçlü Gluon g EM Foton Zayıf Zayıf W _, W + -1, +1, 0 1 M W =80.4 Bozonlar ve Z M Z =91.2 bozon Kütle Çekim Graviton A.Ozansoy,

8 Temel Parçacıklar Madde Kuvvet Taşıyıcılar(Ayar Bozonları) + Higgs Bozonu Leptonlar Kuarklar Hadronlar Baryonlar (qqq)(fermiyon) Mezonlar (q-antiq) (Bozon) q: kuarkı temsil etmektedir. Lepton ismi ; Yunanca, hafif anlamındaki leptos dan gelir. Aynı şekilde mezon ismi orta anlamındaki mezos dan gelir ve baryon ağır demektir. Higss bozonu parçacıkların kütle kazanmalarından sorumlu parçacıktır A.Ozansoy,

9 3. Parçacık Aileleri 1. Aile 2. Aile 3. Aile Şekil Kaynak [1] den alınmıştır A.Ozansoy,

10 Lepton aileleri Kuark aileleri +2/3e -1/3e 1. Aile 2. Aile 3. Aile 1. Aile 2. Aile 3. Aile Kuarklar, keptonlar ve girdikleri temel etkileşmelerin biçimsel olarak gösterilmesi. Şekil Kaynak [2] den alınmıştır A.Ozansoy,

11 Parçacık Sınıfı Yapı Açıklama Spin Yüksüz leptonlar (nötrinolar) Temel Sadece zayıf etkileşmelere girer 1/2 Yüklü leptonlar Temel Zayıf + em etkileşmelere girer 1/2 Kuarklar Temel Zayıf + em+ güçlü etkileşmelere girer 1/2 Kuvvet Taşıyıcıları (Ayar Bozonları ya da aracı parçacıklar) Temel Foton em etkileşmenin aracı parçacığı, W ve Z zayıf etk. aracı parçacığı, Gluon güçlü etk. aracı parçacığı 1 Higgs Bozonu Temel Parçacıklara kütle kazandırmaktan sorumlu 0 Mezonlar (qanti_q) Kompozit (iç yapısı var) Zayıf + em+ güçlü etk. girer Tam sayı (0,1) Baryonlar (qqq) Kompozit Zayıf + em + güçlü etk. girer Yarım tam sayı (1/2, 3/2, 5/2) A.Ozansoy,

12 Kuark Çeşnileri: Kuarkın adı Simgesi Yükü (e) Yukarı (up) u +2/3 Aşağı (down) d -1/3 Tılsımlı (Sihirli) c +2/3 (charm) Acayip (strange) s -1/3 Üst (top) t +2/3 Alt (bottom) b -1/3 Kuarklar, spini ½ olan fermiyondurlar. Elektrik yükleri, elektron yükünün kesirli katlarına (+2/3 veya -1/3 katı) eşittir. Kuarklar doğada serbest olarak bulunamazlar, hadronlar (mezon ya da baryon) olarak bağlı durum oluştururlar. Kuarklar renk yükü denen bir kuantum sayısına daha sahiptirler. Yukarıdaki tabloda adı geçen her kuark çeşnisi 3 farklı renkte bulunurlar Kırmızı, yeşil ve mavi. (Bu renk yükü günlük anlamda kullandığımız renk anlamında değildir.) Her kuark bir renk yükü taşırken antikuarklar antirenk yükü taşır A.Ozansoy,

13 A.Ozansoy,

14 Anti Parçacıklar (Karşıt Parçacıklar): 1920 ler Paul Dirac spin1/2 parçacıklar için göreli kuantum mekaniksel denklemi geliştirdi. Negatif enerjili durumlara karşılık gelen çözümler var çözüm antiparçacıklar Her parçacık için bir antiparçacık mevcuttur. Kütle, spin, ortalama ömür gibi özellikleri parçacık ve antiparçacık için aynı iken sadece elektrik yükleri birbirinin tersidir. Yüksüz parçacıkların antiparçacığı kendisidir (Nötrinolarda durum farklıdır). Yüklü leptonlar dışında (e -, - ve - ) antiparçacıkları, genelde parçacık simgelerinin üzerine bir çizgi çekerek gösteririz. Parçacık ve antiparaçacık bir araya geldiğinde iki ya da daha fazla foton oluşturacak şekilde yok olurlar. e + : pozitron, elektronun antiparçacığı Yok olma süreci Çift oluşum süreci. Sayfa düzlemin içine doğru manyetik alan uygulanıyor. Yüklerinin zıt olmasından dolayı elektron ve pozitron ters yönlerde saparlar A.Ozansoy,

15 Leptonlarve antiparçacıkları Anti elektron nötrinosu Bu şekil Kaynak [3] ten alınmıştır A.Ozansoy,

16 Hadronlar: Güçlü etkileşmeye girerler. Mezonlar (spini tam sayı olanlar) ve baryonlar (spini yarım tamsayı olanlar olmak üzere iki grupturlar. Mezonlar bir kuark ve bir antikuarkın birleşmesinden, baryonlar 3 tane kuarkın birleşmesinden oluşurlar. Proton ve nötron birer baryondur. Pi ve K- mezonları da mezonlara örnektir. (Pi mezonları +, - ve 0 olmak üzere 3 çeşittir. ) Bu şekil Kaynak [4] ten alınmıştır. Mezonlar ve Baryonlar Şekilde t zaman eksenini göstermek üzere, - bozunumuna bir örnek olarak serbest nötron bozunumu için Feynman Diyagramı verilmiştir. Beta bozunumundan sorumlu etkileşme zayıf etkileşmedir. Diyagramda zayıf etkileşmenin aracı parçacıklarından W- bozunu görülmektedir A.Ozansoy,

17 Bazı mezonlar ve kuark içerikleri aşağıdaki şekilde verilmiştir. 0 uu dd (*) 2 uu dd 2ss 6 ' uu dd ss 3 (*) Aslında 0, ve farklı durumların kuantum mekaniksel bir karışımıdır. Bazı baryonlar ve kuark içerikleri * t kuark kararsız olduğu için hemen bozunur bu nedenle t kuark içeren herhangi bir mezon ya da baryon yoktur A.Ozansoy,

18 4. Korunum Yasaları: 1. Baryon sayısı (B) : Tüm baryonlar için B=1 ve antibaryonlar için B=-1 2. Lepton sayısı (L) : Her aile için ayrı ayrı Elektron ve nötrinosu için L e =1, Müon ve nötrinosu için L =+1 Tau ve nötrinosu için L =+1 3. Acayiplik Sayısı(S): acayip kuark için S=-1, antiacayip kuark için S=+1 Baryon sayısının korunumu, bir çekirdek tepkimesi veya bozunumunda olaydan önceki ve sonraki baryon sayısının korunduğunu ifade eder. Lepton sayısının korunumu, herhangi bir süreçte tüm lepton tipleri için lepton sayılarının ayrı ayrı korunmasını söyler (L e., L, L korunur). Güçlü ve elektromanyetik etkileşmelerde acayiplik sayısı korunur, zayıf etkileşme içeren süreçlerde korunur veya bir birim değişir. Örnek: Müyon bozunumu NOT!!! Derste 8. bölümle (parçacık fiziği) ilgili çözülen 6 örneği mutlaka inceleyiniz A.Ozansoy,

19 Kaynaklar: Fen ve Mühendislik için Fizik, Cilt-II, R.A. Serway ve R.J. Beichner, (Çeviri Editörü: Prof. Dr. Kemal Çolakoğlu), 5. Baskıdan çeviri, Palme Yayıncılık 2002, Ankara. (Aksi belirtilmediği sürece, sunu dosyası içindeki tüm şekiller bu kaynaktan alınmıştır) A.Ozansoy,