Atomaltı Parçacıklar

Dar Alandaki Güçlü Kuvvet
Kuark kuramı da protonun bir bileşik parçacık olduğunun kavranmasından gelişmiştir. Bir atom çekirdeğinde proton ve nötronları birbirine bağlayan kuvvetlere güçlü kuvvetler ya da çekirdek kuvveti denir. Güçlü dendiğine bakmayın bunlar,ancak çekirdek boyutlarında,yani 10-13 cm boyutlarının üstünde geçerli değildir. Güçlü kuvvetlere ilişkin kuantum parçacığının özelliklerini Japon fizikçi Hideki Yukava (1907-1981) ortaya çıkardı;bu parçacıklara ,daha sonra pion denildi. Pionlarla fotonlar arasında çok önemli bir fark vardır. Pion belirli bir “ kütleye” sahiptir. Çok hızlı hareket ederse kütlesi de artar. Oysa bu durum, foton için geçerli değil. Fotonun kütlesi sıfır ve onun hızı artırılamaz. Buradan anlıyoruz ki foton, hiçbir zaman durgun olamaz. Fotonların hızı saniyede 300.000 km dir; pionlar asla bu hıza ulaşamaz. Çünkü bunun için piona sonsuz kinetik enerji verilmesi gerekir. Foton açısından kütle, kinetik enerji olarak değerlendirilebilir.
Pion, proton ve nötrondan hafif,elektrondan ağırdır. Elektriksel yük bakımından üç tür pion var: Biri artı, diğeri eksi elektrik yüklü, üçüncüsü ise yüksüz. Proton ve nötronlar yeterli enerjiyle birbirlerine çarptıklarında çoğu kez pionlar ortaya çıkar.
Pion fikri,bu tür parçacıkların ‘gözlenmediği’ bir zamanda, 1935’te ortaya atıldı. Bu öngörülere,yalnız matematiksel olarak değil felsefi olarak da dikkat etmelisiniz. Nesnel gerçek, henüz ortada görünmezken, varlığı öne sürülüyordu. Bu, kimi felsefecilerin hala kavrayamadığı bir bilimsel gerçek. Doğanın bize cömertçe sağladığı kozmik ışınlar, atomaltı parçacıkları bize alıp getirdi. Yukawa’nın öngördüğü mezon (“orta”) denen parçacıkları da Evrenimizin uzak diyarlarından gelen kozmik ışınlar gösterdi. Kütlesi elektronla proton arasında olduğu için onlara mezon dendi. Yukawa da bu adı düşünmüştü;ama önemli bir fark vardı: denel olarak gözlenen parçacık güçlü etkileşime girmiyordu. Yani Yukawa’nın öngördüğü pion bu olmayabilirdi. Bugün bu parçacığa müon diyoruz. Mezon terimini yalnız pionlar ve ilgili parçacık türleri için kullanıyoruz.
Bunu Kim Ismarladı?
Bugün olayın bir açıklamasını yapabiliyoruz: Atmosferin üst kısımlarındaki atomlar, uzaydan gelen çok yüksek enerjili atomlarla çarpışır. Orada hemen Yukawa kuramına uygun pionlar ortaya çıkar. Yukawa’nın öngöremediği şey, pionların kararlı olmayışıdır: Yüksüz pionlar,fotonlara dönüşür. Elektrik yüklü her pion, saniyenin on milyonda birinden daha az bir sürede bir müon ile bir nötrinoya bozunur.
Nötrino, genellikle gözlenemeden kaçar. Ama müonlar atmosferin altkatmanlarına kadar ulaşabilir ve hatta Yer’in yüzlerce metre altında bile gözlenebilir. Çünkü müonlar, güçlü etkileşim yapmaz ve atmosferden kolayca geçebilir; bir kısmı toprakta da bir miktar ilerleyebilir. Bunlar açığa kavuştuğunda Profesör Isidore I. Rabi ,elektronun ağır kardeşimüonun keşfine bilim adamlarının gösterdiği tepkiyi şu veciz sorusuyla dile getirmişti? “Bunu kim ısmarladı?”
“Bugünkü temel parçacık fiziği anlayışımıza dayanarak bile müonu “ısmarlamak” ya da “öngörmek” gerçekten mümkün olmazdı.(s:43) Durum ne olursa olsun,hiç kimse kütlesinin nasıl hesaplanacağını söyleyen geçerli bir kuramla karşımıza çıkmış değil(müonun kütlesi elektron kütlesinin yaklaşık 200 katı).
Bir elektron-pozitron çiftinin yok oluşu her zaman foton oluşturmaz. Kimi zaman,ama çok ender olarak,ortaya bir nötrino-karşı-nötrino çifti çıkar. Beş milyar derecenin üzerinde bu parçacıklar birikir ve evrende düzgün biçimde dağılan nötrino ışınımını oluşturur. Öbür nötrinolar, protonlar ve elktronlar arasındaki çarpışmalarla oluşur. Bu karşılaşmanın sonucunda bir nötron ve bir elektron nötrinosu doğabilir. On milyar dereceden yüksek sıcaklıklarda tepkime anlık olarak gerçekleşir. Yeni oluşan nötron hemen sonra bir pozitronu yok edip bir proton ve bir karşı-nötrinoya dönüşebilir.
Bu dönemde sözkonusu tepkimeler çoğalır ve pozitronlarla elektronlar arasındaki dengeyi andıran kalıcı bir denge sağlanır. Bitimsiz bir etkinlikle kaynaşan bir uzay düşünmek gerekir. Nötrinoların altı değişik türü (her üç ailenin nötrinoları ve karşı-nötrinoları) aynı oranda temsil edilir. Nüfusları aşağı yukarı fotonların ve elektronların nüfusu kadardır. Sonuçta evrensel madde nötrinoları “geçirmez”. Bu parçacıklar uzun süre yolculuk edemez. Nükleonlar tarafından hemen yutulurlar. Bu tepkimeler de proton ve nötronların nüfusunu karşılıklı olarak dengede tutar. Her şey düşsel dengeler içinde “yüzer”.
Sıcaklık on milyar derecenin altına düştüğünde büyü bozulur. Elektronlar ve nötrinolar nüfusları dengede tutacak kadar enerji yüklü değildir artık. Böylelikle evren,nötrinoları “geçirir” (s: 42) hale gelir. Bu parçacıklar evrende serbestçe dolaşacaktır şimdi. Büyük Patlama Kuramı’na göre evrende hala dolaşıp duran ve geçmiş zamanların anısını gizliden gizliye yaşatan “nötrino fosil ışınımı” oluştururlar.
Dünyamızda gözlemlediğimiz madde-karşı-madde bakışımsızlığı gerçekte yalnızca elektronlar ve nükleonlar söz konusu olduğunda geçerlidir. Büyük Patlama Kuramı’na göre nötrinolar için geçerli değildir. Uzayda nötrinolar kadar karşı-nötrinolar da olmalı. Ama bu kestirimin deneylerle doğrulanması epey zaman alacak.
Nötrinoları incelemeyi bu kadar zorlaştıran şeyse, fosil ışınımındaki nötrinoların enerjisinin (yaklaşık bir elektron-voltun binde biri) çok düşük olmasıdır. Birkaç milyon elektron-voltluk güneş nötrinolarının incelenmesi,çağdaş teknolojinin sınırlarını zorlamaktadır. Oysa bir nötrinoyu yakalama olasılığı enerjinin karesiyle artmaktadır. Dolaysıyla Büyük Patlama Kuramı’nın öngördüğü nötrino fosil ışınımının varlığını doğrulamak için aletlerin duyarlılığını 1018 kat arttırmak gerekir.