Atomaltı Parçacıklar

2. Leptonlar
Elektron
Elektron nötrinosu
Muon
Muon nötrinosu
Tau
Tau Nötrinosu

Leptonlar (Yunanca küçük veya hafif anlamındaki leptos sözcüğünden geliyor) zayıf etkileşimde bulunan parçacıklar grubudur. Tüm leptonların spini 1/2 değerine sahiptir. En hafif hadrondan daha hafif olan elektronlar, müonlar ve nötrinolar da bu grubun içinde yer alır. Hadronların büyüklüğü ve belli bir yapısı olmasına rağmen leptonlar herhangi bir yapısı olmayan (yani nokta gibi olan) gerçek temel parçacıklar olarak görünür.
Leptonların,hadronlarla benzeşmeyen yönlerinden birisi de bilinen lepton sayısının oldukça sınırlı olmasıdır. Şu anda bilim adamları,sadece şu 6 tane leptonun (herbirinin antiparçacığı da vardır) olduğuna inanmaktadırlar: elektron, muon, tau ve bu parçacıkların herbirine ait nötrinolar(Tauya ait nötrino laboratuvarda henüz gözlenememiştir). 1975 yılında keşfedilen (tau) leptonu protonun yaklaşık iki katı kütleye sahiptir.
Maddenin Son Yapıtaşları'nın yazarı ve 1999 Fizik Nobel ödülü sahibi Gerard’t Hooft bize spin denen şeyi daha ayrıntılı anlatıyor:
Spin Denen Bir Sey
Kozmik Kod'un yazarı Heinz Pagels, Evreni, içindeki sözcüklerin atom olduğu dev bir kütüpaneye benzetir. Bu sözcükler, yani atomlar, kuark, lepton ve gluon denen harflerden oluşur. Atomlar,kendi özel gramerleriyle yani kuantum yasalarıyla molekül denen tümceleri oluşturur. Bu yüz kadar sözcükle yaratılmış Evren kitabının harikalığına bakın.
Doğanın Temel Kuvvetleri
Temel parçacıkların özelliklerinin anlaşılmasındaki anahtar, parçacıklar arasındaki kuvvetlerin tanımlanabilmesidir. Doğadaki tüm parçacıklar şu dört temel kuvvete maruz kalır: Şiddetli, elektromanyetik, zayıf ve gravitasyonel.
Şiddetli kuvvet, proton ve nötronları çekirdek içinde tutan kuvvetin adıdır. Bu kuvvet çekirdek boyutlarında yani yaklaşık 10-15 m boyutlarında etkilidir. Şiddetli kuvvet etkileşiminin parçacıklarına gluon adı verilir. Şiddetli kuvvet, oldukça kısa menzillidir; protonları ve nötronları çekirdek içinde tutmakla yükümlüdür. Bu kuvvet, nükleonları bir arada tutan "tutkal" rolü oynayan temel kuvvetler içinde en güçlü olanıdır. Şiddetli kuvvet, kısa menzilli olup, yaklaşık on üzeri eksi onbeş metre(yaklaşık çekirdek çapı) den daha büyükuzaklıklardan önemsenmez.
Elektromanyetik kuvvet,şiddetli kuvvetin 0.01 katı kadar olup atom ve moleküllerin bağlanmasından sorumludurlar. Etkisi parçacıklar arasındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak azalır;uzun menzilli bir kuvvettir. Elektromanyetik etkileşimin parçacıkları fotonlardır.Elektromanyetik kuvvet, şiddetli kuvvetin şiddetinin yüzde bidri kadar olup atom ve moleküllerin bağlanmasından yükümlüdür.Etkisi, parçacıklar arası uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak azalan, uzun menzilli bir kuvvetttir.
Zayıf kuvvet, çekirdekteki kararsızlığı (radyoaktifliği) üretmeye eğilimli kısa menzilli kuvvettir. Şiddetli kuvvetin yaklaşık 10-13 katıdır. Zayıf kuvvete W ve Z bozonları denen parçacıklar değiş tokuşu eşlik eder.Zayıf kuvvet, belli bir çekirdekteki kararsızlığı üretmeye eğilimli kısa menzilli bir kuvvettir. Bu kuvvet, beta bozunması gibi radyoaktif bozunmalardan sorumlu olup, şiddetli kuvvetin yaklaşık on üzeri eki on üç katıdır.(Bilim adamları, zayıf ve elktromanyetik kuvvetlerin tek bir kuvvetin iki tezahürü olarak görüyorlar ve ona elektrozayıf kuvvetler diyorlar).
Gravitasyonal kuvvet (kütleçekim kuvveti), uzun menzilli,şiddeti,şiddetli kuvvetin 10-38 katıdır. Gezegenleri,yıldızları ve galaksileri birada tutan ve hep çekici olan bu kuvvet, temel parçacıklar dünyasında önemsizdir. Bu kuvvet de aradaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak azalır. Çekim kuvvetinin parçacıkları gravitonlardır.Çekim kuvveti (gravitasyonel kuvvet)in şiddeti, şiddetli kuvvetinkinin on üzeri eksi otuz sekiz katı olan uzun menzilli bir kuvvettir.Bu etkileşim, gezegenleri, yıldızları ve galaksileri bir arada tutan bu kuvvetin temel parçacıklar üserine etkisi önemsenmeyebilir. Bu yüzden çekim kuvveti, tüm kuvvetler içinde en zayıf olanıdır.
Parçacıklar arasındaki etkeleşim, alan parçacıklarının veya kuantumlarının alış verişi olarak tanımlanabilir.Elektromanyetik etkileşim olayında alan parçacıkları fotonlardır. Yani elektromanyetik kuvvete, elektromanyşetik alanın kuantumları olan fotonlar aracı olur.
Şiddetli kuvvetin alan parçacığı gluon adını alır.
Zayıf kuvvetin kuantumları, W ve Z bozonlarıdır.
Çekim kuvvetinin alan parçacıkları ise gravitonlardır.
Basit parçacıkların birbirleriyle etkileşmeleri dört temel kuvvet aracılığıyla olmaktadır. Bilinen en eski kuvvetler olan kütleçekim kuvvetleri ile elektromanyetik kuvvetlerin uzun erimli olduklarını belirtmiştik. Bilinen diğer iki kuvvet türü olan zayıf kuvvetler ve şiddetli kuvvetler kısa erimlidir. Bu kuvvetler kendilerini ancak çekirdek içi olaylarda gösterir. Leptonlar, yalnızca zayıf etkileşmelere girer. Kuarklar ise hem zayıf hem de şiddetli kuvvetlerle etkileşir.Kuarklar arasındaki mesafe azaldıkça aralarındaki etkileşme kuvveti sıfıra gitmektedir. Böylece kuarkların, hadronların içerisinde serbest parçacıklar gibi davrandıkları anlaşılmaktadır.Kuarkların hadronları oluşturmasından ve çekirdek içinde bir arada tutulmasından şiddetli etkileşimler sorumludur. Zayıf etkileşimler ise parçacıkların bozunumunda kendini gösterir. Örneğin nötron beta bozunmasına uğrar. Yani durduğu yerde bir proton, bir elektron ve bir elektron nötrinosuna bozunur. Bu süreçte bir atom çekirdeği, bir başka atomun çekirdeğine dönüşür. Radyoaktif bozunma olaylarının tarifinde kuantum mekaniği de yetersiz kalmaktadır. Bu tür olaylar, kuantum kurallarıyla özel görelilik kuramının kaynaştırılması sonucu inşa edilen 'kuantumlu alan kuramları' yardımıyla tarif edilmektedir. Bu tür kuramların ilk ve en başarılı örneğini kuantum elektrodinamiği oluşturmaktadır. Kuantum elektrodinamiğinde, elektrik yüklü parçacıkların etkileşmesi, elektromanyetik alanın foton dene kuantumlarının alınıp verilmesinden kaynaklanmaktadır. ..Zayıf, elektromanyetik ve şiddetli kuvvetler, nitelik olarak birbirlerinden çok farklıdır. Bunun nedeni evrenin soğuk bir döneminde bulunmamızla açıklanmaktadır. Yani biline parçacıklar ve aralarında etkin olan kuvvetler, normal şartlarda düşük sıcaklıklarda veya diğer bir deyişle düşük enerjilerde gözlenmektedir. Kozmik ışınlarda veya çok güçlü hızlandırıcı ve çarpıştırıcılarda yüksek enerjilere çıkılarak gözlemler yapıldığında bu üç temel kuvvet arasındaki nitelik farklarının giderek azalma eğilimleri gösterdikleri saptanmıştır. Bunu anlamak için öncelikle temel etkileşmelerin nicel olarak birbirleriyle nasıl karşılaştırılabileceğini görmeliyiz. Duran bir atom çekirdeğinin elektrik yükünü ölçmek için üzerine yüklü bir parçacık yollar ve bunun saçılmasına bakarız.Çekirdek üzerine yollanan yüklü parçacık, çekirdeği perdeleyen elektron zırhıyla karşılaşır. Bu parçacığın enerjisi ne kadar büyükse çekirdeğin çıplak yükü o kadar net gözükür, çünkü çekirdeği perdeleyen elektron etkisi azaltılmış olur.