Atomaltı Parçacıklar

ATOMALTI PARÇACIKLAR

Acaba başlangıçta ne vardı? Bir doğa yasası mı? Matematik mi,yoksa simetri mi?
Heisenberg, (1901-1976)
Bir temel bilim konusu, komşu bilim dallarından başka ne çeşit insan faaliyetlerine yardımcı olabilir? Temel bilimin belki en büyük rolü, insanın düşünce tarzını değiştirmesidir. Çağdaş fizikte görelilik ilkesi, belirsizlik ilkesi, bir teorinin yalnız gözlenebilir büyüklüklere dayanması prensibi gibi genel ve derin tabiat prensipleri felsefeye, hatta gündelik düşünce tarzımıza bile girmiş bulunuyor. Parçacık fiziğinde de, bizi hiç alışılmamış düşünce tarzlarına götürecek yeni kavramlar doğmaktadır. Onlardan dünya görüşümüzü, hatta mantığımızı etkileyecek yeni derin ilkeler çıkacağına hiç şüphe etmiyorum. Fizikçi, mantığını doğaya zorlamaya çalışmaz, düşünce tarzını doğadan öğrendiği hakikatlere göre ayarlar, doğanın hocalığını kabul ederek ondan mantığını şekillendirmesini ve yontmasını ister.
Feza Gürsey (1921-1992)
Maddeyi bıçakla kessek ve bir mikroskopta incelesek,temel öğeye benzer bir şeye hiçbir zaman ulaşamazdık. 1 mikron büyüklüğündeki parçacıkların bile bir biçimi vardır ve iç yapıları varmış gibi görünmektedir. Ama bundan daha küçük ölçeğe bıçak ve mikroskop kullanarak erişemeyiz. En sonunda bıçağın kendisi de atomlardan oluşmuştur; bu nedenle bıçağı atomlardan daha keskin yapmanın olanağı yoktur. Bıçağın ucunu incelemek istediğimiz şeylerden daha küçük olmasına gerek duyduğumuzdan aynı soruya geri döneriz.
Y.Nambu
Atomaltı Dünya
Önce dört element vardı: toprak,hava su ve ateş. Sonra maddenin bölünemez atomlardan oluştuğu düşünüldü. 20.yy başlarından itibaren atomların da bir şeylerden oluştuğu anlaşıldı. Madde bombardımana tutuldu. Atomun öyle basit bir kürecik olmadığı anlaşıldı. Bugün foton dışında üç tip önemli parçacık olduğunu biliyoruz: leptonlar, kuarklar ve gluonlar. Leptonlar ve kuarklar, maddesel dünyanın “tuğlalarını” oluştururken, gluon denilen parçacık/dalgalar da kuarkları ve leptonları birbirine yapıştıran “tutkal” I oluşturuyorlar.
Atomaltı parçacık terimi, üç ana parçacığı kapsadı uzun zaman: Protonlar, nötronlar ve elektronlar. Bunlardan en hafifi, en ilginci olan elektron, en önce keşfedildi. 1897’de. Rutherford, havadaki azot atomlarını alfa parçacıkları ile bombardıman ettiğinde birim pozitif yüklü bu parçacıkları keşfetmiş (1919) ve bunlara protonlar adını vermişti: Atom kütlelerinin çekirdekteki proton kütlelerinin yaklaşık iki kat olmasını gözönüne alan Rutherford, 1923’te çekirdekte ‘yüksüz protonların’ olabileceğini ileri sürmüştü. Nötron ise çok daha sonra, 1932’de gözlendi. Chadwick, buldu nötronu. O yıllarda tüm maddelerin yapı taşlarının elektron,proton ve nötron olduğu düşünüldü.
Leptonlar
Hadronlar
elektron- elektron nötrinosu
baryonlar
muon- muon nötrinosu
mezonlar
tau- tau nötrinosu


Parçacıkların Botanik Bahçesi
“Bir keresinde bir konferansta yemek kuyruğunda kendimi Fermi’nin arkasında buldum. Büyük adamın huzurunda olmanın coşkusuyla az önce dinlediğimiz K-sıfır-iki denen parçacığın varlığının kanıtı hakkında ne düşündüğünü sordum. Bir süre gözlerini bana dikti ve “Genç adam” dedi “ bu parçacıkların adlarını anımsayabilseydim botanikçi olurdum.”
Bu öyküyü,pek çok fizikçi aktarmıştır; ben size bu genç adamın Leon Lederman(Nobel,1985) olduğunu açıklıyorum.
Elektron, leptonlardan biri. Lepton, Yunanca “hafif parçacık” demek. Öteki leptonlar arasında nötrinolar ve muonlar bulunuyor. Ama elektron dışındaki leptonlar, günlük olaylarda pek “görünmez”. Foton, leptonlar ve hadronlar. Peki leptona karşılık olan nedir? Baryon (Yunanca “ağır” demek). Protonlar ve nötronlar bu gruba giriyor. Öteki baryonlar, lambda,sigma ve başka ağır parçacıklardır. Bu “ağır” parçacıkların (baryonların) üç kuarktan oluştuğu düşünülmektedir. Atom çekirdeklerinde kuarklar üçün katları durumunda bulunmaktadır;dolaysıyla bir kuarkın bir çekirdekle ya da bir elektronla birleşerek tam sayılı bir yük kazanması olanaksızdır.
Leptonlarla baryonlar arasında bir de orta parçacıklar denen mezonlar vardır. Bunlar arasında varlığı ilk kez Yukava tarafından tahmin edilen pionlar vardır. Pionun kütlesi protonunkinin yedide biri,elektronun 270 katıdır. Ancak parçacıkları kütlelerine göre gruplamak da pek doğru değildir. Bir lepton olan müonun kütlesi pionunkine çok yakındır; kütleleri baryonlarla karşılaştırılabilecek bir çok mezon vardır. Yakınlarda keşfedilen bir lepton olan tau’nun kütlesi protonunkinden büyüktür. Baryonlara ve mezonlara birlikte hadronlar adı veriliyor. Bu Yunanca “kuvvetli parçacık” anlamına geliyor. Baryonlar üç kuarktan mezonlar ise iki kuarktan (bir kuark bir karşıtkuark) oluşmuştur.
Çevremizdeki maddeler sonuç olarak leptonlardan ve kuarklardan oluşmaktadır. Kuarklar biraraya gelerek baryonları,baryonlar biraraya gelerek çekirdekleri,çekirdekler ve elektronlar biraraya gelerek molekülleri,moleküller biraraya gelerek çevremizdeki maddeleri ve organizmaları oluşturur.
Parçacıklar Bahçesinde Kısa Bir Gezinti
Foton dışındaki diğer parçacıklar hadronlar ve leptonlar olarak iki kategoriye ayrılabilir.
1.Hadronlar
Şiddetli kuvvet etkileşimi yapan parçacıklara hadronlar denir. Hadronlar da mezonlar ve baryonları kapsar. Mezonlar ve baryonlar da kütlelerine ve spinlerine göre gruplandırılabilir.
Mezonların hepsi sıfır veya tamsayı(0 veya 1) spinlerine sahip,kütlesi elektronun kütlesi ile protonun kütlesi arasında olan parçacıklardır. Tüm mezonlar en sonunda elektrona, protona, nötrino ve fotona bozunur. Pion, spini sıfır,kütlesi yaklaşık 140 MeV/c2 olan,bilinen en hafif mezondur. Diğer mezon ise spini sıfır kütlesi yaklaşık 500 MeV/c2 olan K-mezonudur.
Hadronların ikinci türü olan baryonların (baryon= eski Yunanca’da ‘ağır’) kütlesi protonun kütlesinden büyük veya ona eşittir. Spinleri ise daima tamsayı olmayan (1/2 veya 3/2) değerlere sahiptir. Proton ve nötronlar,diğer parçacık gibi, bu grubun içindedir. Proton dışındaki tüm baryonlar,en son ürünleri proton içerecek şekilde bozunurlar.
Günümüzde hadronların kuark adı verilen daha temel birimlerden oluştuğuna inanılmaktadır. 1945 yılının başlarıyla birlikte,bilinen parçacıklar arasındaki yüksek enerjili çarpışma deneylerinde yeni bir takım parçacıklar keşfedildi. Bu yeni parçacıklar, karakteristik olarak kararsız yarı ömürleri 10-6 saniye ile 10-23 saniye arasında değişen kısa ömürlü parçacıklardı. 1960’lı yıllardan bu yana bilim adamlarını bile şaşırtan çok sayıda atomaltı parçacık bulundu. Bunlar bir hayvanat bahçesindeki hayvanlar gibi birbiriyle ilgisiz durumda mıydı? Proton ve nötronun kendi başına temel parçacıklar olmayıp kuarklardan oluştuğu anlaşıldı.Baryonlar,üç kuarktan,mezonlar ise bir kuark ve karşıtkuarktan oluşur.