Temel Parçacıklar Yazarlar Doç.Dr. Mstafa ŞENYEL Yrd.Doç.Dr. A. Şenol AYBEK ÜNİTE 12 Amaçlar B üniteyi çalıştıktan sonra; Antiparçacıklar ile, Temel parçacık grplarından; Leptonları, Mezonları, Baryonları, görecek, Hadronlar ve Hadronların yapı taşları karklar hakkında bilgi sahibi olacak, Doğada varolan dört temel kvvetin parçacıkların etkileşmelerinde oynadıkları rolü öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş 197 Antiparçacıklar 198 Leptonlar 198 Mezonlar 199
Baryonlar 199 Hadronlar İçin Kark Modeli 200 Temel Kvvetler 201 Özet 202 Değerlendirme Sorları 202 Yararlanılan ve Başvrlabilecek Kaynaklar 204 Çalışma Önerileri Ünitede çok kısıtlı olarak sözedilen Temel Parçacıklar hakkındaki detaylı bilgileri "Yararlanılan ve Başvrlabilecek Kaynaklar"da verilen kitaplarda blabilirsiniz. ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ
TEMEL PARÇACIKLAR 197 1. Giriş İnsanoğl yüzyıllarca maddenin yapısını merak etmiş, maddeyi olştran en küçük parçacığın ne oldğn belirlemeye çalışmıştır. Aynı sor halen fiziğin en temel problemlerinden birini olştrmaktadır. Her ne kadar günümüz fiziğinde b ünitede göreceğimiz gibi karklara kadar inilmişse de, bilim adamlarının zihninde "acaba karklardan daha temel parçacıklar da var mıdır?" sors henüz olml bir yanıt blamamıştır. B yüzyılın başlarına kadar maddeyi olştran en küçük parçacık atom sanılmaktaydı. Yüzyılın başlarına doğr 1895'te Thomson'n elektron, 1910'da Rtherford'n çekirdeği blması ve 1918'de çekirdeğin pozitif yüklü protonlardan olştğn göstermesi, daha sonra da Chadwick'in 1932'de nötronn varlığını kanıtlaması atomn da bir iç yapısı oldğn gösterdi. Bir süre temel parçacıkların elektron, proton ve nötrondan olştğ düşünüldüyse de, daha sonraları kütlesi elektronla proton arasında olan orta kütleli mezonların varlığı gözlendi. Bndan sonra da keşfedilen temel parçacık sayısı hızla arttı. Bgün bilinen temel parçacık sayısı 300 civarındadır. B temel parçacıklardan üçü elektron, proton ve nötrino kararlı parçacıklardandır. Nötrino; çekirdeği olştran parçacıklardan nötronn drgn kütlesinin protondan daha büyük ve aradaki farkın drgn bir elektron yaratmaya yetecek kadar olması nedeniyle; Nötrino: Çekirdeğin β-boznması soncnda ortaya çıkan bir parçacık. n p + e - + ν (12.1) reaksiyon denklemine ygn olarak β-boznması yolyla protona dönüşebilir. B reaksiyonda görülen ν, nötrinonn antiparçacığı, antinötrino olp; β-boznmasında açığa çıkan enerjiyi paylaşır. Kütlesi ve yükü sıfır olan b parçacık maddeyle çok az etkileştiğinden gözlenmesi zordr. Geriye kalan temel parçacıkların hepsi kararsızdır. Fizikte temel parçacıklarla ilgilenen dala Yüksek Enerji Fiziği adı verilir. B adlandırmanın nedeni temel parçacıkları olştrmak için gerekli enerjinin, fiziğin diğer dallarında kllanılan enerjilerle kıyaslandığında çok büyük olmasındandır. Temel parçacıklar toplca üç ana grpta toplanır: Leptonlar, mezonlar ve baryonlar. Hatta mezon ve baryonları beraberce, hadronlar olarak grplandırmak da mümkündür. B ünitede ykarıda belirttiğimiz üç grp altında temel parçacıkları inceledikten sonra, hadronlar için kark modelinden bahsedeceğiz. Ayrıca temel parçacıkların doğadaki temel etkileşme türlerini ele alacağız. AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ
198 TEMEL PARÇACIKLAR 2. Antiparçacıklar Temel parçacıkları üç grp altında incelemeden önce doğada varoldğna inanılan her parçacığın bir antiparçacığı gerçeğini açıklamakta yarar vardır. 1928'de İngiliz Fizikçi Dirac, Schrödinger denklemi üzerinde çalışırken elektronla aynı spinli,eşit kütleli fakat pozitif yüklü bir parçacığın da aynı denklemi sağlayacağı varsayımını ortaya attı. B varsayım 1932 yılında Amerikalı deneyci Anderson tarafından çift yaratılması olayının gözlenmesiyle gerçeklendi. B olayda yeterli enerjiye sahip bir foton, çekirdekle çarpıştığında; γ çekirdek e - + e + + çekirdek (12.2) şeklinde (e - ) elektron ve ( e + ) pozitron parçacık ve antiparçacığı yaratılıyord. B olayın tersi de çift yok olması olarak bilinir ve e + + e - fotonlar (12.3) şeklindeki reaksiyonda pozitronla elektron yan yana geldiklerinde birlikte yok olp, drgn ve kinetik enerjileri toplamıyla fotonlar yaratılır. Daha sonraları antiproton, antinötron ve antinötrino da deneysel olarak gözlendi. Günümüzde her parçacığın bir antiparçacığı oldğ kanıtlanmış sayılmaktadır. 3. Leptonlar MeV/c 2 : Bir kütle birimidir. Ünite 1.8 de verilen E=mc 2 eşitliğinden kütle çekilirse m=e/ c 2 blnr. E; MeV biriminde alınırsa kütle MeV/c 2 olarak blnr. Spin: Bir parçacığın iç dinamiği sonc olşan açısal momentmn ne şekilde kantml oldğn belirleyen kantm sayısı. Bilinen lepton sayısı 6 dır. Bnlar elektron (e), müon (µ), ta (τ) ve bnların nötrinoları ν e, ν µ, ν τ dr. Ayrıca bnların altı tane de antiparçacığı vardır. Elektron 1895 yılında Thomson tarafından gözlenmiş ve negatif yükü 1,6.10-19 C şiddetinde, kütlesi ise 9,1.10-31 kg veya 0,5MeV/c 2 ve spini 1/2 olan parçacıktır. Elektronn antiparçacığı pozitron ise yükü pozitif olp, yükünün şiddeti, kütlesi ve spini aynıdır. Müonn ise yükü elektron yüküne eşit, kütlesi 105,7 MeV/c 2 ve spin'i 1/2 dir. Ta parçacığı ise kütlesi 1784 MeV/c 2, yükü ile spini elektron ve müonla aynı olan parçacıktır. B parçacıkların nötrinoları ise yüksüz, kütlesiz fakat 1/2 spinlidir. Öte yandan nasıl elektronn anti parçacığı pozitron varsa müon ve ta'nn da anti parçacıkları vardır. B altı leptondan sadece elektron normal madde yapısında yer alır. Çünkü elektron en küçük kütleli parçacıktır. Boznarak dönüşebileceği daha hafif bir parçacık olmadığından kararlıdır. Bna karşın µ ve τ ve nötrinolar oldkça kararsız parçacıklar oldğndan, normal maddenin bir parçası olamazlar. ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ
TEMEL PARÇACIKLAR 199 4. Mezonlar Japon fizikçisi Ykawa 1955'te kütlesi 100 MeV/c 2 kadar olan bir parçacığın olması gerektiği varsayımını ortaya attı. Ykawa atom çekirdekleri içinde blnan proton ve nötronların kendi aralarındaki etkileşimini açıklamak üzere orta kütleli parçacık alış verişinde blnmaları gerektiğini ileri sürdü. B parçacıkların kütlesinin elektronn kütlesinden büyük, protonn kütlesinden küçük olması öngörüldüğünden b parçacıklara orta kütleli anlamına gelen mezon adı verildi. Daha sonra blnan orta kütleli parçacıklar arasında Ykawa'nın tarifine yan parçacığa π mezon veya pion adı verilmiştir. Pionlar üç türlüdür; π 0, π +, π -. Bnların yükleri sırasıyla + e, 0, - e olp kütleleri 140 MeV/c 2 civarındadır. Pionların spinleri ise sıfırdır. π + ve π - pionları ; π + µ + + ν π - µ - + ν (12.4) (12.5) reaksiyonlarıyla, boznarak müon ve nötrinoya dönüşürler. π + ve π - nin ortalama ömürleri 10-8 s dolayındadır. π 0 pion ise; π 0 γ + γ (12.6) reaksiyonyla boznarak iki fotona dönüşür. π 0 in ortalama ömrü ise 10-17 s mertebesindedir. Yüksüz pionn ortalama ömrünün yüklü pionlarınkine göre çok daha kısa olmasının sebebi, yüksüz pionn boznmasının elektromagnetik kvvetin eseri olmasına karşın, yüklü pionların boznmasında zayıf etkileşmenin rol almasıdır. Pionların dışındaki mezonlardan bazıları ise kaon (κ) ve eta (η) mezondr. κ mezonları yaklaşık 495 MeV/c 2 kütleli ve sıfır spinlidir. B mezonların ortalama ömrü ise 10-8 s mertebesindedir. Yüklü ve yüksüz kaonlar vardır. Yüksüz η mezon ise 550 MeV/c 2 kütleli, sıfır spinli ve 10-19 s mertebesinde ortalama ömre sahiptir. Brada sözkons edildiği gibi sıfır spinli mezonlar yanında tam sayılı spine sahip mezonlar da vardır. Bilinen onlarca mezonn hepsi karasızdır ve değişik biçimlerde boznrlar. 5. Baryonlar Baryonlar bçkl (s = 1/2, 3/2, 5/2,...) spinlere sahip parçacıklardır. En hafif baryon protondr. Protonn kütlesi 938,3 MeV/c 2, yükü + e ve spini 1/2 dir. Proton, boş zayda kararlı olan tek baryondr. Diğer baryonların hepsi protondan daha fazla kütleye sahiptir. Bir diğer baryon ise nötrondr. Nötron kütlesi 939,6 AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ
200 TEMEL PARÇACIKLAR MeV/c 2, spini 1/2 olan, yüksüz bir baryondr. Çekirdek içinde kararlı olan nötron boş zayda kararsızdır. Boş zayda β boznmasıyla bir proton, bir elektron ve bir antinötrinoya dönüşür. Ortalama ömrü 889 s dir. Daha ağır olan lamda ( 0 ), sigma ( +, 0, - ), ksi (Ξ 0, Ξ - ) ve omega (Ω - ) baryonlarının hepsi 10-9 s den küçük ortalama ömürlerle değişik biçimde boznarak, sonnda hep bir proton veya nötron haline gelirler. Örneğin Ω - baryon aşağıdaki sırayı izleyerek boznr ve sonçta kararlı proton haline gelir. Ω - Ξ 0 + π - 0 + π 0 p + + π - (12.7) Brada söz kons ettiğimiz baryonların dışında başka yüzlerce baryon bilinmektedir. Kesim 3 ve Kesim 4'te sözü edilen mezon ve baryonların her ikisi birden hadron olarak adlandırılır. Hadronlar kvvetli etkileşmeyi de dyan parçacıklardır. Hadronların yapısı kvvetli etkileşmenin bir özelliği sonc karkların bağlı drmlarıyla açıklanabilmektedir. 6. Hadronlar İçin Kark Modeli Karklar: Karklar konsnda bgüne kadar yapılan kramsal çalışmaların sonçları 36 adet karkın varlığını öngörmektedir. Ancak karkları deneysel olarak gözlemek henüz mümkün olmamıştır. Untlmamalıdır ki bir kramsal çalışma ancak deneysel olarak doğrlanırsa anlam kazanır. Çok masraflı olan karklarla ilgili deneysel çalışmalar birkaç devletin desteklediği merkezlerde devam etmektedir. Bilinen hadronların çoğ nötron ve protonn yarılmış drmlarıdır. Bna göre, nötron ve proton daha temel parçacıklardan olşmş birer sistem olmalıdır. B düşünce 1960 larda Amerikalı fizikçiler Gell-Mann ve Zweig'in birbirlerinden bağımsız olarak kark modelini ortaya atmalarına sebep olmştr. B modele göre tüm hadronlar kark adı verilen parçacıkların bağlı drmları olarak ortaya çıkar. Böylece maddenin en küçük yapı taşı olarak karklar kabl edilmiş olr. Önceleri üç çeşit kark ve bnların antikarklarının oldğ sanılırken daha sonraları yapılan kramsal çalışmalar sonc üç çeşit kark ve bnların antikarkları daha blnd. Böylece bgün bilinen kark sayısı 6'sı antikark olmak üzere 12 tanedir. Bnlar: Üst kark (), alt kark (d), acayip kark (s), tılsımlı kark (c), taban kark (b), tavan kark (t) ve bnların sırasıyla antikarkları (), (d), (s), (c), (b), (t) dir. Öte yandan karkların bir takım fiziksel özellikleri kırmızı, yeşil ve mavi kelimeleri ile tanımlandığından ve bnlar antikarklarda da olacağından böylece karkların toplam sayısı 3 x 12=36 tane olr. Karkların dikkati çeken bir başka özelliği de ±e/3, ±2e/3 gibi kesirli yüke sahip olmalarıdır. Kark dışı olarak bilinen diğer tüm parçacıkların yükleri ise elektron yükü e'nin tam katları şeklindedir. Hadronların kark bağlı drmlarından olşan ve kvvetli etkileşmeyi dyan temel parçacıklar oldğn belirtmiştik. Bnlardan baryonlar üç karkın bağlı drmna, mezonlar ise kark-antikark bağlı drmna sahiptir. B bilgiler ışığında protonn, nötronn, κ + kaon ile π + piyonnn iç yapılarının Şekil 12.1'deki gibi oldğ düşünülmektedir. ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ
TEMEL PARÇACIKLAR 201 d d d s d proton nötron κ + iyon π + piyon Şekil 12.1: Bazı Hadronların İç Yapısı 6. Temel Kvvetler Madde; lepton, mezon ve baryon şeklinde parçacıklar olştrrken doğada varolan dört temel kvvetten en az birinin etkin oldğ görülür. Özellikleri itibariyle birbirinden oldkça farklı olan b kvvetleri şöylece tanımlayabiliriz: Çekirdek Kvveti: Doğadaki en şiddetli kvvet bdr. Baryon ve mezonlara etkiyen 10-15 m menzilli kvvetlerdir. Karkların proton veya nötronn içinde bir arada ttlmasından, proton ve nötronların atom çekirdekleri olştrmasından sormldr. Elektromagnetik Kvvet: Çekirdek kvvetlerinin yüzde biri kadardır. Elektrik ve magnetik alandan kaynaklanır. Menzili sonszdr. Atomlarda elektronların çekirdeğe bağlanmasını sağlayan kvvettir. Zayıf Kvvetler: Parçacık boznmalarında rol oynar. Örneğin β boznmasından zayıf etkileşme sormldr. Çekirdek içindeki etkileşmelerde ise, zayıf kvvetler, çekirdek kvvetlerinin milyonda biri şiddetindedir. Menzili 10-17 m den kısadır. Kütle-Çekim Kvvetleri: Bütün parçacıklar arasında etki eder. Güneş sistemini bir arada ttan kvvet bdr. Menzili sonszdr. Şiddeti en zayıf kvvet oldğndan temel parçacıklar arasında diğer etkileşmeler yanında ihmal edilebilirler. Temel parçacık ailelerindeki karklar birbirleriyle dört etkileşme türüyle de etkileşirler. Leptonlar çekirdek kvvetlerini hissetmezler. Nötrinolar ise yüksüz oldklarından elektromagnetik etkileşmeleri de yoktr. Etkileşmelerin, parçacıklar arasında tamamen farklı türden parçacıklar tarafından iletildiğine inanılmaktadır. B kvvet ileticilerine ayar parçacıkları adı verilir. B ayar parçacıkları bozon olarak bilinir. Elektromagnetik etkileşmenin bozon foton, karklar arasındaki kvvetli etkileşmenin bozon glon, kütle-çekim etkileşmesinin bozon graviton, zayıf etkileşmenin bozonları ise W ve Z parçacıkları olarak adlandırılır. Sonç olarak insanoğl maddeyi olştran en küçük yapıtaşlarını belirlerken aşağıdaki aşamalardan geçmiştir. AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ
202 TEMEL PARÇACIKLAR Molekül atom çekirdek proton nötron kark? Acaba karklardan daha elemanter parçacıklar var mıdır? Şüphesiz ki b sornn cevabını konnn zmanı bilim adamaları zaman içinde vereceklerdir. Özet Temel parçacıklar, leptonlar, mezonlar ve baryonlar olmak üzere üç grpta incelenebilir. Leptonlar kvvetli etkileşmezler. Karkların olştrdğ ve kvvetli etkileşmeye giren baryon ve mezonlara hadron ismi verilir. Temel parçacıklar, içinde leptonlardan elektron ve nötrino, baryonlardan ise, proton kararlı parçacıklardır. Bnların dışındaki bütün parçacıklar kararsızdır. Öte yandan her parçacığın bir antiparçacığı oldğ kabl edilmektedir. Temel parçacıklar, birbirleriyle dört temel kvvet vasıtasıyla etkileşirler. B dört temel kvvet en şiddetlisinden en zayıfına doğr, çekirdek kvveti, elektromagnetik kvvet, zayıf kvvetler ve kütle-çekim kvveti olarak sıralanır. B etkileşmeler parçacıklar arasında bozon adı verilen ayar parçacıklarının değiş tokş ile gerçekleştirilir. Değerlendirme Sorları 1. Aşağıdakilerden hangisi lepton değildir? A. Elektron B. Nötron C. Nötrino D. Ta E. Müon 2. Maddenin kvvetli etkileşmeyi hissetmeyen yapıtaşlarına ne ad verilir? A. Hadron B. Mezon C. Kark D. Lepton E. Baryon 3. Aşağıdakilerden hangisi mezon değildir? A. pion B. kaon C. müon D. eta E. π 0 4. Yüksüz pionn boznmasında hangi etkileşme rol oynar? A. Çekirdek B. Zayıf C. Kütle-çekim D. Elektromagnetik E. Hiçbiri 5. Aşağıdakilerden hangisi baryondr? A. Elektron B. Kaon C. W D. η E. proton ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ
TEMEL PARÇACIKLAR 203 6. Kararlı temel parçacık aşağıdakilerden hangisidir? A. nötrino B. pion C. nötron D. müon E. ksi 7. Kark modeline göre κ + kaonnn iç yapısı nasıldır? A. sss B. dd C. ss D. d E. s 8. Aşağıdakilerden hangisi en küçük kütleye sahip temel parçacıktır? A. Elektron B. nötron C. müon D. kark E. ta 9. Kütle-çekim etkileşmesinin bozon hangisidir? A. foton B. glon C. graviton D. W E. Z 10. Günümüzde bilinen toplam kark sayısı nedir? A. 36 B. 24 C. 12 D. 6 E. 3 Yararlanılan ve Başvrlabilecek Kaynaklar Aygün E., Zengin D.M., Kantm Fiziği, Ankara, 1990. Beiser A.,Concepts of Modern Physics,McGraw-Hill Book Company, 1967. Gündüz E., Modern Fiziğe Giriş, İzmir, 1988. Modern Fizik, Anadol Ü. Açıköğretim F. Lis. Tam. Prog., Eskişehir, 1991. Taylor J.R., Zafaritos C.D., Modern Physics for Scientist and Engineers, Prentice- Hall Inc., Mc Graw-Hill Book Comp., 1996. Değerlendirme Sorlarının Yanıtları 1. B 2. D 3. C 4. D 5. E 6. A 7. E 8. B 9. C 10. A AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ