Kuarkların Dünyası (Geçmiş Yazı Dizisi)

Acaba maddenin temel yapıtaşları nelerdir? Bir zamanlar bilimciler, atomun bölünemez olduğunu kabul ediyorlardı fakat, 20. yüzyılın ilk birkaç on yılı içinde, atomların, nötron, proton ve elektronlardan müteşekkil olduğu keşfedildi. Elektronlar başlangıçta gerçekten de “temel” gibi gözükseler de, 1960’larda fizikçiler, proton ve nötronların, kuark denen daha küçük parçacıklardan kurulu olduğunu fark ettiler. Parçacık fizikçileri şimdilerde, temel yapı taşlarını iki grupta tarif ediyorlar- kuarklar ve leptonlar (elektronlar da bunlara dahildir). Her grup, altı çeşit kuark ve altı çeşit lepton içerecek şekilde, altışar adet üyeye sahiptir. Sadece, “aşağı”(down) ve “yukarı”(up) olarak isimlendirilen iki çeşit kuark, proton ve nötronu oluşturmak için gerekliyken, diğer dört cins kuarkın, kozmik ışınlarda ve yüksek enerjili parçacık çarpıştırma deneylerinde görülen daha egzotik ve kısa ömürlü parçacıkların meydana gelmesinde kullanıldığı sanılıyor. Kuarklar, leptonlardan oldukça farklıdır. Aralarındaki esas farklılık, kuarkların, “güçlü kuvvet" denen bir temel kuvvete bağımlıyken, leptonların bundan etkilenmemeleridir. Güçlü kuvvet, şaşırtıcı derecede karmaşık bir dünyanın parçaları haline gelmek üzere, proton gibi daha karmaşık parçacıkların oluşabilmesi için kuarkları birbirlerine bağlar.

KUARKI BULMAK “Finnegan’ın Uyanışı”

Kuark fikrinin temeli, protonla ilişkili kısa ömürlü parçacıkların özellikleri üzerine yapılan çalışmalardan doğmuştur. Elementlerin özellikleri üzerine benzer bir çalışma, 1896 yılında Dimitri Mendelev’in periodik cetveli oluşturmasına yol açmıştır. Daha sonra atom çekirdeğinin ve elektronların keşfi, Mendelev’in tablosundaki düzenliliğin, atomların iç yapısını yansıttığını ortaya koymuştur. Şimdi, bir yüzyıl kadar sonra, atom altı parçacıkların arasındaki ilişki kalıplarının, bunların iç yapılarını yansıttığını biliyoruz. Protonun, atomik çekirdeğin çapı veya daha küçük mesafe aralıklarında etkili iki temel kuvvetten biri olan güçlü kuvvet yoluyla birbirleriyle etkileşebilen bir çok akrabası vardır. Birbirleriyle kuvvetli bir biçimde etkileşen bu parçacıklara toplu olarak hadronlar adı verilir (Yunanca “kuvvetli” anlamında). Oldukça kararlı olan protondan ayrıyken, hadronların tümü kararsızdır. Ayrıştırılmış bir nötron yaklaşık 15 dakika kadar var olabilirken, diğer hadronların oldukça kısa yarı-ömürleri vardır. Kısa ömürlü hadronlar, sadece laboratuvardaki deneyler sonucu üretilen yapay ürünler değildirler. Bunlar aynı zamanda, atmosferin yüksek tabakalarında, atomlarının çekirdeklerine -uzaydan gelen (genellikle protondan oluşan) yüksek enerjili parçacıklar olan- kozmik ışınların çarpması sonucu, doğal olarak da meydana gelirler. Kozmik ışın çarpışma deneyleri, pion, kaon ve lambda gibi, yarı ömürleri 10-8 ile 10-10 sn arasında değişen (ve genellikle Yunan alfabesindeki harflerle isimlendirilen) hadronlara dair ilk kanıtları ortaya çıkarmıştır. Bunun yanında, parçacık hızlandırıcıları kullanılarak yapılan deneyler, kozmik ışın çarpışmalarının kontrollü koşullarda taklit edilebilmesini mümkün kılmış ve ortaya çıkan parçacıklar hakkında fizikçilerin daha sistematik çalışmalar yapabilmelerine imkan sağlamıştır. Hadronlara dair bu tip çalışmalar sonucunda ortaya çıkarılan ilk bulgular, bazı hadronların diğerlerinden farklı olduğunu gösteren ve makroskobik dünyada benzeri bulunmayan yeni bir özellikti. Bu özellik, esasen garip gözüken davranışlara neden olduğundan, gariplik (strangeness) olarak adlandırılmaya başlandı ve bu özelliğe sahip parçacıklara da garip parçacıklar adı verildi. Buraya kadar bahsedilen parçacıklardan ne proton ve nötron, ne de pion garipliğe sahiptir. Fakat, kaon ve lambda 1 birimlik garipliğe sahipken, sigma denen bir parçacık 2 birim garipliğe sahiptir. 1960’ların başlarında, Amerikalı Murray Gell-Mann ve İsrailli Yuval Ne’eman, birbirlerinden bağımsız olarak, bilinen hadroları, yüklerine, garipliklerine ve spinlerine (parçacığın içkin açısal momentumu) göre sınıflandırma üzerine çalıştılar.

Sonuçta, sekiz parçacıklı (oktet) ve on parçacıklı (dekuplet) kalıpların bulunduğunu fakat bu kalıplar arasında boşluklar olduğunu buldular. Daha sonraları, bu parçacık gruplarının, SU(3) (Üç boyutta özel bileşik grup (special unitary group in three dimension)’un kısaltması) olarak bilinen matematiksel simetri grubu teorisiyle ilişkilendirebilecekleri anlaşıldı. Sınıflandırmada kullanılan SU(3) şemasındaki boşluklardan biri, negatif yüklü ve üç birimlik tuhaflığa sahip olan yeni bir parçacığa karşılık geldi. Fizikçiler bu parçacığa omega-eksi (omega-minus) adını verdiler. Daha sonraları, 1964 yılında, New York’daki Brookhaven Ulusal Laboratuarı’ndaki bir araştırma grubu, bu teorinin tahminler yürütmek için kullanılabileceğini onayladı; bu aynı zamanda kuark kavramına giden yolu da açmış oldu. SU(3) matematiği, büyük grupların (oktet ve dekupletlerin), sadece 3 üyeden oluşan basit bir gruptan yapılı olması gerektiğini gösterdi. Dolayısıyla, gözlenen hadron gruplarının, üç parçacıklı gruplardan oluşup oluşmadığı sorusu gündeme geldi. Gell-Mann ve bağımsız olarak bir başka Amerikalı George Zweig, hadronların gerçekten de bu tip temel yapılardan oluştuğunu öne sürdüler. Gell-Mann, James Joyce’un Finnegan'ın Uyanışı (Finnegans Wake) isimli kitabından bir alıntıyla, bunlara kuark adını verdi. Bununla beraber, gözlenen hadronları gruplandırmak için kuarkların, elektronun sahip olduğu yükün (e) 1/3 ve 1/4'ü kadar kesirli elektrik yüklerine sahip olması zorunluluğu ortaya çıktı.
Ondokuzuncu yüzyılın başlarında Michael Faraday, elektroliz üzerine çalışmalarında, elektrik yükünün daima bir “birim” yükün tam katları şeklinde olması gerektiğini ortaya koymuştu. J.J. Thomson’un, 1897 yılında, tüm maddenlerin bilinen ilk temel parçacığı olan elektronu keşfetmesi, bu yükün, elektronun yükünden başka bir şey olmadığı fikrini uyandırdı. Dolayısıyla ilk başta, kuarkların böyle kesirli yüklere sahip olması yepyeni bir bulgu olarak ortaya çıktı ve bazı fizikçilerin, kuarkların gerçek parçacıklardan ziyade, matematiksel artefaktlar olabileceğini düşünmelerine bile neden oldu. 1964 yılında bilinen tüm hadronları yapabilmek için, üç tane kuark gerekliydi. Biz bunlara, yükleri sırasıyla (2/3)e, -(1/3)e ve -(1/3)e olan, yukarı (up, u), aşağı (down, d) ve tuhaf (strange, s) kuarklar diyoruz. Yukarı ve aşağı kuarkların sıfır tuhaflığı varken, tuhaf kuark –1 tuhaflık değerine sahiptir. Kuarkları bir araya toplayarak, ½ spinli (duu olan proton, ddu olan nötron ve dus olan lambda gibi) veya 3/2 spinli (sss olan omega gibi) hadronları içeren baryonları elde ederiz. Alternatif olarak, bir kuark ve (yük ve tuhaflık bakımından tamamen ters değerlere sahip olan) karşı-kuarkı birleştirerek, mesonlar denen, 0 veya 1 spine sahip hadronları elde edebiliriz. Bunlar, yüklü pionları (u kuark ve d karşı-kuark, veya tersi) ve yüklü kaonları (u kuark ve s karşı-kuark, veya tersi) içerirler. Kuarklar fikrini, özellikle alışılmışın dışındaki kesirli yükleri nedeniyle olduğu gibi kabul etmek zordu. O zamana kadar hiç kimse, 1/3e veya 1/2e yük taşıyan parçacıklar gözlemlememişti. Ayrıca, madem diğer parçacıkların içinde yer alıyorlardı, o halde neden proton ve nötronun çekirdekten fırlatılmaları gibi, yüksek enerjili çarpışmalarda fırlatılmıyorlardı?

PROTONUN İÇİNDE Aktif Arı Kovanları

Kuarkların, proton ve nötronların (yani günlük hayatımızda karşılaştığımız maddeleri oluşturan hadronların) içinde bulunduğu fikri, parçacıkların iç yapılarının derinlemesine incelendiği deneysel çalışmalardan ortaya çıkmıştır. Temel prensip, leptonlar denen daha az karmaşıklıkta parçacıklar kullanarak, daha karmaşık olan protonun iç yapısının aydınlatılmasıdır. Bildiğimiz kadarıyla, leptonlar, belli bir yapıları olmadığından ve bir nokta gibi davrandıklarından karmaşık değillerdir. Güçlü kuvvetten etkilenmezler; dolayısıyla, meydana gelebilecek herhangi bir etkileşim, (yüklü parçacıklar arasındaki) elektromanyetik kuvvet ve (belli ışımaetkinlik biçimlerinin temelini oluşturan çekirdek kuvveti olan) zayıf kuvvete bağlı olarak değerlendirilebilir. Bu deneylerin bir başka önemli özelliği, araştırmada kullanılan leptonların yüksek enerjiye sahip olmalarıdır. Kuantum teorisi bize bu “parçacıkların”aynı zamanda dalga tabiatına da sahip olduklarını söyler. Bir dalga parçacık yapısı söz konusu olduğunda, parçacığın enerjisi ne kadar yüksekse, ilişkili dalga boyu da o kadar kısadır. Dolayısıyla, bir parçacığın enerjisi ne kadar yüksekse, ilişkiye geçebileceği yapılar da o kadar küçük olacak, başka bir deyişle, çekirdek araştırması da o derecede derin olacaktır. İlginç olabilecek kadar büyük enerji düzeylerinde gerçekleşen çarpışmalar, genellikle protonun yeni parçacıklar oluşturmak üzere parçalanmasına neden olurlar. Bu tip çarpışmalar, bilardo toplarının çarpışmasına benzeyen “esnek” çarpışmalardan farklı, “esnek olmayan” çarpışmalardır. Bu iki etki beraber, derin esnek olmayan saçılma adıyla anılan ve leptonların protonun iç yapısını araştırmak üzere kullanıldığı yüksek enerji deneylerinin yapılmasını mümkün kılar. 1960’ların sonunda, California’daki Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi’nde (Stanford Linear Accelerator Center – SLAC) çalışan fizikçiler, protonun yapısını belirlemek üzere, 3 km uzunluğundaki bir araçtan elde ettikleri elektron huzmeleri ile deneyler yaptılar. Bu deneylerde elektron huzmeleri, negatif yüklü elektronların, hidrojende bulunan pozitif yüklü protonlar ile elektromanyetik kuvvet aracılığıyla etkileştiği, sıvı hidrojenden oluşan hedeflere yönlendirildi. Saptayıcılar, saçılan elektronların enerjilerini ve sapma açılarını ölçtüler. Bu ölçümlerin analizi sonucunda, protonun elektron açısından neye benzediği konusunda bir fikir sahibi oldular; bu fikir aynı zamanda, proton içindeki elektrik yüklerinin, yüksek enerjili elektronlarla nasıl etkileştiğini de göstermiş oluyordu. Elde edilen sonuçlar, elektronların proton boyutundaki yük bulutları içinden geçmekten ziyade, çok küçük, noktamsı yük yoğunlaşmalarına çarptıklarını gösteriyordu. Aslında bu “yığınlar”, elektronları yollarından saptıracak ve elektrondan protona büyük miktarlarda enerji ve momentum aktarımına neden olacak kadar da yoğundular. Bu bulgular, protonun aslında daha küçük bölümler veya (Amerikalı teorisyen Richard Feynmann’ın deyişiyle) “parton”lar içerdiğine dair önemli kanıtlardı. Peki ama, bu partonlar, kuarklar mıydı acaba? Bu bağlantıyı sağlayabilmek için, partonların yüklerinin bilinmesi gerekiyordu. Elektronlar partonlarla etkileştiklerinde, elektromanyetik kuvvet aracılığıyla saçılırlar. Bununla beraber, nötrinolar yüksüzdür ve sadece zayıf kuvvet yoluyla etkileşebilirler. Dolayısıyla, bu iki tip parçacığın saçılma miktarları karşılaştırıldığında, partonların yükü ortaya çıkarılabilirdi. Bu konuda ilk sonuçlar, Cenevre’deki Avrupa parçacık fiziği araştırma merkezinde (CERN), Gargamelle denen büyük bir kabarcık odası ile deneyler yapan fizikçilerden geldi. Fizikçiler, Gargamelle’den elde ettikleri nötrino sonuçlarını, SLAC’dan gelen elektron sonuçları ile karşılaştırdıklarında, bu sonuçların, partonların 1/3e ve 2/3e yükler taşıdıklarını çok güzel bir biçimde ortaya koyduğunu gördüler. Artık, alışılmadık kesirli elektrik yüklerine sahip kuarkların, proton ve nötronların bileşenleri oldukları kanıtlanmıştı.

“BÜYÜLÜ” ve “ALT” Madde ve Karşı-madde

Kuarkları incelemenin bir başka yolu, diğer parçacıklar içinde aramak yerine onları "yapmaktır". Kuarklar, yeni partiküllerin, özellikle kuark-karşı-kuark çiftlerinden oluşmuş mezonların oluşmasıyla sonuçlanan yüksek enerjili çarpışmalarda ortaya çıkarlar. Bununla beraber, kuark oluşturmak için ulanılabilecek özellikle ilginç olan bir başka yol, elektronların, karşı-parçacıkları olan pozitronlarla çarpıştırılmasıdır. Bir parçacık, kendisiyle aynı kütleye, fakat yükü gibi zıt özelliklere sahip karşı-parçacığına rastladığında, sonuç kendi kendine oluşan bir yıkımdır ve yokoluş (annihilation) olarak adlandırılır. Parçacık ve karşı-parçacığı yok olurken, birleşen kütleleri foton biçiminde enerjiye (veya enerjileri yeterince yüksekse, Z0 denen bir parçacığa) dönüşür. Foton ise, enerji yeni bir parçacık ve karşı-parçacık oluşumuna yol açana kadar, yalnızca kısa bir an için varlığını sürdürür. Oluşan yeni parçacık-karşı-parçacık çifti, yokoluşa uğrayan parçacık çiftiyle aynı olmak zorunda değildir. Eğer yeterli enerji varsa, bir elektron-pozitron çifti, bir muon-karşı-muon çifti, bir tau-karşı-tau çifti veya herhangi uygun bir kuark-karşı-kuark çifti oluşturabilir. 1974 yılında, elektron-pozitron yokoluş deneyleri, yeni, daha ağır, dördüncü bir tip kuark olan ve büyülü (varlığının bulunması bazı teorik problemlerin çözümü için büyü gibi işlev görmüştü) olarak adlandırılan bir kuarkın varlığına dair deliller sağladı. SLAC’da inşa edilmiş olan bir elektron-pozitron çarpıştırma makinasında yapılan deneyler, J/psi olarak adlandırılan yeni bir parçacığın varlığını ortaya koydu. J/psi, bir büyülü kuarkın, anti-kuarkı ile bağlanması sonucu oluşan bir mezondur. Çarpışan elektron ve pozitronun toplam enerjileri, J/psi’nin kütlesini (protonun kütlesinin 3 katı kadar) oluşturmaya yeterli olduğu takdirde, araştırıcılar, detektörlerinden akıp geçen parçacık oranında inanılmaz bir artış gözlediler. Bunlar, kararsız olan J/psi parçacığının bozunma ürünleriydi. J/psi parçacığı, Brookhaven laboratuarında, yüksek enerjili protonların berilyum bir hedef ile çarpışmaları sonucu oluşan elektron ve pozitron çiftlerinin incelendiği bir başka deneyde de ayrıca keşfedildi.

Buradaki durumda, SLAC’da gözlenen sürecin tam tersine araştırıcılar, J/psi parçacığını, kuarkı ve antikuarkının bir elektron-pozitron çifti oluşturacak şekilde yok olması sonucunda gözlediler. Beşinci ve daha ağır, alt denen bir kuark da, benzer biçimde, 1977 yılında Illinois Fermilab’daki deneylerde ortaya çıktı. Burada araştırıcılar, yüksek enerjili protonların bir hedefle çarpışmaları sonucu ortaya çıkan muon-anti-muon çiftleri üzerine çalışıyorlardı. Bu kez, protondan yaklaşık 10 kat ağır olan yeni bir parçacık hakkında kanıtlar buldular. Bu parçacık, alt kuarkın anti-kuarkı ile bağlanarak oluşturduğu yeni ve ağır bir kuark olarak değerlendirilebilirdi. Tuhaf kuark gibi, büyülü ve alt kuarkların her ikisi de, oluşmalarına yardım ettikleri parçacıklara verdikleri, kendilerine has bazı özellikleri taşıyor gibi görünmektedirler. Örneğin, bir büyülü kuark ile başka bir tipten anti-kuark içeren “büyülü” mezonlar mevcuttur. Kuarklar, zayıf kuvvet aracılığıyla bir tipten diğerine dönüşebilirler ve en sonunda, alt, büyülü ve garip kuarkların tümü, gündelik hayatta karşılaşılan maddelerde, u ve d kuarklara bozunurlar.
RENKLİ KUARKLAR

Protonun İçindeki Yapıştırıcı

Elektron-pozitron çarpışmaları sonucunda bu şekilde kuarkların ve antikuarkların oluşturulması, kuarkların bir başka özelliğini de ortaya çıkarmıştır. Elektron-pozitron yokoluşunda bir parçacık-anti-parçacık çifti oluşma olasılığı, parçacığın yükünün karesine bağlıdır. Dolayısıyla, kuark ve antikuarkları içeren parçacıklar olan hadronların üretilebilme olasılığının, muon ve anti-muon çiftlerinin üretilebilme olasılığına oranı, bir muonun, basitçe e olarak gösterilebilen yükünün büyüklüğüne göre, tüm kuark tiplerinin yüklerini yansıtmalıdır. Buradan yola çıkılarak yapılan deneyler, hadronların, kuark tipleri ve yükleri üzerinden yapılan hesaplamalar sonucu ortaya çıkması beklenen orandan 3 kat daha fazla bir oranda oluştuklarını gösterdi. Bu durum, kuarkları birbirinden ayıran bir başka özelliğin varlığını gösterdi; öyle ki, her kuark tipi, üç ayrı durumda bulunmalıydı. Işığın ana renklerine atfen, bu özelliğe renk adı verildi ve bildiğimiz renklerle herhangi bir ilişkisi olmamasına rağmen, kuarkların bu üç durum değeri, kırmızı, yeşil ve mavi olarak adlandırıldı. Kuarkların bu özelliğine dair bir başka kanıt da, üç adet tuhaf kuark (sss) içeren omega-eksi parçacığından geldi. Derin elastik olmayan saçılma deneylerinin de gösterdiği gibi, kuarkların ½’lik bir içsel spini vardır. Bununla beraber, omega-eksi parçacığının spini 3/2’dir ki, bu durum, parçacığı oluşturan üç s kuarkın, aynı doğrultuya yönelmiş spinleri olduğu anlamına gelir. Bu bir sorun ortaya çıkarır, çünkü kuantum kuramının bir Pauli’nin Dışlama İlkesi olarak bilinen sonucu uyarınca, spinleri aynı olan parçacıklar,aynı uzay bölgesinde, aynı yöne doğru olan spinlerle beraber bulunamazlar. Bu durum omega-eksi için ancak, kuarkların bir başka özellik açısından farklı olmaları durumunda gerçekleşir ki bu özellik “renk”tir. Bu renk özelliği sadece kuarklara hastır ve güçlü kuvvetin kökeninde yer aldığı düşünülmektedir. Elektronlar gibi leptonlar, renk özelliğinden yoksundurlar ve güçlü kuvvetten etkilenmezler. Kuarkların oluşturduğu daha karmaşık parçacıklar-baryon ve mezonlar- da renk özelliğinden yoksundurlar. Fakat, bir parçacık içerisinde renkli kuarklarla, diğer parçacıklardaki renk özelliklerinden etkilenmek açısından yeterince yakınlaştıklarında kuvvetli bir biçimde etkileşirler.

Hadronların içerdikleri kuarkların ve antikuarkların renkleri birbirlerini nötralize ederler. Bu nötralizasyon, elektronların negatif yüklerinin atomu oluşturmak üzere protonun pozitif yükleri ile dengelenmesi gibi değil, tamamen bir nötralizasyondur. Proton gibi bir baryon, her biri farklı renkte 3 kuark içerir (kırmızı, yeşil ve mavi). Mezon, uygun anti-renkte (örneğin anti-kırmızı, buna, kırmızının tamamlayıcısı olan siyan mavisi diyebiliriz) bir antikuarkla bağlı halde tek renkte bir kuark içerir (örneğin kırmızı). Renk, güçlü kuvvetin kuantum torisi olan kurantum kromodinamiğinin anahtar bileşenlerinden biridir. Bu teoride, elektrik yükünün elektromanyetizmanın kaynağı olması gibi, renk yükü de güçlü kuvvetin kaynağıdır. Dahası, renkli kuarklar etkileştiğinde, güçlü kuvveti taşıyan parçacıklar olan gluonları değiş tokuş ederler. Bu, kuantum seviyesinde gücü fotonların taşıdığı elektromanyetizm ile benzerdir. Önemli bir fark, fotonların elektrik yükü taşımamalarına rağmen, gluonların renk bileşenleri taşımaları ve bir kuarktan diğerine geçtiklerinde, kuarkların renklerini değiştirmeleridir. Bu özelliğin, kuarkların aralarındaki mesafenin artmasıyla, güçlü kuvvet etkileşiminin de artması gibi ilginç sonuçları vardır. Yüksek enerji çarpışmaları hiçbir kuarkı parçacıkların dışına çıkaramamıştır. Bunun yerine, bir çarpışma sırasında enerji, kuark-antikuark çiftleri (bşka bir deyişle mezonlar) halinde maddeleşir ve kozmik ışın çarpışmalarında görüldüğü gibi, parçacık püskürmelerine neden olur.
KUARK DENİZİ İçerideki Kaynayan Dünya Derin esnek olmayan çarpışma ve elektron-pozitron yokoluş deneyleri sadece protonların içinde gluonların varlığını onaylamakla kalmamış, ayrıca kuantum kromodinamiği kuramının geçerliliğini de ortaya koymuştur. Örneğin, SLAC’da Gargamel ile yapılan ilk deneyler, protonun etrafında hareket eden kuarkın taşıdığı momentumun ölçülmesi üzerineydi. Sonuçlar, kuarkların sadece momentumun yarısını taşıdığını ve protonun içine gömülü başka “parton”lar bulunması gerektiğini gösteriyordu. Bu diğer partonlar sadece gluonları değil, bir gluondan yine bir gluona dönüşüm sırasında bir an için varolabilen kuark-antikuark çiftlerini de içerir. Dolayısıyla protonlar, gluon ağı içine gömülmüş üç “valans kuarkı”nı ve bir kısa ömürlü (efemeral) kuark-antikuark “denizi” içerir. 1980’lerde, CERN’de yapılan detaylı yüksek enerjili nötrino ışını deneylerinde, fizikçiler antikuarkların bile varlıklarını tespit ederek, protonun içindeki farklı sınıflara ait parçacıkların derin esnek olmayan çarpışmalara katkı yapma yollarını ortaya koyabilmişlerdir. Güçlü kuvvetin, kuarkların protondan çıkmasını engellediği düşünülse de, deneylerde, tek bir enerjetik kuarkın güçlü kuvvetin etkisinden kurtulmaya çalışırken maddeleşmesi şeklinde meydana gelen parçacık püskürmeleri veya “jetleri” tespit edilmiştir. 1979’da Hamburg’daki Alman Parçacık Fiziği Merkezi DESY’deki fizikçiler, bu jetlerin kuarklar kadar, gluonlara da bağlı olduğunu keşfettiler. Bu deneylerde, bir elektron ve pozitron, biri bir elektronun foton yaydığı gibi gluon yayan bir kuark-anti-kuark çifti oluşturacak şekilde yokolmuştur. Kuark, anti-kuark ve gluonun her biri, karakteristik üçlü jet olayını oluşturan parçacık saçılmaları üretmektedirler. Protonun içindeki bu kaynayan dünyayı keşfetmek üzere en son deneyler, DESY’de, protonlarla elektronlarla kafa kafaya çarpışmasını sağlayan yeni bir makine olan HERA aracılığıyla gerçekleştirilmiştir. Öncekilerden daha yüksek çarpışma enerjileri sayesinde HERA ile yapılan deneyler, protonun şimdiye kadar olduğundan çok daha derin olarak incelenmesini mümkün kılmıştır. Fermilab’daki fizikçiler ise, altıncı (top) kuarkı keşfedebilmek umuduyla, proton ve anti-protonlar arasındaki çok yüksek enerjili çarpışmaları incelemektedirler. Kuark ve lepton teorilerinin altında yatan simetri ve bunların etkileşimleri, -(1/3)e yüke sahip alt kuarka eşlik eden +(2/3)e yüklü bir ağır kuarkla beraber, altı kuark bulunduğunu düşündürmektedir. Bu kuarkın bulunması, proton ve bir çok egzotik akrabasında bulunan kuarkların tuhaf dünyasına dair incelemelerimizdeki önemli kayıp halkayı bize gösterebilir. Kuarkların ve elektronların 10 -18 metreden küçük olduklarını kesin olarak bilmemize rağmen, iç yapıları olup olmadığından yani onlarında daha temel parçaçıkların bileşikleri olup olmadığından emin değiliz.
Özet olarak, atomların protonlardan, nötronlardan, ve elektronlardan oluştuğunu biliyoruz. Protonlar ve nötronlar da kuarklardan oluşmuşlardır. Ancak kuarklarında daha temel parçaçıklardan oluşmuş olma olasılığıda vardır.
Kuarkların ardında ne olabilir? Sicim Teorisi!

Zaman Yolculuğunu Araştırma Merkezi © 2005 Cetin BAL -Turkey / Denizli

Kuarklar: Atomun Dip Parçacıkları

Neler Öğreneceğiz?
1. Kaç Kuark biliyoruz? Adları nelerdir ve nerede bulunurlar?
2. Atomun Kısa Tarihi
3. Leptonlar nelerdir?
4. Parçacık dünyasında birimler (kütle, hız, enerji ve momentum)
5. Proton ve nötronun içinde neler dönüyor?
6. Kuarklar nasıl öngörüldü, nasıl keşfedildi? Kuark gören var mı?
7. Kuarkların mavi, yeşil ve kırmızı renkli olmalarının anlamı nedir?
8. Madde ve antimadde çarpışmaları nasıl sağlanıyor?
9. Kararsız parçacıkların kütleleri neden sabit bir değer değildir?
10. Doğanın dört temel etkileşimi ve onların aracı parçacıkları nelerdir?

Simetri, doğanın en temel varoluş düzeyinde karşımıza çıkan bir özelliktir. Bu durum Dünya’nın yaşamış en büyük kadın matematikçisi olan Emmy Noether (1882-1935) tarafından keşfedilmiştir. En başta kuarkların ve başka parçacıkların esin kaynağı olmuş bir kavramdır simetri. (Yandaki resim: M.C.Escher)

Yirminci yüzyılın başlarına dek doğanın işleyişini klasik fiziğin ölçeğinde anladık; ama bu anlayışımız yüzyılın ilk çeyreğinde derinleşti. Klasik fizik, maddenin sürekli bir ortamdan oluştuğunu, enerjinin de sürekli olduğunu var sayar. Yine de bu fizik, yıldızlarası uzaklıklardan milimetrenin yaklaşık yüzde birine kadar geçerliliğini korur. Ancak maddenin tanecikli, yani atomlu yapıda olduğu kanıtlanmış ve yirminci yüzyılın ilk yirmi yılında yapılan çalışmalar, algılarımızı milimetrenin milyonda biri kadar küçük uzunluklara indirmiştir. Moleküllerin atomlardan, atomların çekirdek ve elektronlardan oluştuğunu öğrendik. Daha sonra proton ve nötronların, kuark (quark) adı verilen çok daha küçük parçacıklardan oluştuğunu öğrenmiş bulunuyoruz. Bildiğimiz maddeyi oluşturan temel parçacıklar kuarklar ve leptonlar.
Altı kuarkve altı lepton var. Bu on iki madde parçacacığıyla her türlü canlıdan nötron yıldızlarına kadar her şeyi yapabiliriz. Bir de ayar bozonları gibi havalı bir adla anılan alan parçacıkları ya da etkileşimin aracı parçacıkları var. Onlara kısaca bozonlar deniyor. İsterseniz her şeyi bir anda öğrenmek yerine bir nefes alalım.
Atomun En Kısa Tarihi
Atom, daha fazla bölünemeyecek en küçük madde parçası anlamında doğdu. Onun bölünebilir yapıda olduğu 19. yüzyıl sonunda J.J Thomson’un elektronu bulmasıyla ve H. Becquerel’in radyoaktifliği keşfiyle anlaşıldı.
Ernest Rutherford, 1911’de her atomda bir çekirdek bulunduğunu açıklayınca, atomun zaten kendi içinde büyük boşluk içerdiği daha da iyi anlaşıldı. Rutherford, atom çekirdeklerinin çok küçük bir boyutta, pozitif yüklü ve çok yoğun olduğunu gösterdikten başka 1919’da ilk çekirdek dönüşümü olayını da gerçekleştirerek yeni bir dalga yarattı. Bu deneyiyle aynı zamanda çekirdekteki pozitif yüklü parçacığın proton olduğunu gösterdi. Sonra onun bir öğrencisi olan Chadwick de 1932’de çekirdeğin öteki bileşeni olan nötronu keşfetti. Sizler de bugüne dek atomun üç temel parçacığı olarak çekirdekteki proton ve nötronu, onların çevresinde dönen elektronu tanıdınız. Bu bilgiler, 1932’de herkesin bildiği bilgiler.

– Bir elementin kimlik numarası, atomlarının çekirdeğinde bulunan proton sayısıdır, bu sayı aynı zamanda nötral atomda elektron sayısına eşittir ve atom numarası diye anılır, Z ile gösterilir.
– Bir atomun çekirdeğindeki proton sayısı (Z) ile nötron sayısı (N) toplamı, kütle numarası diye anılır, A ile gösterilir.

o Atom numarası aynı kütle numarası farklı atomlara izotoptur.
o Kütle numarası aynı atom numarası farklı atomlara izobardır.
o Nötron sayısı ayın proton sayısı farklı atomlara izotondur.
– gösterimi, uranyumun bu izotopunda 92 proton, 92 elektron, 143 nötron olduğunu bildirir.
Proton ve nötronlar, atomun çekirdeğini oluşturur ve bunun için onların her biri aynı zamanda “nükleon” diye anılır. Proton, pozitif elektrikle yüklü iken nötron yüksüzdür; elektron ise negatif elektrikle yüklüdür. Ayrıca bir protonla bir elektron zıt işarette ama aynı birim elektrik yüküne sahiptir. Bu genel atom yapısının tek istisnası, Evrenimizin en bol elementi olan hidrojenin bir izotopudur. Normal hidrojen dediğimiz bu izotopta bir proton ile bir elektron vardır yalnızca. Hidrojenin iki izotupu daha vardır. Döteryum (1 proton, 1 nötron, 1 elektron) ve trityum (1 proton, 2 nötron, 1 elektron). Bilim tarihinin şaşırtıcı gerçeklerinden biri, atomun içine yolculukta en önce keşfedilenin, atomun en küçük (en azından kütlece en küçük) parçacığı olan elektron olmasıdır. Bu dediğimin keşfi 19. yüzyılın sonuna doğru yapıldı. Atomun içine doğru yolculuk, 20. yüzyılın en büyük bilimsel ve dehşetli (atom ve hidrojen bombalarını düşünüyorum) yolculuğu oldu.Sonra bir beta bozunması olayı ile nötronun pek de kararlı olmadığı anlaşıldı. Atomun üç ana parçacığı (elektron, proton ve nötron) arasına dördüncü olarak nötrino katıldı. Bu durum da bilimciler arasında büyük bir tartışma başlattı. Bereket onlar hem ihtiyatlı, hem de kanıtlı konuşmaya özen gösterdikleri için bu tartışma, bir savaşa yol açmadı! Üstelik onlar, tartışmayı sonuca bağlamanın bir yolu olarak parçacık hızlandırıcılarının yapılmasını düşündüler. Düşünmek bir aşamadır; ama bir de bunun hükümetlere kabul ettirilmesi süreci var. ABD, atom bombasını Hiroşima ve Nagazaki kentlerine atmakla hata yapmış olsa da atom bombası projesinden muazzam şeyler öğrendi. Bir ara atom bombası projesinin olağaünstü yetenekli bilim yöneticisi Robert Oppenhemir’i bile elektrikli sandalyeye gönderecekken, McCarty antikomünizminin sahtekarlığı açığa çıktı da Oppenheimer yaşayabildi.
Kuarklar ve Leptonlar
Altı kuark ve altı lepton var demiştik. Bir de bozonlardan söz etmiştik. Şimdi onları da tanıyalım.
Kuarklar: u, d, s, c, b, t. [Sırayla u, up (yukarı); d, down (aşağı); s, strange (tuhaf); c, charm (büyülü); b, bottom (dip); t, top (tepe) ]
Bunların varlığı 1960’larda matematiksel olarak ortaya kondu ve 1969-1995 arasındaki yaklaşık yirmi beş yıllık sürede hepsi deneysel olarak gözlendi. Altı kuark genellikle çiftler halinde anılır: up/down, charm/strange ve top/bottom. Her bir kuarkın kendi antikuarkı olduğunu da buna ekleyelim. Anti kuarklar simgenin üzerine bir çizgi konarak belirtilir.

Bir de Higgs bozonu H var. Bu, aranıyor!
Leptonlar(elektron, elektron nötrinosu; muon, muon nötrinosu ve tau ile tau nötrinosu). Bunlar spini ½ olan parçacıklardır. Kütleleri ve yarıömürleri bakımından farklılık gösterirler. Leptonların simgeleri ve bazı özellikleri aşağıdaki tabloda özetleniyor. Tablodan da görüldüğü gibi elektron, muon ve tau, negatif yükke sahiptir.

Muon, bozunduğunda bir elektron, bir antielektron nötrinosu ve bir muon nötrinosu oluşturur:

Tau bozunduğu zaman bir muon, bir muon nötrinosu ve bir tau nötrinosu oluşturur. Bazen ürünler elektron, elektron antinötrinosu ve tau nötrinosu daolabilir:

Parçacıkların kütleleri, hızları, enerjileri ve momentum büyüklükleri konusunda temel bilgiler edinirsek, onlar hakkındaki yargılarımız zihnimizde daha iyi bir fotoğraf bırakacaktır.
* * * * *
Birimler: Kütle, Işık hızı, Enerji, Momentum
Aşağıdaki formül ve birimler, ezberlenmek için değil, hesapların nasıl yapıldığını göstermek ve büyüklükler arasında bir kıyas yapabilmek için verilmiştir.
Enerji elektron volt eV
Kütle eV/c2
Momentum eV/c
Kütlesi m, momentumu p olan serbest bir parçacığın toplam enerjisi,
E= p2c2+m2c4
Parçacık kütlesiz ise E = pc veya E = mc2
Bu ilişkilerden dolayı kütle biriminin eV/c2 ve momentum biriminin eV/c birimleriyle gösterilmesi uygun olacaktır.
Işığın vakumdaki hızı, c = 2.998´108 m/s
Planck sabiti,
Muon (µ+, µ–), bir muon kütlesi = 207 me= 106 MeV/c2
1 eV =1.60x10-19 C (coulomb) x 1 V
= 1.60x10-19J (joule)
=1.60x10-12 erg
106 eV= 1 MeV, 1 GeV = 109 eV ve 1000 GeV= 1 TeV
Elektronun kütlesi, me = 0.511 MeV/c2
Protonun kütlesi, mp = 938.272 MeV/c2= 1836.149 me
Nötronun kütlesi, mn = 939.566 MeV/c2=1838.679 me
W ve Z bozonlarının kütleleri Mw ≈ 80 GeV/c2 ve MZ ≈ 91 GeV/c2
SI birimlerine çevirme faktörü 1.783x10-30 kg/ (MeV/c2) dir.
Bizim atomic kütle birimi (akb) olarak kısalttığımız birim, İngilizce kaynaklarda (u) ile de gösterilir:
1 u (1 akb) = 12C atomunun kütlesinin 12’de biri = 931.5 MeV/c2
= 1.660 54x10-27 kg.
* * * * *
Şu anda proton ve nötronun içindeki en küçük bebekler, kuarklar olarak görülüyor.
Kuarkların öyküsü, 1950’lerin başlarında yeni bir teknoloji olan parçacık hızlandırıcılarının kullanılmasıyla ortaya çıkan parçacık seliyle başlar. Fakat bu öykü, yalnızca teknolojik ya da deneysel bir öykü değil, aynı zamanda özellikle simetri aracının kullanılmasıyla insan zihninin yaratıcılığını da içeren zengin bir bilim tarihi kesitidir.
Bilimle iletişim kurmak için bir çok kavramı öğrenmek zorundayız.
Kuarklar, gerçekte yalnızca atomun değil, hadronlar (baryonlar ve mezonlar) denen daha genel parçacıklar sürüsünün dip parçacıkları. Baryonlar üçlü, mezonlar ikili kuark yapısına sahip.
Başlangıçta birçok parçacığın adını, yükünü, hangi sınıfa girdiği gibi pek çok niceliği öğrenmek size sıkıntı verebilir. Kime sıkıntı vermez ki? Koca Enrico Fermi bile bu sıkıntıyı dile getirmiştir. Leon Lederman’ın (Nobel Fizik 1988) Tanrı Parçacığı’nda (1993) anlattığı anısı şöyle: “Bir keresinden bir konferansta yemek kuyruğunda kendimi Fermi’nin arkasında buldum. Büyük adamın huzurunda olmanın coşkusuyla az önce dinlediğimiz K-sıfır-iki diye adlandırılan parçacığın kanıtı hakkında ne düşündüğünü sordum. Bir sür gözlerini buna dikte ve “Genç adam” dedi “bu parçacıkların adlarını anımsayabilseydim botanikçi olurdum.”
Fermi, botanikçiliğin daha da zorlu bir iş olduğunun altını çiziyor. Artık ezberleme devini kapattık. Anlama devrindeyiz. Zaten ezberlemeye kalktığınızda asıl ayrıntıları gözden kaçırabilirsiniz. Onun için gelin kuarklara giden yolun nasıl açıldığını öğrenelim.

Zayıf Kuvvet: Proton ve Nötronun İçine Bakış
İtalyan fizikçi Enrico Fermi (1901-1954, Fizik Nobel 1938) 1933’te atomla ilgili bilgilerimizi biraraya getirdi. Zayıf etkileşimle ilgili ilk kuantum teorisini kaleme aldı. Fermi, hem teorik hem de deneysel fizikte üstün yeteneklere sahip bir bilimciydi. Beta bozunması denen olayı açıklamak için çekirdekteki bir nötronun, bir proton, bir elektron ve bir antinötrinoya dönüştüğünü gösterdi ve bu dönüşümden sorumlu kuvvete “zayıf kuvvet” adını verdi. Nötrino, Pauli tarafından radyoaktif bozunma sürecindeki enerjinin korunumu için gerekli bir parçacık olarak düşünülmüştü; ona nötrino (‘küçük bir şey’) adını Fermi verdi. Nötrino, 1950’lere kadara deneysel olarak gözlenemese de muhasebeyi denkleştirmek için varlığı kabul gördü. Tıpkı Newton’un ortaya koyduğu bir kütle çekim sabiti gibi Fermi de zayıf etkileşimlerin toplam kuvvetini belirleyebilmek için fiziğe yeni bir sabit soktu. Bu sabite Fermi Sabiti diyoruz; bu, temelde bir kütle birimi belirlemektedir. Bu kütle birimi zayıf etkileşimlerin ölçeğini belirler ve yaklaşık olarak 175 GeV (milyar elektron volt/giga elektron volt) kadardır.
Fermi’nin bildirdiği parçalanma (beta bozunması), serbest (çekirdeki dışındaki) nötronlarda rutin olarak ortaya çıkar; ama çekirdeğin içine hapsolunca bu yalnızca özel koşullar altında gerçekleşir. Böylece anlıyoruz ki nötron, bir ‘bileşik’ parçacıktır. Proton ise daha farklıdır; bir kere serbest proton kararlıdır, yani parçalanmaz; ama çekirdek içindeki bir proton, bir nötron, bir pozitron ve bir nötrino doğurabilir. Buna göre proton da bir ‘bileşik’ parçacıktır.
Nihayet 1935’te Japon teorik fizikçi Hideki Yukawa (1907-1981, Fizik Nobel 1949) proton ve nötronların çekirdeki içinde pionlarca tutulduğunu ileri sürdü. Bu bir matematiksel sonuçtu aslında; ama 1937’de tam da Yukawa’nın öngördüğü kütleye sahip muon adında bir parçacık kozmik ışınlarda gözlendi. Muonun ilkin güçlü kuvvetin aracısı olan pion olduğu sanıldı. Fakat muon, proton ve nötronlarca kuvvetli bir etkileşime girmiyordu ve bu nedenle güçlü kuvveti açıklamak için kullanılamazdı. Muon elektronun kopyası gibiydi; ama elektrondan iki yüz kat daha ağırdı ve elektron gibi kararlı değildi. Parçacık üstüne parçacıkların gözlenmeye başlaması üzerine Galiçya (Avusturya-Macaristan) doğumlu Amerikalı fizikçi Isidor Isaac Rabi’nin (1898-1988, Fizik Nobel 1944) hayreti bir darbımesel olmuştur. Muonların keşfedildiğini duyduktan sonra “ Onları da kim ısmarladı?” demiştir. Fakat teorik fizikçilerin asıl en çok sipariş verecekleri parçacık teori ve keşifleri, bu söz söylendikten sonra başlamıştır. Pion, ilk kez 1947’de kozmik ışınlara tabi tutulmuş fotoğraf emülsiyonlarında Brezilyalı Cesare Letter, İtalyalı Guiseppe Occiallini ve Birstol’de kadrolu profesör olan C. F. Powell tarafından keşfedildi. Pionların keşfiyle Yukawa’nın dahiyane teorisi doğrulandı. O emülsiyonlarda olan şuydu. Yüksek hızlarda ortaya çıkan ama giderek yavaşlayan pionlar gümüş bromürün yoğunluğunu artırıyordu. Bu da bir iz olarak kendini gösterir. İzin sonunda yeni enerjik bir parçacık oluşur ve fırlar. Bir pion kararsızdır, bir mikrosaniyenin yüzde birinde bir muon (izin sonundaki yeni parçacık) ve başka bir parçacığa ayrışır. Bu iz brıkmayan parçacığın nötrino olduğu anlaşılmıştır. Yani bir pion, bozunur ve bir muon ve bir nötrino doğar. Söylediklerimiz, çok da kolay bir şey değildi; çünkü parçacık izlemeleri için kullanılan kozmik ışınlardan bir yılda bir avuç kadar pion yakalanabiliyordu. Kısacası yeterince yüksek enerjili parçacık hızlandırıcıları gerekiyordu. Berkeley’de, Rochester’de, Liverpol’da, Pittsburg’ta, Chicago’da, Tokyo’da, Paris’te, Dubna’da ve birçok üniversitede pionların incelenmesine başlandı. Bunların çoğu elektronları kullandılar; ama en başarılı verim proton kullanan deneylerden alındı.
Protonun yapısıyla ilgili bazı bilgiler veren ilk deneyler, 1950’lerin ortalarında Stanford Üniversitesi’nde Amerikalı fizikçi Robert Hofstadter (1915-1990) tarfından yapıldı. Aslında o, elektronlarla protonları bombardıman etti; ama çok titiz analizlerle protonun peçesini açtı ve onun bir iç yapısı olduğunu gösterdi. Bu çalışmasıyla 1961 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı.
Daha sonra Stanford’daki bilimciler, artık elektronların enerjisini 50 GeV’ye çıkartan 3 km uzunluğunda Stanford Doğrusal Hızlandırıcısınını (SLAC) inşa ettiler. Enerjisi 50 GeV olan b elektronların dalga boyu, tek bir proton ya da nötronun boyutlarından çok daha küçük olan 2.5´10-17 m uzunluğundaydı. Chicago yakınlarındaki Fermilab’daki Tevatron’da 1 TeV’lik (1 trilyon elektron volt) protonların dalga boyu yaklaşık 10-18 m idi. CERN’de 2010 yılında ilk olarak 3.5 TeV’lik çarpışmalar gerçekleştirildi. Şimdi 7 TeV’lik enerjide proton demetlerinin çarpıştırılması için çabalar sürüyor.
Biz eksen konumuz olan kuarkları elde tutarak yolumuza devam edelim.
Kuarklar : Dipten Gelen Çığlık!
Kuarkların öyküsü yarım yüz yıl öncesine gidiyor. 1960’lara. Fakat bu öykünün en can alıcı noktası, neredeyse atomun varlığının izini süren insan zihninin binlerce yılda aldığı yolu, yarım asıra sığdırmasıdır. Abartıyor muyum? Gerekçelerim var: Birinci olarak, kuarklar, matematiksel bir araç olarak ileri sürüldü. Onlar laboratuvarından dışarı fırlayan bilim adamının “buldum, buldum!” haykırışı ile değil, teorik fizikçilerin bir kâğıt ve bir kalemle ‘icat ettikleri’ parçacıklardır.
İkinci olarak kuarkların keşfi de ilginçtir. Yalnız teorisyenlerin değil, deneycilerin de katıldığı muazzam, rekabetçi, kimi zaman umut kırıcı, kimi zaman bilimcileri kendinden geçirici sonuçlarla dolu bir ortamın “yeni atomları” oldu onlar.
1950’lerin başında hızlandırıcılarda yapılan deneyler, yalnız nötronun değil, protonun da yüksek enerjilerde dengesini yitirip başka parçacıklara dönüştüğünü gösterdi. Sonrası gerçekten bir teori ve deney çağlayanın başlamasıdır. Yeni bir teknoloji olan parçacık hızlanırıcıları kullanılarak, protonlar atom çekirdekleri ile antiprotonlarla, elektronlarla çarpıştırıldı ve buradan bir parçacık seli elde edildi. Tüm bu yeni parçacıklar çekirdeğin bileşenleri olan proton, nötron ve pionlarla etkileşim içine girebiliyorlardı. Fakat bunlar, çok kısa ömürlü, yani kararsızdılar. Sonuçta ne öğrendik biliyor musunuz? Altı kuark ve altı lepton var. Bunu altı sayısını kutsallaştırmanız için söylemiyorum, gerçek bu. Bilimde hiçbir sayının kutsallığı yoktur. Hatta ışık hızının ya da Planck sabitinin bile! Neyse biz atomun diplerinden yükselen bu çığlığa dönelim.
Atomaltı dünyadan yükselen çığlıklar vardı; ama onları duymak gerçekten zordu. 6 milyarlık dünyada iki adamın zihni bu çığılığı algıladı: Bunlar, Amerika’da Cal-Tech fizikçisi Murray Gell-Mann (doğumu 1929, Fizik Nobel 1969) ve Avrupa’da CERN fizikçisi Geoge Zweig (doğumu 1937) idi. Bilim tarihindeki eş zamanlı buluşlardan biridir bu. Gell-Mann, hadronların örgütü için “üç mantıksal yapı” önerdi ve bunlara kuarklar adını verdi. Zweig ise kendi üç şeyine ‘aslar’ ya da ‘zerreler’ adını vermişti. Fakat ilginç bir ayrıntıyı belirtmeden geçemeyiz. Fermilab’ın şimdiki yöneticisi (ilki iki yöneticisi Wilson ve sonra Lederman), John Peoples, kuark araştırmalarında genç bir deneyciyken Gell-Mann, onlara aldırış etmemesini kuarkların yalnızca “bir hesap oyunu” olduğunu söylemişti. Buna karşın Zweig, başlangıçtan beri asların/kuarkların gerçek oluşumlar olduğunu önü sürmüştü. Bundan sonra iki şey oldu. Birincisi Gell-Mann’ın düşüncesine pek aldırmayan deneyciler, her yerde kuarkları aramaya koyuldular. İkincisi, Gell-Mann, hadronların simetrilerini çözmesi nedeniyle 1969 Nobel ödülünü kazandı. Her ikisi de iyi sonuç. Zweig mi? Biraz da CERN’deki şovenizmin etkisi şansını gölgeledi, aşağıda bunu açıklayacağım. O, ünlü fizikçi Feynman’ın öğrencisiydi. Feynman, 1977’de Gell-Mann ve Zweig’i birlikte Nobel’e aday gösterdi; ama Zweig ödül alamadı, sonra nörobiyolojiye 2004’ten sonra da finans sektöründe çalışmaya başladı.
Kuarklar, çok sayıdaki hadronun varlığını açıklamak ve sınıflandırmak için icat edilmişti. Hadronlar, baryonlar ve mezonları kapsayan bir terim. Baryonlar, görece büyük kütleli, mezonlar ise görece orta kütleli. Baryonlar üçlü, mezonlar ikili kuark yapılı. Elektron ve nötrinolar gibi hafif parçacıklar da leptonlar diye anılır.
“Toplanma İşareti için üç quark!”
Gell-Mann, izospin ve acayiplik özelliği denen parçacıkların simetri özelliklerinden yararlanarak baryonlar için sekiz ve onlu, mezonlar için sekizli haritalar hazırladı. Çağın fizikçilerinden hiçbirisi simetri aracını, bir çocuk dahi olan Gell-Mann’dan daha iyi kullanmayı başaramadı. En derin fizik ilkeleri simetrilere dayanır. Simetriler korunum yasalarını, korunum yasalır da simetrileri öngörür. Sözgelimi deneysel tekniklerle (örneğin spektroskopi ile) bir molekülün simetrisini belirleyebilirsek, buradan o molekülün biçimini, atomların bağlanma düzenini, polarlığını ve başka birçok özelliğini çıkarsayabiliriz. Gell-Mann, hadronların yapısı problemine eğilirken simetri ilkelerinden yararlanan ilk ve en başarılı teorisyenlerden biri oldu. Daha önceki fizikçiler gibi o da izospin çokluklarının resmen SU(2) “simetri grubu” olarak belirtilen bir tür simetrinin göstergesi olduğunu biliyordu. Bu gösterimin “SU” kısmı “special unitary = özel üniterlik” terimini anlatır. Bu terim kuantum mekaniğinin öngördüğü belirli gereklerin yerine getirilmesini güvence altına alır. Parantez içindeki 2 ise en basit izospin çoklusunun nötron ve protondan oluşan iki-katlı ikili olduğunu yansıtır. Hadronların spektroskopik verilerinin arkasında gizlenenen simetriyi düşündü ve baryonlara ait basit bir liste hazırladı. Sekizli ve onlu baryon önerisini getirdiği sırada yalnızca dört baryon (∆’lar) biliniyordu. Yani diyagramda “delikler” ya da boşluklar vardı. Buna rağmen bulgularını 1961’de yayımladı ve şemasında sekizlileri öne çıkararak şemasına “Sekiz Katlı Yol ” adını verdi. Gell-Mann’ın hadronlar için düzenlediği şema, Mendeleyeev’in 1860’ların sonunda kimyasal elementler için düzenlediği periyoduk tabloya benzer. Mendeleyeev’in tablosu da o zaman henüz bilinmeyen elementlerin boş bırakıldığı delikler içeriyordu.

1963 yılında bir gün Murray Gell-Mann, bir konuşma yapmak üzere Columbia Üniversitesi’ne gelmişti. Gell-Mann, hadronların sekiz katlı simetrisini anlatırken Columbialı bir kuramcı olan Robert Serber (1909-1997) “sekiz” örgütünün temellerinden birinin üç alt birim içereceğine işaret etti. Bunun üzerine Gell-Mann, Serber’in ve de ünlü İrlandalı yazar James Joyce’un (1882-1941) şeytani romanı Finnegans Wake’den (1939) aldığı ilhamla “kuarklar” olarak adlandırdığı bir dip yapının varlığı fikrine ulaştı. Joyce, bu romanında meyhaneci bir aileyi anlatır. Gell-Mann, The Quark and The Jaguar’da (1994) bu konuya şöyle değinir: “1963’te nükleonların temel yapısı için “quark” adını kullandığım zaman, sesleri düşünmeksizin ‘kwork’ demiştim. O zaman ara sıra dikkatle okuduğum James Joyce’un Finnegans Wake adlı eserindeki şu cümlede rastlamıştım: “Three quarks for Muster Mark.” (‘Toplanma işareti için üç martıçığlığı’) Onu kafiyeli olmasından dolayı kullandığını anladım. Kuarkın bir anlamı var o da martının çıkardığı ses ve Mark, Bark gibi sözcüklerin uyması için kullanılmıştır. Bu kitap, bir yayıncının hayalini tasvir ediyordu.”
Zweig makalesini bir Amerikan dergisinde yayımlamak istedi, fakat Amerikan fiziğinden bağımsızlık duygusu geliştirmek isteyen CERN’in Avrupalı liderleri, CERN’de yapılan araştırmaların Avrupa dergilerinde yayınlaması şeklinde bir politika izliyordu. Zweig, makalesini CERN yayın organı Physics Letters’a vermesi beklenirken saygın fizik dergisi Physical Review dergisine göndermeyi tercih etti ve kesin bir ret yanıtı aldı ve ‘aslar’(zerreler) fikri de hiçbir zaman yerleşmedi. Gell-Mann da tersini yaptı Physical Review yazı kurulu üyelerinin ve editörlerinin kabul etmeyeceğini düşündü ve kuarklarla ilgili makelesini CERN’de yayımlanan daha liberal Physics Letters’a gönderdi. “Şematik Bir Baryonlar ve Mezonlar Modeli” başlıklı makale 1964’te bir baryonun (omega eksi denen parçacığın) bulunduğu haberinden tam bir gün önce dergide çıktı.
Gell-Mann’ın orjinal modelinde üç farklı kuark vardı. Şimdi altı kuark olduğunu biliyoruz; ama alıştığımız madde dünyası için üç kuark hala önemlidir. Örneğin proton ve nötronun her biri üç kuarktan yapılmıştır.
Protonun İçine Bakış
Protonun iç yapısıyla ilgili bazı bilgiler veren ilk deneyler, 1950’lerin ortalarında Stanford Üniversitesi’nde Amerikalı fizikçi Robert Hofstadter (1915-1990) tarafından yapıldı. Mükemmel bir deney uzmanıydı. Elektron akımıyla protonları bombardıman etti. Böylece protonu gerçeten açarak, hem elektrik yükünün hem de manyetik özelliklerinin yayıldığı bir iç yapısı olduğunu ve ölçülebilir büyüklükte bir varlık olduğunu gösterdi. Hofstadter 1961 yılında Rudolf Mössbauer ile birlikte çekirdekten elektronların saçılmasını inceledikleri ve çekirdeğin yapısını aydınlattıkları için Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı.
1967’de Stanford Lineer Hızlandırıcı Merkezi’nde (SLAC) elektron demetleri kullanılarak bir dizi saçılma deneyi gerçekleştirildi. Amaç protonun yapısını derinlemesine incelemekti. Yüksek enerjili elektron içeri girer, hidrojendeki protona çarpar ve çok daha düşük enerjili bir elektron başlangıç yoluna göre daha geniş bir açıyla ortaya çıkar. Protonun içindeki noktamsı yapılar, Rutherford’un çekirdeğinin alfa parçacıklarına yaptığı gibi davranmışlardır. Ancak, burada konu çok daha inceliklidir. SLAC fizikçisi Kanadalı Richard Taylor’ın yönetiminde iki MIT fizikçisi Jerome Friedman ve Henry Kendall’dan oluşan Stanford ekibi Richard Feynman ve James Bjorken’in kuramsal tüyolarından büyük ölçüde yararlandılar. MIT- SLAC ekibi, protonun içinde hareket eden noktamsı (bölünemez) parçacıkların varlığını gösterdiğini düşündüler. 1990’da Taylor, Friedman ve Kendall, kuarkların gerçekliğini gösterdikleri için Nobel’lerini aldılar.
1968’de Brookhaven’da Leon Lederman liderliğinde protonun içini görmek ya da kuarkın kabuğunu soymak için başka deneyler yapıldı. SLAC’da çarpışma bölgesinin kara kutusuna elektronlar yollanıyordu ve çıkan elektronların ölçümleri yapılıyordu. Yani Taylor, Friedman ve Kendall sonda olarak elektronları kullanıyordu; ama Lederman ve ekibi sonda olarak protonları kullanıyordu. Kısacası her iki ekip de aynı hedefi bombardıman ediyordu; ama bombardıman parçacıkları farklıydı. SLAC, protonlar üzerine elektronları gönderirken; Brookhaven’dakiler protonlar üzerine yine protonları gönderiyordu. Sonra benzer deneyler nötrinolarla yapıldı. Nötrino ışınları aracı parçacıkları (ayar bozonları) bulmada, kuarkları incelemede ve birçok başka şeyde yararlı bir endüstri haline geldi.
Sonra Fermilab’ın Tevatron’unda, bir trilyon elektron volt (1 TeV) enerjiye sahip protonlarla, aynı miktarda enerjiye sahip antiprotonlar kafa kafaya çarpıştırılır. Bu çarpışmanın ayrıntılı açıklamasına daha sonra döneceğiz.
Altı Kuark
Bu deneyler, protonun içinde sert, noktamsı yapılara işaret etti. Feynman, bunlara “parton” adını verdi ve bulundakları proton çantasında serbestçe hareket ediyor gibi göründüklerini söyledi.
1964’te doğan üç kuark, 1969’da artık gözlem alanına girdi ve adları kondu: up (“yukarı”), down (“aşağı”) ve strange (“garip/tuhaf” ) ya da u, d ve s harfleriyle adlandırılır. Adlandırmanın sözcükleri, rastgele seçilmiştir; hiçbir yönle ilişkisi yoktur. Bunların ayrıca antikuarkları vardır. Bu üç kuarktan u ve d yaklaşık aynı kütleye sahiptir, s ise kabaca yüzde 40 oranında daha ağırdır. Üçüncü kuarka tuhaf ya da acayip denmesinin sebebi proton ve nötronda bulunmaya bir kuark türü olması. Kuarkların en önemli özellikleri -1/3, 2/3 ve +1/3 gibi kesirli yüklere sahip olmasıydı. Yüzlerce nesneyi üç çeşit kuarktan yapabiliriz.

Antikuarkların yükleri de şöyledir:

Proton, uud bileşimlidir; yani iki yukarı ve bir aşağı kuark, bir proton oluşturur. Eğer bir nötron yapayım diyorsanız udd bileşimini kullanmalısınız; yani bir yukarı iki aşağı kuark.

İlk üç kuark üzerinde yoğunlaşırsak, altı kombinasyonun mümkün olduğunu görürüz:
uud, uus, ddu, dds, ssu, ssd
İnce matematiksel simetrilere dayanan teoriler, dördüncü bir kuarkın olmasını öngörüyordu. James Bjorken ve Sheldon Lee Glashow’un 1964’te öngördüğü büyülü (charm, c) 1974’te Burton Richter ve Samuel Ting’in başını çektiği deneyciler tarafından ayrı laboratuvarlarda ve hemen hemen aynı anda keşfedildi. Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda Samuel Ting’in yönetimindeki ekip bulduğu parçacığa J adını vermişti. Stanford Lineer Hızlandırıcı Merkezi’nde Burton Richter’in yönetiminde aynı kütleye sahip parçacığı bulmuşlar ve psi (ψ ) adını vermişlerdi. Arada kavga gürültü olmasın diye iki ad birleştirildi ve parçacığa J/ ψ adı kondu. Aslında bu keşif J/ψ mezonunun gözlenmesiydi. Fizikçiler, bu şaşartıcı deneysel keşiflerden sık sık 1974 yılı Kasım Devrimi diye söz ederler. Parçacık proton kütlesinin üç katını aşacak kadar ağırdı. Böylece büyük bir kütleye (ve enerjiye) sahip olmasına rağmen, şaşırtıcı ölçüde uzun ömürlüydü.
1973’te Japon fizikçiler Makoto Kobayashi ve Toshihide Maskawa’nın varlığını öngördüğü dip (bottom, b) kuarkın varlığı da 1977’de Fermilab’da upsilon mezonunun gözlenmesiyle ortaya çıktı. Altıncı ve sonuncu tepe (top, t) kuark da yine Fermilab’da Tevatron’da 1995’te gözlendi. Kobayashi ve Maskawa, b ve t kuarklarını öngörmeleri dolaysıyla 2008 Nobel fizik ödülünü paylaştılar.

En son tepe kuark 1995’te keşfedildi. Şimdi altı kuarkımız var. Onlarla, proton ve nötronları (lambda, sigma artı, sigma eksi ve başkalarını) oluşturabiliyoruz. Kuarklar, elektrona benzeyen, elektron gibi nokta parçacıklar olan, elektronlar gibi spinleri ½ olan; ama kesirli yüke sahip parçacıklardır. Kuarklar üçlü ve ikili olarak birleşmiş durumdadır. Üç kuarktan oluşan ve her biri yarım spinli baryonlar ve bir kuark ile antikuarktan oluşan ve 0 ve tam sayı spinli mezonlar. Tepe (top, t) kuarkı içeren baryona henüz rastlanılmamıştır. Kesirli yük, konusuna aşağıda değineceğiz.
Kuarkların Bazı Özellikleri (2008 Parçacık Data Grup verileridir)

Kuarklara Renk Nasıl Geldi?

Gell-Mann’a göre fizikçilere başarı puanı verirken, yayımladıkları doğru fikirlerin sayısından yanlış fikirlerin iki katını çıkarmak gerekir. Herhalde bunu kendisi için de düşünüyordu; çünkü kuark kuramı çelişkilerle gelişiyordu. Kuarklar, tıpkı elektronlar gibi ½ spinli parçacıklardır. Bu durumda Pauli Dışlama İlkesi’ne uyması gerekir. Bu ilkeye göre fermiyon denen parçacıklar, sıkı yakınlık içinde ve aynı kuantum durumunda bulunamaz. Oysa örneğin yeni bulunan omega eksi (Ω–) baryonu, üç adet acayip kuarktan (sss) oluşur. Bunlar hem yakın bir mekanda hem de aynı kuantum durumunda bulunur. Bu çıkmazı aşmak için fizikçiler, kuarklara elektrik yüküne benzeyen bir renk yükü atadılar: kırmızı, yeşil vemavi. Neden bu üç renk? Çünkü bunlar üç asal renktir. Kırmızı, mavi ve yeşil renkler karışırsa beyaz olur. İnanmazsanız boya ile deneyin! Elektrik yükü artı ve eksi yönlüdür; ama renk yükü üç boyutludur. Bir de bunların antirenkleri olduğunu ekleyelim. Bu renk sorunu önce Moo-Young Han ve Yoiçiro Nambu tarafından ortaya atıldı, sonra bunlara Gell-Mann da katıldı. Bu renklerin sizin ve benim tanıdığım bildiğim renkle hiç alakası yok. Fizikçilerin çelişkiyi çözmek için ve bir de akılda kalsın uydurdukları bir özellik. Şimdi protonun, iki yukarı (u) ve bir aşağı (d) kuarktan oluştuğunu biliyoruz. İki u kuarkı, Pauli Dışlama İlkesine göre bir arada olamaz. Bakın nasıl olabilir. Eğer iki u kuarkından biri mavi diğeri yeşil ise kurala uyulmuş olur. Renk kombinasyonu ya da Kuantum Kromodinamiği (QCD) üç kuarkın nasıl baryonları, iki kuarkın da nasıl mezonları oluşturduğunu başarıyla açıklar. Bu kombinasyonlar hiçbir renk göstermezler, yani kombinasyonlar renkleri iptal eder. Kırmızı bir kuark, antikırmızı antikuarkla birleşince bir mezon oluşur; ama mezon renksizdir. Benzer biçimde protonun içindeki üç kuark (uud), kırmızı, mavi ve yeşil olunca sonuç renksiz olur. Bu renklendirmeye göre her bir kuark türünün üç renkli hali vardır. Yani üç çeşit yukarı kuark, üç çeşit aşağı kuark, üç çeşit büyülü kuark vb.

Renk yükü yalnızca kuarklara özgürdür, leptonların böyle bir özelliği yoktur. Kuantum kromodinamiğinin (QCD) başarısı yüksektir. Kuarklar, gulonlar değişimi aracılığıyla birbiriyle etkileşime girer. Gluonlar, güçlü nükleer kuvetin aracı parçacıkları. Bunlarla ilgili uygun Feynman diyagramlarını çizip onları nasıl hesaplayacağımızı görebiliriz. Burada söz konusu olan kuvvet çok büyüktür; çünkü elektrik yükünün bir benzeri olan “renk yükü” çok yüksektir. Gluonlar, kuarklardan yayımlanır; ama bu arada kuarkın eski rengini üzerilerine alırlar ve aynı zamanda bunu yeni bir rengin içine taşırlar. Bu nedenle bir gluonun bir rengi bir de antirengi bulunur. Şimdi kırmızı bir kuarkla başlayıp mavi bir kuarka dönüşümü ele alalım: Aynı anda kırmızı ve antimavi bir gluon yaratırız; bu durumda gluon mavi kuarka vardığında toplam renk kırmızı + antimavi + mavi = kırmızı olacak ve böylece renk korunacaktır. Gluon, aynı zamanda enerji ve momentum dengesini de sağlayarak bunların korunumunun da işlemesini sağlar. Kuarklarla ilgili üçlü ve ikili bileşimlerde “renksiz” bileşik parçacıklar oluşur.

Gluon etkileşimleri genellikle Feynman diyagramları ile gösterilir. Gluonlar kuarklara renk verir. Gluon değişimi örneğin bir yeşil kuarkı mavi kuarka ya da tersine dönüştürür. Yeşil kuarktan yeşil ve antimavi renkli bir gluon yayılır ve bu gluon mavi kuarkla buluştuğu zaman onun mavi rengini iptal eder ve yeşil kuark oluşur, benzer şekilde mavi renk de korunur. Kuarklar renk değiştiriyorlar ve böylece güçlü kuvvetin oluşmasını sağlıyorlar. Bir proton içindeki kuarklar arasında her 10-24 saniyede bir gluon hareket eder.


Kuarkların Üçlü Bileşimleri: Baryonlar
En hafif baryonlar, her atomun çekirdeğinde bulunan proton ve nötronlardır (bunun tek istisnası, normal hidrojen atomudur, bu, bir proton ve bir elektrondan oluşur). Daha sonra Yunanca harflerle anılan lambda (L), sigma (S), omega (W), kaskad (X) gibi baryonlar gelir. Proton ve nötronlar, yalnızca yukarı (up, u) ve aşağı (down, d) kuarklardan oluşur. Diğer baryonlar bir ya da iki ya da üç strange (acayip, s) kuarkı içerir. Daha ağır olan baryonlar charm (büyülü, c) ve bottom (dip, b) kuarkları içerir.
Lamda = = sud Sigma sıfır (sigma naught)= = sud (lamda ve sigma sıfır aynı üç kuarkın ‘sud’, farklı iki halidir)

Sigma artı = = suu
Sigma eksi = = sdd
Omega eksi = = sss
Mezonlar, diğer olasılıkların yanında tamamen leptonlara dönüşebilir. Baryonlar ise baryon sayılarının korunumu yasasına uymaları nedeniyle bunu yapamazlar. Bir baryon, nötronun yaptığı gibi lepton üretebilmesine rağmen, bozunma sonrası parçacıkları içinde daima başka bir baryon bulunmalıdır.
Kuarkların İkili Bileşimleri: Mezonlar
Düzinelerce mezon biliniyor. İçlerinde en hafif olanlar pionlardır. Bir pion, bir elektron kütlesinin yaklaşık 270 katı, bir proton kütlesinin yaklaşık yedide biridir. Yükü 0, +1 ve –1 olan üç pion vardır. Pozitif yüklü pion, bir yukarı kuark (u) ile bir antiaşağı kuarktan () oluşur. Negatif yüklü pion ise bir aşağı kuark (d) ile bir anti yukarı kuarktan () oluşur. Üç kuarkımızın (u, d ve s) birer antikuarkı vardır. Üç kuark ile üç antikuarktan 3x3= 9 farklı mezon oluşabilir:
Şimdi örneğin pozitif pi mezonu (p+) denen mezonun bileşimine bakalım (bir yukarı kuark ile bir antiaşağı kuarktan oluşur):
Şimdi bu mezonun yükünü ve spinini hesaplayalım.
Elektrik yükü = (+2/3) + (+1/3) = +1
Spini = (+1/2) + (–1/2) = 0
Uzaklıkla Artan Güçlü Kuvvet
1970’lerde kuarkların varlığı iyice anlaşılmıştı ama onlar birbirine öylesine sıkı bir şekile bağlıydı ki serbest kuark diye bir şey yoktu. Kuantum alan kuramı, burada işlemedi. James Bjorken, Stanford’da elektronların protonlara çarptığı deney sonuçlarını aydınlatmıştı. Kuvvet ne olursa olsun elektron saçılmışsa, kuarklar birbirine yaklaştıkça kuvetin zayıfladığını gösteriyordu. Bu, ilginç bir sonuçtu. Ayar kuramları güçlü kuvvetin çok yakınlaşmada zayıfladığını, kuarkların birbirinden uzaklaştıkça kuvvetin büyüdüğünü tahmin edebilmişti.
Renk dinamiğinin ya da Gell-Mann’ın daha sonraları verdiği adla “kuantum kromodinamiği”nin (QCD) son rötuşlarından biri, 1973’te Harvard’dan David Politzer ile David Gross’ın, Princeton’dan Frank Wilczek’in katkısıyla yapıldı. Bu üç teorisyen, alıştığımız kuvvet tasarımlarının tam tersi bir tasarım geliştirdiler ve 2004 Nobel Fizik Ödülünü aldılar. Aradaki uzaklık arttıkça artan bir kuvvet tasarımıydı bu. Bildik kuvvetlerin çoğu, aradaki uzaklık arttıkça azalır. Kütle çekim ve elektrik kuvvetleri, ters kare yasasıyla uzaklık arttıkça azalır. Bu garip kuvvet tasarımına “asimtotik serbestlik” gibi havalı bir ad verdiler. Asimptotik, kabaca birbirine yaklaşmak ama asla değmemek demektir. Yani kuarkların asimptotik serbestliği vardır. Güçlü kuvvetin de diğer kuvvetler gibi aracı ya da kuvvet taşıyıcı parçacığı vardır. Buna gluon denir. Güçlü kuvvet, öyle bir kuvvettir ki bir kuark ötekine yaklaşırken giderek zayıflar. Bunun anlamı, kuarklar biraraya geldikçe neredeyse serbestmiş gibi davranır; ayrıldıkça kuvvetler etkin biçimde güçlü olur. Kısa uzaklıklar yüksek enerjileri ima eder, o halde güçlü kuvvet yüksek enerjilerde zayıflar. Başka sözlerle kuarkları aşırı derecede kısa mesafelere getirmeye kalktığımızda kuarklarla gluonların etkileşme gücü zayıflar. Bu, elektriksel kuvvetin tersidir.
Kuantum Kromodinamiğinde beliren kuvvet, bir lastik bandın kuvvetine benzer. Bir lastik bantla bir arada tutulan iki cisim ayrıldığında bant gergin hale gelir, kasılır ve cisimlere çekerek tekrar biraraya getirir. Kuarkları birarada tutan gluonların da böyle bir işlev gördüğü anlaşıldı. Kuarklar ayrılınca kuvvet daha güçlü hale gelir. Gluonlar birbirine kuvvet uygular. Bu QED ile QCD’nin birbirinden ayrıldığı yerdir; çünkü fotonlar birbirini etkilemez. Gluonlarla ilgili ilk bulgular 1970’lerde Almanya-Hamburg’daki PETRA elektron-pozitron makinesinde yapıldı. Sonra 1979’da gluonlar “görüldü”. Şimdi bir noktayı daha açığa çıkarmamız gerekiyor. Güçlü kuvvetin, gluonlar taragından taşınan kuark-kuark kuvveti olduğunu tanımladık. Peki çekirdekteki proton ve nötronlar arasındaki kuvvet ne oldu? Şimdi onu gluonların bir kalıntısı, çekirdeğin içinde birbirine bağlanmış protonlardan ve nötronlardan dışarı sızan bir kalıntı kuvvet olarak yorumluyoruz. Eski güçlü kuvvet anlayışında piyonlar taşıyıcı parçacıklardı. Şimdi güçlü kuvvet, kuark-gluon ilişkilerinin bir sonucu olarak görünmektedir.
Proton ve Antiproton Çarpışmaları
Proton çarpışmalarını Fermilab’ta yöneticilik de yapmış bir bilimciden dinleyelim. Leon M. Lederman (1985 Fizik Nobel), Christopher T. Hill ile birlikte yazdığı Simetri’de (2004) konuyu şöyle anlatır:

“Fermilab-Tevatro’nda bir trilyon elektron volt (TeV) enerjiye sahip protonlarla, aynı enerjili antiprotonlar kafa kafaya çarpıştırılır. Bildiğiniz gibi protonlarlar uud, antiprotonlar da bunların antiprotonlar da bunların antikuarklarından oluşur. Çok yüksek enerji değerlerinde ve çok kısa zaman aralıklarında kuarklar birbirinden ayrılır ve neredeyse serbest parçacıklar gibi davranır. Bu durumun sebebi, bir kuark çiftinin örneğin u ve onun anti kuarkının kafa kafaya çarpışmasıdır. Bu çarpışma gerçekleştiğinde kuark ve antikuark yüksek açılarla saçılır ve proton ve antiproton parçalanır Ne var ki geriye kalan yapılar, yani değer kuarklar ve gluonlar mevcut hareket durumlarını korumayı sürdürürler. Kısa bir süre için kuarklar ve antikuarklar serbest hale geçerler; çok yüksek enerjilere, ultrarölativistik enerji değerlerine sahip olduklarından, parçalanmaşı proton ve antiprotonlar içindeki kuark ve gluonlar kalıntılarından olmaları gereken mesafenin neredeyse yüz katı kadar uzağa hareket edebilirler. Bu durumda bu kuarkların kısa bir an için hapisanelerden kurtulmuş olduklarını söyleyebiliriz. Aşağıda Fermilab hızlandırıcı zincirini görüyorsunuz. Tevatron, çevresi 6.4 kim olan bir yüzük şeklindedir. Fermilab’da kullanılan iki yüksek enerji dedektörü CDF ve D-Zero’dur (Collider Dedector Facility). Bu dedektörler proton ve antiproton çarpışmasının sonuçlarını inceler. LINAC: Lineer accelator

Proton ve antiproton ışınları şekildeki CDF dedektörünün merkezinden geçirilmektedir. Işınlar, zıt yönlerde, ışık hızının yüzde 99.9995’i bir hızla hareket etmektedir. Dedektör, çarpılma noktasının etrafına sarılmış devasa bir varile benzer. Çarpışmalar, protonlar içindeki kuarklarla antiprotonlar içindeki antikuarkların çarpışarak yok olmalarıyla ilgilidir. Aşağıda, dedektörden elde edilen sonuçların kağıt üzerine dökülmüş hali görünmektedir.

Çarpışma sonuçlarını görmek için dedektörün açıldığını ve bir kâğıt üzerine yayıldığını hayal edin. Yukarıdaki resim işte bunu gösteriyor. Görülen kareler, dedektördeki enerji birikimlerini gösteren ‘pikseller’dir. Halı gibi şeklimizin ortasında görünen kolonun yüksekliği, o pikselde kaydedilen enerjinin değerini göstermektedir. Bu çarpışma resmi, aşırı derecede enerjiya sahip bir proton ve bir pozitronun üretildiği çarpışmanın resmidir.

Burada D Zero’nun kaydettiği bir protonla bir antiproton çarpışıyor ve çarpışma noktasından dışarıya bir çok temel parçacık savruluyor. Dedektör, yüksek bir manyetik Alana sahip ve bu alan yüklü parçacıkların yörüngelerinden sapmalarını ve böylece de kimliklerinin belirlenmesini sağlıyor. Credit: DZero collaboration.

Fermilab’daki çok yüksek enerjili proton ve antiproton ışınlarının çarıpıştırlması sonucunda altıncı ve en ağır kütleli tepe kuark (top, t) ve onun antikuarkı gözlendi.
Fakat daha sonra sahneye tekrar güçlü etkileşimler çıkar; boşluğun kendisi çarpışmanın yakınlarında yırtılmaya uğrar. Çarpışma yüzünden meydana gelen boşluktaki yırtılma içinde, yaratılışın ilk anlarına benzeyen kontrolsüz bir madde plazması çarpışma noktasından etrafa yayılır ve adeta kanunun hapisane kaçkınlarını yakalaması gibi kuark ve antikuark çiftleri ve gluonlar yeniden bir araya gelir. Kaçak kuarklar bu madde ve antimadde sağanağı içinde yeniden prangaya vurulurlar. Kısa zamanda tüm kuarklar ve gluonlar yakalanır ve yeni piyonlar, protonlar ve nötronlar meydana gelir. Kuarkların özgürleşmesi sona ermiştir. Yine de kaçak kuarkların silinmeyen izleri çarpışmadan sonra gözlemlenebilir. Çok iyi tanımlanmış ve büyük bir oranla piyonlardan oluşan iki parçacık kümesi, yukarada bahsettiğimiz jetler, orjinal kuark ve antikuark yörüngelerini izleyerek uzaya akarlar. Bu parçacık jetleri özgürleşen kuarkların enerjisini taşırlar ve onların çizdikleri yörüngeleri belirtirler. Bu jetler şüphe götürmez bir şekilde kuarklara aittirler. Böylece, küçük bir uzay alanının çevrelenmiş olan dev parçacık hızlandırıcılar sayesinde, özgürleşen kuarkların ve çarpışma olaylarının gerçek doğası incelenebilmektedir.
Kuarklar aynı zamanda çok kısa süreliliğine bir gluon haline de dönüşebilirler; daha sonra bu gluon boşlukta bir yırtılma meydana getirir ve ortaya bir tepe kuark ve bir de antitepe kuark çıkar. Tepe kuarkların bozunma biçimleri dedektörde gözlemlenebilir. Bu şekilde, doğanın en ağır parçacığı olan ve “keşfedilenler” listesine en son giren tepe kuark, bizi çevreleyen boşluk denizinin derinliklerinden çekip çıkarılabilir. Tepe kuark, tıpkı bir altın atomunun çekirdeği gibi ağır bir madde topluluğudur. Bu büyük kütleli canavar yani tepe kuark, aynı zamanda şu soruyu da karşımıza çıkarır: kuarkların ve leptonların kütlelerini meydana getiren şey nedir?”
Parçacık Kütleleri
Parçacıklar dünyasında kütle kavramı da yeni bir kavrayış açısı getirir bize. Artık Einstein’in yaşı yüz yılı geçmiş eşitiliğiyle, E=mc2 ile kütle ve enerjinin birbirine eşdeğerliğini tanımış durumdayız. Bu küçük, zarif eşitliğin anlattığı bir şeye dikkat çekmeliyiz. Kütleyi m ile gösteriyoruz, m aslında iki kısımdan oluşur. Biri parçacık dururken, laboratuvarda ölçülen eylemsizlik kütlesidir (m0). Diğeri, parçacığın hareketiyle (hızlandırıcılardaki protonları düşünelim) ya da bir alandaki potansiyel enerjiyle “kazanılmış” fazladan kütledir. Benzer durum, atom çekirdeğinde de görülür. Örneğin iki proton ve iki nötrondan oluşan helyum çekirdeğini (tarihsel ünvanıyla alfa parçacığını) düşünelim. İki proton ve iki nötronun çekirdek dışındaki kütleleri toplamı ile onların bir çekirdek oluşturdaklarındaki kütleleri aynı değildir. Onları çekirdekten ayırırsak, kütleler toplamı artar. Yani proton ve nötronların çekirdeki dışındaki kütleleri toplamı, çekirdeki içindeki toplam kütleden büyüktür. Başka ilginç bir örnek de fotonun, süper iletken dediğimiz drençsiz ortamlarda kütle kazanması olayıdır. Biliyorsunuz, foton, kütlesizdir; ama aşırı soğutulmuş kurşun ya da nikel-niobiyum alaşımları ortamında ağırlaşarak yaklaşık 1 eV kütleye kavuşurlar. Kütle, diğer pek çok şey gibi, atomun içindeki dünyada, kütle enerji eşitliği nedeniyle farklı davranır. Üç kuark (u, u, d) proton oluşturmak üzere kenetlendiğinde, proton kütlesinin sadece çok küçük bir kesri, bu kurakların kütlesinden oluşur. Kuarkların kütlesinin büyük kısmı protonun içine hapsolmuş saf enerjiden oluşur.
Eğer kafanız biraz karıştıysa, azıcık daha karışmasına izin verin. Parçacıkların bir çoğu kararsızdır, yani belli bir zaman diliminde başka parçacıklara dönüşür ya da parçalanır. Örneğin proton dışındaki bütün hadronlar kararsızdır. İşte böylesi parçaçıkların iyice belirlenmiş, kesin bir kütlesi olamaz. Bunun için laboratuvarlarda bir dizi ölçüm yapılır, bir çan eğrisi (olasılık eğrisi) çizilir ve bu eğrinin tepesine, diyelim 2.718 GeV’ye, o parçacığın kütlesi denir. Bir protondan neredeyse yüz kat daha ağır olan Z0’ın ölçülen kütlesi farklı değerlere sahiptir. Yani her ölçümde farklı Z0 değerleri elde ederiz. Bir şey daha ekleyip kütle konusunun birimlerine dönelim. Kütle değerlerinin dağılımı, aslında parçacığın ömrünün bir ölçüsüdür. Parçacığın ömrü ne kadar kısaysa kütlesindeki o kadar belirsizdir. Birinin çok olması demek diğerinin az olması demektir. Konu, Heisenberg Belirsizlik İlkesiyle açıklanır. Kütle konusunda bir de şu namı diğer “Tanrı parçacığı” (Higgs bozonuna bu adı takan Leon Lederman, bunun sebebi olarak bu parçacığın tüm evrende oynadığı merkezi rolü gerekçe göstermiştir) denen Higgs parçacığı var; ama artık onu bu bölümün dışında inceleyelim.
Atomaltı parçacıkların kütlelerinden bahsetmek istediğimizde Einstein’ın ünlü formülü E=mc2 formülünü kullanacağız ve böylece bizim için kütlenin ölçüsü, enerji olacak. Kullanılabilecek uygun enerji birimi elektron volttur . Bir voltluk bir pilin bir elektronu bir elektrik devresi boyunca hareket ettirmesi için gereken enerji miktarına bir elektron volt denir ve eV kısaltmasıyla gösterilir. Gerçekte eV, çok küçük bir enerji miktarıdır; çünkü normalde bir elektrik devresinden trilyonlarca elektron geçer; ama atomaltı düzeyde elektron volt iyi bir ölçektir. Örneğin nötrinoların kütlesi 1 eV ve daha düşük değerlerdedir, elektronun kütlesi 0.511 milyon elektron volt (0.511 MeV) değerindedir. Protonun kütlesi ise elektronunkinden yaklaşık 1840 katıdır ve 0.938 milyar elektron volt (0.938 GeV) değerinderir (GeV= giga elektron volt). Kütle konusunda başka ilginç bir nokta birkaç GeV ve TeV enerjili proton ve elektronların dalga boyları yaklaşık olarak aynıdır. Bunun açıklaması şudur: Kinetik enerjileri öylesine büyüktür ki, kütleler onun yanında ihmal edilebilir düzeyde kalmıştır ya da önemini kaybetmiştir.
Kuarkların yükü ve kütleleri aşağıdaki tabloda özetleniyor (Veriler, 2008 Particle Data Group verileridir). (Bazı çevirme faktörleri: 1 akb = 1 u = 27.2114 eV= 931.4943 MeV/c2 ; 1 eV= 1.6021773x10-19 J).

Kuarkların en çok rastlanan bileşimleri üçlü ve ikili halde olanlar. Üçlü olanlar baryonları, ikili olanlar mezonları oluşturuyor. Ancak 2003 yılında ABD ve Japonya’daki araştırmacılar bir pentakuarkın izine rastladıklarını bildirdiler. Pentakuark, dört kuark ile bir antikuarktan oluşuyor, baryon sınıfına giriyor.

Arananlar
Kuarkların ve leptonların hepsi bulundu. Tepe kuark, tam 18 yıllık bir arama sonunda 1995’te ele geçti. Bilimciler, kuark ve lepton tablosunun tamamlandığı kanısındadırlar. Yani bu iki ailede “arananlar” listesi kaldırılmıştır; çünkü arananların hepsi yakalanmıştır. Bu bölümde ayrıntılı söz etmekten kaçındığımız parçacık ailesi, aracı parçacıklar ya da alan parçacıkları (ya da teknik bir terimle ayar bozonları) denen ailedir. Onlar ayrıca incelendiği için burada yalnızca değinip geçeceğiz.


Dört temel kuvvet ve onların aracı parçacıkları (ayar bozonları) vardır:
Elektromanyetizm : foton
Zayıf kuvvet : W+,W–, Z0
Güçlü kuvvet : sekiz gluon
Kütle çekimi : graviton
Birinci ketagori elektromanyetik kuvvet, elektron ve kuark gibi elektrik yüklü parçacıklarla etkileşen ama elektrik yükü olmayan parçacıklarla etkileşmeyen kuvvettir. Bu kuvvet, kütle çekim kuvvetinden 1042 kere daha büyüktür.
İkinci kategori zayıf nükleer kuvvettir. Günlük yaşantımızda bu kuvvetle doğrudan bir ilişkimiz yoktur. Bu kuvvet, radyoaktiflikten –atom çekirdeklerinin kendiliğinden bozunmasından- sorumludur. 1967’de Londra’daki Imperial College’tan Abdus Salam ve Harvard’dan Steven Weinberg ve Sheldon Glashow, zayıf etkileşmeyle elektromanyetik kuvveti birleştiren bir teori geliştirdiler. Bu, Maxwell’in elektrik ve manyetizmayı birleştiren tekleştirme teorisine benziyordu. Deneylerle doğrulnad ve adı geçen üç bilimci 1979 Nobel fizik ödülünü paylaştılar. Artık çok iyi incelenmiş olan bir nötronun bir protona dönüşme süreci, kuarklar düzeyinde açıklanırsa, bir aşağı kuarkın yukarı kuarka bozunması ve bir W– bozonunun yayılması şeklindedir. Nötronun protona bozunmasında W- parçacığı elektron ve antieletron nötrinosuna bozunur.

Fakat bu süreçte şöyle bir gariplik vardır. W– ın anormal bir kütlesi vardır (80 GeV), süratle elektron ve nötrinoya dönüşür. Kuark ve leptonlar arasındaki W parçacıklarının kuantum değiş tokuşu sonucunda ortaya çıkan kuvvetler Fermi’nin yetmiş yıl önce tasvir ettiği zayıf kuvvetlerin ta kendisidir. Fakat bu süreçte yaratılan W+,W– ve Z0 oldukça ağır parçacıklardır. Bu parçacıklar fotonlarla çok yakın ilişki içindedirler. Bunlar arasındaki büyük kütle farkı nereden gelmektedir? İşte bu sorunun yanıtı için Higgs alanı ve Higgs parçacığı ortaya atılmıştır. Boşlukta parçacıklara kütle verdiği düşünülen Higgs aranmaktadır.
Üçüncü kategori güçlü nükleer kuvvettir. Bu kuvvet hem proton ve nötronların çekirdek içinde birlikte tutulmasından, hem de protonların ve nötronların içinde kuarkların bir arada tutulmasından sorumludur. Ondan yeterince söz ettiğimi sanıyorum.
Dördüncü kategori kütle çekim kuvveti, evrensel bir kuvvettir. Her nesne kütlesi ve enerjisine göre bu kuvvetten etkilenir. Kütle çekim kuvveti dört kuvvet arasında en zayıf olanıdır. İki özelliği onu çok önemli kılar ve onu fark etmemizi sağlar. Çok büyük uzaklıklarda bile etkilidir. Evrenin büyük kütlelerinin yıldızların ve galaksilerin oluşmasının temel kuvvetidir. Bir de kütle çekim kuvveti hep çekicidir. Aranan bir diğer parçacık da kütle çekim kuvvetinin aracı parçacığı olarak düşünülen gravitondur. Daha doğrusu, belirsizlik ilkesiyle bağdaşan bir kütle çekim kuvveti aranmaktadır. Çünkü bugün pek çok olayı başarıyla açıklayan genel görelilik kuramı, belirsizlik ilkesini hesaba katmaz. 2004’te elde edilen deneysel verilere göre kuarklar nokta parçacıkmar, yani fiziksel boyutları ya da büyüklükleri sıfır! Spinleri var, yükleri var.
Özet:
Son olarak maddelerin oluştuğu temel parçacıklar şöyledir:
Altı kuark var: u, d, c, s, t ve b.
Altı lepton var: elektron, elektron nötrinosu; muon, muon nötrinosu; tau ve tau nötrinosu. Kuarklar ve leptonlara madde parçacıkları denir. Bunlar yarım spinli parçacıklardır. Dünyamızda , günlük hayatımızda gördüğümüz tüm maddeler u ve d kuarkı ile bir lepton olan elektrondan yaplmıştır. Üç kuark ve lepton kuşağı şöyle:
Birinci kuşak:
d ve u kuarkları
e ve ne(elektron ve elektron nötrinosu)
İkinci kuşak:
s ve c kuarkları
(muon ve muon nötrinosu)
Üçüncü kuşak:
b ve t kuarkları
(tau ve tau nötrinosu)

Dört temel kuvvet tanıyoruz:
Güçlü nükleer kuvvet
Elektromanyetik kuvvet
Zayıf nükleer kuvvet
Kütle çekim kuvveti
Dört aracı (kuvvet taşıyıcı) parçacığımız var (bozonlar): foton, gluon (sekiz çeşit), zayıf kuvvet aracıları (W ve Z) ve graviton.
Kuarklarla ilgili öykümüz, son elli ya da altmış yılda alınan yolu açıkça gösteriyor. Teorinin gözü, bir dizi öngörülerde bulunmuş, deneyler bunların çoğunu doğrulamış, bazılarını elemiş; ama ortaya harika bir teori-deney düeti çıkmıştır. Yaşam devam ediyor. Pek çok soru işaretiyle kilitli kapılar hâlâ çok sayıda. Çözülecek daha pek çok problem, kazanılacak pek çok Nobel ödülü var!

Kaynakça
1. B. R. Martin and G. Shaw, Particle Physics, Third Editon, Wiley Publication, UK 2008
2. Don Lincoln, Understanding the Universe, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd 2004
3. Kenneth W. Ford, Kuantum Dünyası (2004), Çeviren: Neslihan Sabuncu, Güncel yayıncılık 2005
4. Leon Lederman-Dick Teresi, Tanrı Parçacığı (1993), Çeviren: Emre Kapkın, Evrim Yayınları 2001
5. Leon Lederman-Christopher T. Hill, Simetri (2004), Çeviren: Barış Akalın, Güncel Yayıncılık 2005
6. Murray Gell-Mann, The Quark and The Jaguar, Abacus 1994
7. Ramazan Karakale, Atomun İçinde, Güncel yayıncılık 2006
8. Stephan Hawking, Ceviz kabuğundaki Evren (2001), Çeviren: Kemal Çömlekçi, Alfa Yay 2002
9. S. Hawking- L. Mlodinow, Zamanın Daha Kısa Tarihi (2005), Çeviren: Selma Öğünç,Doğan Kitap 2006
10. Wikipedia.org
11.William H. Cropper, Büyük Fizikçiler (2001), Çeviren: Nurettin Elhüseyni, Oğlak Yayıncılık 2004
12.Young &Freedman, University Physics, Pearson Education, 11th Edition 2004 (atominsan.netRK)

Özellikle ikincisi, gayet özlü ve konu hakkında derlitoplu bir bilgi verecek denli güzel bir çalışma. Konu hakkında bildiklerimi toparlamama ve dağarcığıma yeni şeyler katmama vesile oldu.
Öteden beri aklıma takılan bir soru var: Kuvvet ve enerjinin ilişkisi nedir? Enerji mi kuvveti, kuvvet mi enerjiyi doğuruyor. Taneciklerdeki (- ) ve (+ )elektrik,elektromanyetik kuvveti doğuruyor. Peki, elektriğin kaynağı nedir? Fizik biliminin buna cevap verip vermediğini de hala anlamış değilim. Örneğin, eletromanyetik kuvvet elektriğe, elektrik de elektomanyetik kuvvete dönüşebiliyor. Fakat öncelikli olan hangisi?
Kütleçekimi enerjiye dönüşebiliyor. O halde,enerji de kütle çekimini yaratabilir veya yok edebilir mi? Aynı bakış açısı ile, enerji, (+) ve (- ) elektriğe dönüşebilir mi?
Evrenin bir süperakışkanla dolu olduğunu, ve tüm enerji ve kuvvetin bu süperakışkanın devinimi sonucu oluşmuş olabileceğini öngören bir evren modeli okumuştum. Tüm partiküllerin, süperakışkanda oluşan girdaplar olduğunu, elektrikteki iki zıt kutbun, süperakışkan içindeki ters spinli girdaplar ileri sürüyordu. Kendi içinde gayet tutarlı idi.