Atomaltı Parçacıklar Konu Anlatımı

 Atomaltı Parçacıklar Konu Anlatımı

 Atomaltı Parçacıklar

1-) Leptonlar
2-) Kuarklar
3-) Nötrinolar

Temel Parçacıklar
Leptonlar ve kuarklar şimdiki bilgilerimize göre elementer parcacıklardır. Yani, kendilerini oluşturan başka parçacıklardan yapılmamışlardır. Leptonlar içinde hepimizin yakından tanıdığı ‘Elektron’ vardır. Elektron şimdilik başka parçacıklardan yapılmamış olarak kabul edilmektedir. Leptonların spini (dönüş) ½ ve elektrik yükleri -1 veya 0 dır. Yunanca lepton hafif parçacık anlamına gelmektedir.

Elementer parçacıklar içinde adını James Joyce dan alan parçacıklar Kuarklardır. Kuarklarda spin ½ ve elektrik yükleri 2/3 veya -1/3 olan parçacıklardır. Şimdilik bilinen 6 kuark vardır. Atom cekirdeği etrafında bulunan elektron bir elementer parcacık olduğu için onunla fazla uğraşmayacağız. Geriye kalan, “çekirdek nedir”? Sorusuna cevap arayacağız. Çekirdek Nukleon adını verdiğimiz proton ve nötrondan meydana gelmiştir. Elektron ve çekirdek, içindeki Nötron ile Proton kararlı parçacıklardır. Çekirdeği ilgilendiren parçacıklar ailesi iki kısımdır.

1-) Baryonlar
2-) Mezonlar

Baryonlar ağır parcacıklardır, mezonlar orta ağır parçacıklardır. Baryonlar ve Mezonların hepsine Hadronlar adı verilir. Yunanca kuvvetli parçacık anlamındadır. Kuark kuramına göre Baryonlar 3 kuarktan, Mezonlar ise bir kuark ve bir antikuarktan oluşmuşlardır. Nötron UDD kuarklarından, Proton ise UUD kuarklarından meydana gelmiştir. Elektrik yükleri hesaplandığında 2/3 -1/3-1/3 = 0 yani yüksüz Nötron ve 2/3+2/3-1/3 = 1 yüklü Proton olduğu görülür.

Hadronlar ailesi
Bir atom çekirdeğini oluşturan Hadronlar, Kuarklardan yapılmışlardır ve aradaki mezon alışverişi ile kararlı parçacıklar ortaya çıkar. Bu olay esnasında ki kuvvet güçlü etkileşimdir ve çekirdeği parçalanmadan tutar. Bu olgu ilk kez H. Yukova tarafından ortaya konulmuştur ve bu olayda en çok rol oynayan mezon pi mezondur. Ortalıkta fazla görülmeyen bu maddelerin ömrü çok kısadır. Yüklü pi mezon 10-8 sn yaşar. Bir atom çekirdeğinin her zaman kararlı olmadığını biliyoruz, kararsız atom çekirdeklerinde, ki radyoaktif maddelerin çekirdekleri böyledir, çekirdek parçalanması olur bunu sağlayan zayıf etkileşimdir. Doğada varolan ve şimdilik bilinen 4 temel kuvvetin bağlantı kuantasına Gluon adı verilir.

Elektromagnetik kuvvet gluonu FOTON
Zayıf Etkileşim kuvvet gluonu W+ W- Z0 parçacığı
Çekim Kuvveti gluonu GRAVİTON
Kuvvetli Etkileşim gluonu RENKLİ GLUONLAR

dır. Atom çekirdeğini ilgilendiren gluonlar Kuarkların tad dediğimiz özelliğini değiştirir
ve onların yapmış olduğu hadronları parçalar veya kuarkları zamk gibi birarada tutarak
kararlı parçacıkların yapılmasını sağlar.

Şimdiye kadar bahsedilen bu parçacıkların Pauli yasası ile belirlenen spinleri göz önüne alındıklarında (spin parcacığın iç açısal momentumudur), parçacıklar ya tamsayılı spinlere sahiptir. 0 , 1 ,2 …gibi veya yarım tamsayılı (buçuklu) spinlere sahiptir ½ , 3/2 , 5/2 … gibi. Yarı tamsayılı spinli parçacıklar FERMİ istatiklerine, tamsayılı spin’e sahip olanlar BOSE istatiklerine uyarlar. Bu nedenle Spinler göz önüne alındığında parçacıklar iki kısma ayrılırlar.

1-) Fermionlar ( Enrico Fermi den)
2-) Bozonlar ( M. K. Bose dan )

Fermi istatistiklerine uyan parcacıklar aynı anda aynı konumda olamazlar (elektron gibi). Bose istatiklerine uyanlar ise aynı anda konumda olabilirler (foton dolayısı ile laser gibi). Tüm bahsedilen parçacıkların bir antiparçacığı da olduğunu, ki buna antimadde diyoruz.

Unutmamakta fayda var. En çok bilinen örnek Pozitron yani antielektrondur. “Peki ortalıkta antimadde niye görülmüyor?” diyorsanız sebebi; madde ile antimadde karşılaştığında, ortaya enerji çıkmasıdır.

Kısaca özet halinde konuyu anlatmaya çalıştık, konu çok geniş ve gittikçe karmaşık hale gelmektedir. Korunum yasaları, Pauli dışarlama etkisi, Parite, Ayar teorileri, Sicim teorisi, sekizli yol gibi teferruata girmedik belki ileride meraklısı artarsa konuyu daha geniş olarak inceleriz, şimdilik aklınızda bu kadar kalsın yeter.

NÖTRİNOLAR
Nötrinolar leptondur. Yüksüz (nötr) ve sıfır veya çok küçük kütleye sahiptirler. Bu yüzden diğer parçacıklarla neredeyse hiç etkileşmezler. Bir çok nötrino, bir kere bile etkileşmeden yeryüzünün içinden geçerler. Nötrinolar değişik bozunma ve etkileşmeler ile üretilir. Örneğin, bir nötron bir proton, bir elektron, ve bir anti-nötrinoya bozunur. Aslında, fizikçiler nötrinoların, radyoaktif bozunmaların dikkatli gözlemleri sounucu varolduklarını varsaymışlardır.

Örneğin, bir nötron, bir elektron ve bir protona bozunduğunda, elektron ve protonun momentumları toplamı başlangıçtaki nötronunkine eşit değildir. Bu yüzden, kayıp momentuma karşı gelecek başka bir parçacık olmalıdır : yani, nötrino.

Nötrinolar çok sayıda üretildiklerinden ve maddeyle çok nadir etkileşmeye girdiklerinden, Evrende çok büyük miktarda bulunurlar. Eğer kütleleri varsa, Evrenin toplam kütlesinin çoğuna katkıda bulunacak ve genişlemesini etkileyeceklerdir.

Nötrinolar
Vücudumuz, çevremizde görmekte olduğumuz her şey, binalar, hatta dünyamız ve diğer gezegenler sadece elektronlar, protonlar ve nötronlardan oluşmaktadır. Bir atomun çekirdeğinde protonlar ve nötronlar yer alır, elektronlar da bu çekirdeğin etrafındaki yörüngelerde bulunur (bunlar klasik fizikten bildiğimiz yörüngeler tam değil ama yine de bu terimi kullanmaktayız). Peki bu gözlemimizden yola çıkarak tüm evrenin de bunlardan ibaret olduğu söyleyebilir miyiz? Hayır hiç değil! Bu üç parçacık sayıca çok azdırlar. Örneğin her birisine karşılık evrende ortalama bir milyar nötrino var. Büyük patlamadan kalan nötrinoların evrenimizdeki ortalama yoğunluğu santimetreküp başına yaklaşık 336 adet. Arkalan mikrodalga fon ışımasını oluşturan ve evrenin şimdiki 2,7 Kelvin sıcaklığına karşı gelen fotonların sayısı ise bundan biraz daha fazla. Nötrinolar maddeyle çok zayıf etkileşen parçacıklar. Neredeyse etkileşmiyorlar diyebilirsiniz. Bir nötrinonun suda alacağı serbest yol (hiçbir su molekülüyle etkileşmeden kat edeceği doğrusal mesafe) yaklaşık 1600 ışık yılı kadar. Güneşten kaynaklanan nötrino akısı nedeniyle hepimizin vücudundan saniyede yüz milyar civarında nötrino geçmekte; hiç etkileşmeden vücudumuzu ışık hızıyla delip geçmekteler. Nötrinolar sayıca çoklar ama adeta “hayaletimsi” parçacıklar; ama hemen vurgulayalım ki fiziksel özellikleriyle çok iyi bilinen nötrinolar elemanter parçacık fiziğinin standart modeli olarak anılan harika anlatımda da zaten vazgeçilmez yer tutmaktalar. Parçacık hızlandırıcıları ve diğer laboratuarlarda gözleneli çok yıllar oldu (tek bir nötrino değil de aslında üç tür nötrino var: elektron, müon ve tau tipi nötrinolar ve bunların anti-parçacıklarını da hesaba katmalıyız); bu zor işi başaranlar çok haklı olarak Nobel ödüllerini kazandılar.

Nötrinoların varlığının farkına varılması da tarihsel açıdan epey ilginçtir. Radyoaktif çekirdeklerin beta ışıması sırasında açığa çıkan elektronların enerjisini dikkatlice ölçen fizikçiler, elektronların kinetik enerjilerinin kesikli bir spektruma değil de beklentilerinin tam tersine olarak sürekli bir spektruma sahip olduğunu hayretle gördüler ve enerji ve momentumun korunumu konusunda ciddi sıkıntı yaşadılar. Fiziğin bu büyük korunum yasalarından çekirdek altı dünyada vazgeçmeyi düşünenler bile çıktı ancak 1930 yılında ünlü Wolfgang Pauli ‘nin çözüm önerisi gerçekten müthişti. Herhalde diyordu, detektörler de algılayamadığımız, yüksüz, neredeyse kütlesiz ve maddeyle etkileşmesi aşırı zayıf olan bir ikinci parçacık olmalıydı. Pauli’nin, makalesini hemen yazmakta tereddüt ettiği bu çarpıcı nötrino hipotezi deneysel sonuçları açıklamak için birebirdi ancak bu parçacık nasıl gözlenecekti? Tam yirmi altı yıl sonra sabırlı çalışmalar sonuç verdi ve 1956 yılında ABD’li fizikçiler F. Reines ve C. Cowan dedekte edilmeleri neredeyse olanaksız olan nötrino adlı bu parçacığı (bu adlandırma E.Fermi’ye ait, küçük yüksüz parçacık anlamında) detekte etmeyi başardılar (tam kırk yıl sonra 1996 yılında F.Reines Nobel ödülünü kazandı, çalışma arkadaşı ise maalesef o yıllarda hayatta değildi). Bu gözlenen elektron nötrinosuydu (leptonik korunum yasası nedeniyle daha doğru bir şekilde elektron antinötrinosu olarak adlandırılmakta; ancak nötrinoların kendi antiparçacıklarıyla özdeş olmaları da mümkün, hatta asıl beklenti o yönde), daha sonra 1962 yılında müon nötrinosu (L.Lederman, M.Schwarz ve J.Steinberger) ve 2000 yılında da tau nötrinosu (Fermilab DONUT deneyinde) gözlendi ve böylece standart modelin öngördüğü tablo tamamlandı (Lederman ve grubu da 1988 yılı fizik Nobel ödülünü aldılar).

Nötrinolar sadece zayıf nükleer etkileşmelerde ortaya çıkan parçacıklar; etkileşmeleri, fiziksel özellikleri, simetriler altındaki davranışları mükemmel biliniyor. Nötrinoların içsel açısal momentumları (yani spinleri) elektronunki gibi: alışılmış birimler cinsinden ½. Kuantum mekaniğine göre bu tür parçacıkların spin yönelimleri çizgisel momentuma paralel ya da anti-paralel olabiliyor. Elektron için bu tamamen böyle. Ancak nötrinoların spinleri momentuma hep zıt yönde, antinötrinoların spinleri ise momentumla aynı yönde. Doğada sadece sol-elli nötrinoları ve sağ-elli antinötrinoları gözleyebiliyoruz.

Bu ise zayıf etkileşmelerin neden parite simetrisini (ayna simetrisini) maksimal kırdığını hemen açıklamakta; zira sol-elli nötrinonun ayna simetrisi olan sağ-elli nötrino doğada yok. Ayrıca doğada sağ-elli nötrino alanı bulunmadığından nötrinoların kütlesini fiziksel açıdan açıklamak çok zorca. Bu nedenle standart modelin parçacık tablosunda nötrinolar kütlesiz fermiyonlar (spinleri ½ olan parçacıklar) olarak gözükmekte. Özetle nötrinolar elektrozayıf etkileşmelerin kalbinde yer alan parçacıklar. Nötrinosuz bir evren düşünmek olanaksız. Şöyle ki nötrinolar olmasaydı güneşimiz dahil olmak üzere yıldızlar parıldayamacaklardı, zira nükleer füzyon mümkün olamayacaktı. Dolayısıyla hidrojen atomundan daha kompleks atomların hiçbirisi sentezlenemeyecekti. Ne karbon atomu, ne oksijen ne de su olmayacaktı. Doğal olarak ne dünya ne de bizler var olmayacaktık. Tüm ağır elementler süpernova patlamaları sonucu sentezlenmekte. O halde nötrinosuz bir evrende süpernova patlamaları da olmayacağından ağır elementler de (örneğin damarlarımızda dolaşan kanda mevcut olan hemoglobindeki demir elementi) söz konusu olamayacaktı.

Nötrino osilasyonları
Nötrino fiziği son otuz yıldır büyük bir gelişim kat etti. Nötrinoların elemanter parçacık fiziğinin standart modelindeki yerleri eskiden de çok önemliydi ama artık bir anlamda sahnenin arkasında değil de önündeler, oynadıkları rollerinin daha önemli olabileceği düşünülüyor. Özellikle deneysel alanda elde edilen bulgular standart modelin çizdiği evren tablosunu genişletmemiz gerektiğine dair ilk ipuçlarını içeriyor. Şöyle ki:

Güneşin bizleri nasıl aydınlattığı ve ısıttığı konusu fizikçilerin cevabını gayet iyi verebildikleri bir soru. Güneşte gerçekleşen her bir füzyon tepkimesi sonucunda dört adet hidrojen atomu bir helyuma dönüşmekte ve bu arada iki tane elektron nötrinosu ve 26 MeV’lik de enerji açığa çıkmakta. Dünyaya düşen enerji akısı hassas bir şekilde ölçülebildiğinden bundan yola çıkarak dünyada yerleştirilen nötrino dedektörlerine güneşten gelen nötrino akısı (ve enerji spektrumu) bulunabilmekte.

Güneşten dünyaya ulaşan nötrino akısı bir saniyede bir metrekare başına 650 x milyon x milyon kadar! Bu muazzam nötrino akısını dedekte etmeye kendisini adayan Amerikalı fizikçi, R.Davis (2002 yılında Nobel ödülünü aldı, oysa pek çok kişi başlarda onun çabalarını zaman kaybı olarak görüyordu), beklenin üçte biri kadar bir nötrino akısını gözlemledi. Uzun yıllara dayanan bu deneysel gözlem başka laboratuarlar tarafından da doğrulandı. Güneşten gelen nötrinoların akısındaki bu anomalinin (tuhaflığın) daha sonra atmosferik kaynaklı nötrinolar için de geçerli olduğu görüldü. Dünya atmosferine giren kozmik parçacıkların yol açtığı zincirleme tepkimeler sonucunda ortalama olarak her elektron nötrinosuna karşılık iki adet müonik nötrinonun yaratıldığı bilinmekte.

Yeryüzündeki dedektörler ise elektronik ve müonik nötrinoların sayıları arasındaki bu ikiye bir oranından yüzde kırk civarında düşük bir oran saptamaktalar; yerküre çapının öteki uzak ucundan girip çap boyunca uzunca bir mesafe katederek çapın diğer ucundaki dedektöre ulaşan nötrinolar içinde müonik tiplilerin sayısı azalıyor! Ancak bu azalmanın, diğer yönde giriş yapan nötrinolar için (atmosfere hemen tepe yönünde girenler) geçerli olmadığı gözlenmekte; bu gözlem ise biraz sonra değineceğimiz üzere nötrino salınımı yorumunun yapılabilmesi için çok önemli bir ipucu Uzun yıllar süren hassas ölçümler sonunda bu anomali de iyice açıklık kazandı. İşte bu iki anomali artık nötrino osilasyonları cinsinden tamamen anlaşılmış bulunmakta.

CERN’de Yeni Bir Atomaltı Parçacık Bulundu

Zürih Üniversitesi’nden fizikçiler, Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi’ndeki (Cern) dünyanın en büyük parçacık çarpıştırıcısı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki (BHÇ) deneylerinde yeni bir atomaltı parçacık buldular.

Zürih Üniversitesi’nden yapılan açıklamada, Cenevre’deki dev çarpıştırıcıda, bilinen maddenin en küçük yapıtaşlarından üç kuarkın oluşturduğu baryon parçacığının yeni bir türünün tesbit edildiği belirtildi.CMS detektörü tarafından tesbit edilen “Xi_b” baryonunun bir hafif ve iki ağır kuarktan oluştuğu belirtilen açıklamada, kuarklar, “dik”, “tuhaf” ve “güzel” diye adlandırıldı.

Atomaltı parçacığın doğrudan gözlenemeyecek kadar değişken olduğu ifade edilen açıklamada, baryon parçacığının elektrik olarak “nötr” ve kütlesinin bir lityum atomu kadar olduğu kaydedildi.Araştırmacılara göre, bu yeni parçacığın keşfinin, “maddenin yapısını belirleyen fiziğin dört temel kuvvetinden birisi olan (güçlü etkileşimi) anlamaya” yardımcı olması bekleniyor.

BHÇ’de yapılan en büyük iki deney ATLAS ve CMS’deki çok amaçlı detektörler, dev cihazdaki çarpışmalar sırasında ortaya çıkan parçacıkların analiz edilmesini sağlıyor.2 yılı aşkın süredir deneyleri yürüten Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (Cern) bilimadamları, 13 Aralık’ta parçacıklara kütlelerini verdiği düşünülen ve “Higgs bosonu” adlı atomaltı parçacığının izine rastladıklarını, ancak elde edilen verilerin keşif olarak nitelenemeyeceğini açıklamıştı.

Büyük Patlama Oluşturulacak

BHÇ, 14 milyar yıl önce evrenin doğumuna yol açtığına inanılan, “Büyük Patlama” ortamını yeniden oluşturmayı amaçlıyor.Deney sırasında 27 kilometrelik tünel boyunca ayrı yönlerde iki proton huzmesi veriliyor.Işın demetleri ayrı istikametlerde, ışık hızına yakın bir süratle halka şeklindeki tünelde yol alıyor.

Proton ışınlarının birbiriyle büyük bir enerjiyle çarpışmasının ardından bilim adamları, kozmosun doğasını kavramaya yarayacak yeni parçacıklar görmeyi amaçlıyor.Bilim adamları, çarpışma sırasında özellikle teorik fizikteki kütle mantığının temelini oluşturan veya karanlık maddenin neden yapıldığını anlamaya yarayacak “Higgs parçacığı” diye adlandırılan parçacıkların varlığını kanıtlamaya çalışıyor.

Fizikçi Peter Higgs’in, temel parçacıkların kütle kazanmasını açıklayan kuramından adını alan “Higgs parçacığı”, 1993 yılında Nobel ödüllü fizikçi Leon Lederman tarafından adlandırılmıştı.

Atomaltı Parçacığı – Higgs Bozonu

François Englert ve Robert Brout tarafından Standart Model’deki fermiyonlara kütle kazandırmak için varlığı öne sürülmüş spini 0 (sıfır) olan parçacık. H veya h olarak kısaltılır. Aralık 2011’de o zamanlar iki ana deneyin (ATLAS ve CMS) sözcüleri birbirlerinden bağımsız sonuçlara dayanarak Higgs parçacığının 125 GeV/c2 (133 proton kütlesi, 10−25 kg) değerinde bir kütleye sahip olabileceğini belirtti. Ayrıca yaptıkları açıklamada 115–130 GeV/c2 arası hariç Higgs’in bulunmayacağı diğer kütle aralıklarının önemli ölçüde elendiğini belirttiler. BHÇ’nin kesin bir sonuç için gerekli cevabı 2012’nin sonunda vereceği söylendi. 22 Haziran 2012’de CERN, yapılan deneylerin son durumu hakkında bir seminer verileceğini duyurdu. 28 Haziran 2012 civarlarında parçacığın bulunduğu yönünde açıklamaların geleceği medyada yayılmaya başladı fakat bunun “sadece güçlü bir sinyal” mi yoksa resmi bir keşif mi olacağı belirsizdi.

4 Temmuz 2012’de CERN, “Higgs bozonu ile tutarlı” bir parçacığın resmi keşfini açıklamaya yeterli olan “5 sigma” seviyesindeki sinyali doğruladı. Gerçekten de Higgs bozonunun teorik olarak tüm öngörülen özellikleri taşıyıp taşımadığını ve eğer taşıyorsa Standart Model’in hangi versiyonunu daha çok desteklediği ise ileride yapılacak olan araştırmaların göstereceği belirtildi. Ayrıca bu Higgs bozonu ile tutarlı olarak bulunan parçacığa şimdilik “higgson” ismi verilmiştir.

Kuramsal ayrıntılar
Standart Model içindeki kuvvet taşıyıcı ayar bozonları kısa erimli doğaları sebebi ile kütleli olmak zorundadırlar. Higgs spin’i 0 (sıfır) olan kompleks bir alandır. Bu iki yüksüz, iki de yüklü parçacığa karşılık gelir. Higgs potansiyeli Kendiliğinden Simetri Kırılması dolayısıyla bir vakum beklenen değerine VBD sahip olur. Aynı zamanda sözü geçen 4 parçacıktan sadece bir tanesi kalır. VBD, SU(2)_L ayar alanın 3 tane ayar parçacığına kütle verir. Bu 3 ayar parçacığı $W^{\pm}$ ve Z^0 bozonlarıdır.

Deneysel ayrıntılar
Varlığı deneysel olarak henüz ispatlanmamış olan Higgs bozon için LEP-2’den elde edilen sonuç kütlesinin 115 GeV’den büyük olması gerektiği şeklindedir. Arama çalışmalarına Fermilab da CDF ve D0 deneylerinde devam edilmektedir. 2008 yılının sonlarında çalışması planlanan CERN’deki LHC hızlandırıcısında yapılacak CMS deneyi, ATLAS, LHCb deneyi ve ALICE deneylerinde Higgs parçacığı yanı sıra Standart Model ötesinde nasıl bir fizik olduğu araştırlımaya devam etmektedir.CERN deneyinde bulunduğu sanılmaktadır. 13 Aralık 2011’de, ATLAS Deneyi ile 2011 yılı içerisinde elde edilen bulgular açıklandı. Bu bulgulara göre Higgs bozonunun kütlesi 131-453 GeV aralığında %95 ihtimalle bulunmamakla birlikte olası kütlesinin 126 GeV civarında olduğu tahmin ediliyor.CMS deneyi ekibi ise 124 GeV civarında olduğu yönünde tahmin ettiklerini belirttiler.