Kitap Oku – Yerli Kitap Oku – Yabancı Kitap Oku – Kitap Özetleri

Quarklar

Kuarklar gerçekten tuhaf yaratıklardır. Temel dediğimiz sınırlı sayıdaki parçacık arasında yer alırlar, ama şimdiye ka­dar onlardan bir tanesini bile kendi başına görmediğimiz gi­bi, göreceğimizi de sanmıyoruz. Kuarkların kütlesiyle ilgili belirsiz bir fikrimiz var (tartmak için bir tane bile yakalaya­madığımız için) ve en ağır olanının en hafif olanından niçin on binlerce kat daha ağır olduğuyla ilgili hiçbir fikrimiz yok. Ama oradalar işte, altı tanesi ve üç grupta, bir dizi leptonla eşleşen bir dizi kuark. Leptonlar gibi, onların da bir-yarım bi­rimlik dönüşü var. Yine leptonlar gibi ölçülebilen fiziksel bü­yüklükleri yok; söyleyebildiğimiz kadarıyla nokta olarak bu­lunuyorlar. Bunun dışında leptonlardan çarpıcı bir şekilde ay­rıldıkları özellikler var, güçlü etkileşimleri var (leptonların yok) ve parçacık oluşturmak üzere, tıpkı pion, proton ve nöt­ronlarda olduğu gibi, bizim görebileceğimiz şekilde ikişer üçer birleşiyorlar (leptonlar ise başka parçacıklar oluşturmak için birleşmez).*

Bütün işleri, iki veya üç kişilik gruplar halinde at, inek ve­ya zürafa kostümü giyip sahneye çıkmak olan aktörler hayal edin. Seyircilerin arasında olan siz, digital fotoğraf makineni­zi çıkarıp bu “hayvanlaf m fotoğrafını çekip bu fotoğrafları inceleyebilirsiniz. Bu yaratıklar hakkında pek çok şey öğre-nebilirsiniz -boylarını, renklerini, davranış şekillerini ve (sahnede görevli arkadaşlarınızın yardımıyla) ağırlıklarını. Her bir hayvanın içinde kaç aktör olduğunu anlayabilirsiniz. Ancak bu hayvan kostümleri içindeki aktörlerin fiziksel özel­liklerini, cinsiyetlerini ve tenlerinin rengini bilemezsiniz. Si­zin bu durumunuz, bir fizikçinin proton, nötron ve diğer bir­leşik parçacıkları (daha temel varlıklardan oluşan parçacıkla­rı) inceleyerek kuarklar hakkında bir şeyler öğrenmeye çalış­ması gibidir.

Bu sahne hayvanları benzetmesi çok uygun değildir, çün­kü aslında fizikçiler kuarklardan birini dahi tek başına görme­nin avantajı olmadan bile onlarla ilgili pek çok şey öğrendi­ler. Üstelik, protonun içindeki kuarklarla, hayvan kostümü içindeki aktörler arasında büyük bir fark var -kütlelerinin öl­çüsü. Eğer pek çok hayvanın rolünü oynama yükünün altı ak­törde olduğunu ve bunların farklı gruplar kurduğunu bilsey­diniz, her bir aktörün ağırlığını bulmak için, her sahne hayva­nının ağırlığını ölçüp bireysel ağırlıkları bulana kadar bu ağırlıklarla uğraşıp dururdunuz (kostüm ağırlıklarının izniy­le). Bunun nedeni, yaşadığımız dünyada kütlelerle basit bir şekilde toplama işlemi yapılabilmesi. Eğer George 160 pound (72,6 kg) ve Gracie 120 pound (54,4 kg) ağırlığındaysa, bir tartının üzerinde ikisinin toplam ağırlığı 280 pound (127 kg)’dır. Bu sıradan gerçek, kimyagerler için çok yararlı olan kütlenin korunum ilkesinde de çok değerli bir yere sahiptir.

Ancak kütle, diğer pek çok şey gibi, atomun içindeki dün­yada kütle ve enerji eşitliği nedeniyle farklı davranır. Üç tane kuark bir proton oluşturmak üzere bir takım oluşturduğunda, protonun kütlesinin sadece küçük bir bölümü bu kuarkların kütlesinden oluşur. Kuarkların kütlesinin büyük kısmı proto­nun içinde hapsolmuş saf enerjiden oluşur. Bu, sanki at kos­tümü giymiş George, Gracie ve Gloria’nın ortak ağırlığının 400 pound (181,6 kg), atın ağırlığının ise onbeş ton olması gi­bidir. Zavallı fizikçi, protonun kütlesini on milyonda bir gö­rülenden daha doğru ölçtükten sonra, sözlerini değiştirerek protonun içindeki kuarkların, çarpanı ikiden büyük veya kü-çük olan ortalama kütlelere sahip olduklarını söyledi.

Ek B’de Tablo B.2′de bu altı kuarkm adları ve özellikleri gösterilmekte.

İlk grupta yer alan yukarı ve aşağı sözcükleri rasgele se­çilmiştir (Hiçbir yönle ilgisi olmayan sıradan isimlerdir). İkinci grup için fizikçiler daha esprili davranmış ve bu kuark-lara tuhaf ve tılsım isimlerini vermişler (üzgünüm, biri sıfat, biri isim). 1940′ların sonlarında, kozmik radyasyonun içinde umulmadık düzeyde uzun ömürlü, protondan ağır parçacıklar görüldü. Bu “tuhaftı. Bu parçacıklar tuhaf parçacıklar oldu­lar ve biz bugün onların niçin saniyenin on milyarda biri ka­dar yaşadıklarını anlıyoruz. Çünkü onlar, nötron ve protonda bulunmayan bir tür kuark içeriyorlar: “tuhaf kuark”. Daha sonra, oldukça ağır bazı meson ve baryonların saniyenin tril­yonda biri kadarlık bir süre yaşadığı bulunduğunda (çok da­ha hızlı yani saniyenin trilyonda birinin milyarda biri ya da daha kısa bir sürede bozunmaları “gerekirken”), bu “tılsımlı” bir şey olarak kabul edildi. Bu parçacıkların yaşadıkları ha­yattan dolayı, bunların farklı bir tür kuark oldukları düşünü­lerek onlara “tılsım kuark” dendi.

1977 ve 1995′de keşfedilen oldukça ağır üçüncü gruptaki kuarklara gelindiğinde, fizikçiler korkuyordu. Bir süre bu son iki kuarka “doğruluk” ve “güzellik” dendi. Ancak korunum kazandı. “Doğruluk” “zirve” ve “güzellik” “dip” oldu. (Bu yeni isimlerin kuramsal bir mantığı vardı. Ancak ne yazık ki doğruluk ve güzellik kayboldu.)

Gözlemlenen her parçacık sıfır, +1, -1, +2, -2 gibi elektrik yükü taşırken (proton yükü birimleri), kuarklar ve karşıt ku-arklar + 1+3,-1+3, +2+3, -2+3 gibi kesirli yük taşırlar. Ancak gözlemlenebilen varlıklar oluşturmak için daima sıfır ve tam-saylı yüklerle birleşirler.

Kuarklar tarafından “kesirleştirilmiş” olan bir başka sayı baryon sayısıdır (bazen elektrik yükü anlamında baryonik yük sözcüğü kullanılır). Proton ve nötronlar baryondur (öz­gün anlamının “ağır parçacık” olduğunu hatırlayalım). Bar­yon sayısının en önemli özelliği korunmasıdır. Ağır bir bar-yon daha hafif bir baryona dönüşebilir. Böyle olduğunda, dö­nüşümden önceki ve sonraki baryon sayıları aynıdır. Baryon sayısı denen şey kaybolmaz. (Benzer şekilde, elektrik yükü de korunur. Reaksiyondan sonra da reaksiyondan önceki ka­dardır.) Evrenin yapısı ve biz insanların şansına, en hafif bar-yonun gidebileceği hiçbir yer yoktur. Sabittir, çünkü dönüşe­bileceği kendinden daha hafif bir baryon yoktur. Bu en hafif baryon protondur.

Proton sonsuza dek yaşayacakmış gibi görünüyor.* Proto­nun en yakın komşusu ondan biraz daha ağır olan nötrondur. Bu, nötronun sabit olmadığı anlamına geliyor: nötron baryo-nun korunum kanunu ya da enerjinin korunum kanununa kar­şı gelmeden daha küçük kütleli protonlara (ve elektron ile karşıt nötrinoya) dönüşebilir. Yalnız kaldığında nötron, üç farklı parçacığa dönüşmeden önce ortalama on beş dakika ya­şar. Yine biz insanların şansına, nötron atom çekirdekleri içinde sabitlenir, böylece 209 kadar proton ve nötron kombi­nasyonu bir araya toplanarak sonsuza kadar yaşar. Bunun an­lamı, dünyamızın sadece hidrojen elementinden değil, çok sayıda farklı elementten oluştuğudur. Bunun tek nedeni ise kütlenin enerji, enerjinin de kütle demek olduğudur. Aslında, sabit bir çekirdeğin içindeki nötronun kütlesi potansiyel ener­jisi sayesinde dönüşemeyecek kadar küçülür. (Nötronlar sabit olmayan bazı çekirdeklerde dönüşebilir. Bu süreç beta radyo­aktivitesine neden olur.)

Bu konu bizi tekrar kuarklara döndürdü. Kuarklarm her biri 1+3′Kik baryon sayısı taşır. Böylece bir proton ya da ıjöt-ron oluşturacak üç kuarkın baryon sayısı 1 olur. Bir karşıt ku­arkm baryon sayısı -1+3 olduğundan, bir kuark ile bir karşıt kuarkın baryon sayısı sıfırdır. Bu tür kuark-karşıt kuark kom­binasyonları mesonları oluşturur. Bu nedenle karşıt kuark gö-rülmemiş bir şey değildir. Parçacıkların büyük sıralamasında-ki yerini almıştır. (Ancak bu parçacıklardan hiçbiri sabit de­ğildir).

Tablo B.2′de görüldüğü gibi, kuarkların, yukarı ve aşağı kuarkların birkaç MeV’lik ağırlığından, 170.000 MeV’lik zirve kuarkmın ağırlığına kadar çok geniş bir kütle ağırlık yelpazesi vardır. Daha önce de belirttiğim gibi, kimse bunun niçin böyle olduğunu bilmiyor.

Kuarkların Tablo B.2′de gösterilmeyen başka bir önemli özelliği ise renktir. (Üzgünüm, bir tane daha rasgele seçilmiş isim -gördüğünüz renklerle hiç ilgisi yok). Renk daha çok, elektrik yükü gibidir (ve aslında bazen renkyükü denir); asla kaybolmayan ve yok edilemeyen bir parçacık tarafından taşı­nan bir maddedir. Kuarklar “kırmızı”, “yeşil” ya da “mavi” olabilirler. Karşıt kuarklar ise karşıt kırmızı, karşıt yeşil ya da karşıt mavi. Kırmızı, yeşil ve mavinin eşit karışımı ise “renk­sizdir. Aynı miktarlardaki karşıt kırmızı, karşıt yeşil ve kar­şıt mavinin karışımı ise yine renksizdir.

Bileşik Parçacıklar

Kuarklar, hayret verecek derecede ilginçtir; kendilerini gizlerler, taşıdıkları renkleri de. Kuarklar ikili ya da üçlü ola­rak birleştiklerinde laboratuarda renksiz bileşik parçacıkların oluştuğunu görürüz.* Tablo B.3′de, bildiğimiz yüzlerce bile­şik parçacığın bir miktarı görülüyor.

Tablodaki varlıklar iki parçacık türüne ayrılmıştır. Üç ku-arktan oluşan ve yarım-tek-tamsayılı dönüşü olan (1*2; 3*2, 5*2 gibi) baryonlar ve kuark-karşıt kuark çiftlerinin oluştur­duğu tamsayılı dönüşü olan (0,1,2 gibi) mesonlar. 3. Bölüm­de tanıtılan sözcüklerden bazılarını hatırlayacak olursak: bar­yonlar fermion adındaki parçacığın bir çeşididir, mesonlar isebozon adındaki parçacığın bir türüdür. Fermion ve bozonlann davranışları arasındaki oldukça şaşırtıcı farkı anlatmayı 7. Bölüme bırakıyorum. Tablodaki her parçacık bir hadrondur, yani güçlü etkileşimi olan bir parçacıktır. Bunun basit bir ne­deni var: hadronlar güçlü etkileşimi olan kuarklardan oluşur.

Bildiğimiz en hafif baryonlar, her atomun tam merkezinde buluan proton ve nötronlardır. Daha sonra Yunanca sözcük­lerle anılan -lambda, sigma, omega (ve daha pek çok) gibi baryonlar gelir. Proton ve nötronlar yukarı (y) ve aşağı (a) ku­arklardan oluşur. Tablodaki diğer baryonlar bir ya da daha çok sayıda tuhaf (s) kuark içerir. Halen daha ağır olan baryon­lar (listede yok) tılsım (c) ve dip (b) kuarkları içerir.

Zirve kuarkı içeren baryona henüz rastlanmamıştır. Tılsım kuark içeren en hafif baryon protonun kütlesinden yaklaşık iki buçuk kat ağırdır. Bugüne kadar bilinen, dip kuark içeren tek baryonun kütlesi, protonun kütlesinin altı katıdır.

Proton hariç baryonların hiçbiri sabit (radyoaktif) değildir. Tablo tipik dönüşüm sayılarını ve ortalama ömürleri göster­mektedir.

Nötronun 886 saniyelik ortalama ömrü neredeyse “son-suzluk” demektir. 10″¹⁰ saniyelik ortalama ömürler bile ato-

mun içindeki dünyanın standartlarına göre olağanüstü uzun­dur. 10″un milyarda bir anlamına geldiğini hatırlayalım, böylece 10″^{10 san}iy^e demek saniyenin on milyarda biri demek­tir. Tablo B.3′ün daha altlarına, meson bölgesine baktığınız­da, eta parçacığının ortalama ömrünün yaklaşık 10″ saniye olduğunu göreceksiniz. Bu, biz insanlar için düşünülemeye­cek kadar kısa bir süre, ancak etanın ölmeden önce bir ato­mun içinde salına salına gezineceği kadar uzun bir süredir.

Tablo B.3′e, bilinen düzinelerce meson arasından sadece en hafif kütleli olan üç tanesini seçip koyalım. İçlerinde en hafifi olan pion, bir protonun kütlesinin yaklaşık yedide biri kadar ağırlıktayken, bir elektronun kütlesinin 270 katı kadar­dır. Daha önceki bölümde belirtildiği gibi, pion ilk olarak 1940′larm sonlarında tanımlandığında, bunun 1930′lardaYu-kawa’nın varlığını haber vermiş olduğu, proton ve nötronlar

arasındaki değişiminin şiddetli nükleer gücü açıkladığı varsa­yılan parçacık olduğu düşünüldü. Yukawa değişim teorisi ta­mamıyla yanlış değildi ama, bu teorinin yerine kuarklarla yer değişen gluanların teorisi büyük oranda geçti. Bu yüzden pi-on, parçacık dansının baş balerini olacağına, bale topluluğu­nun “sıradan” bir üyesi oldu.

Şimdi sizlere tablodaki pion bileşiğinin -daha doğrusu yükleri +1, -1 ve 0 olan üç pionun- işaret ve sayı sistemini açıklayayım. Pozitif yüklü pion bir yukarı kuark ile bir karşıt aşağı kuarktan oluşur. Bu kombinasyonu ud şeklinde yazarız. Eğer Tablo B.2′yi incelerseniz, bu kombinasyonun yükünün aslında +1 olduğunu (bir karşıt-aşağı kuarkın yükü +İ4-3 ol­duğu için) ve baryon sayısının sıfır olduğunu (bir karşıt kuar­kın baryon sayısı -l-f-3 olduğu için) fark edeceksiniz. Tüm mesonların baryon sayısı sıfırdır. Negatif yüklü pion bir aşa­ğı kuark ile bir karşıt-yukarı kuarktan oluşur ve du şeklinde yazılır. Nötr, ya da yüksüz pion ise bir bölümü bir yukarı ku­ark ile bir karşıt-yukarı kuark, bir bölümü ise bir aşağı kuark ile bir karşıt-aşağı kuarktan oluşan bir karışımdır, bu nedenle bu karışımı uu&dd şeklinde yazarız. Benzer işaret sistemi po­zitif, negatif ve nötr türleri olan kaonlar için de geçerlidir, (kaon keşfedilen ilk “tuhaf parçacıklardan biridir. Eta, bir bakıma nötr pion’un ortağıdır. Onun karışımı da uu&dd’dır.

Mesonlar, diğer olasılıkların yanı sıra, tamamiyle lepton-lara dönüşebilirken, baryonlar baryon korunum kanunu tara­fından sınırlandırıldıkları için bunu yapamazlar. Bir baryon, nötronun yaptığı gibi, lepton üretebilmesine rağmen, dönü­şüm sonrası parçacıkları içinde daima başka bir baryon bu­lundurmalıdır.

* Bir pozitron ile bir elektron, pozitronyum adındaki hidrojen gibi bir atom oluşturmak için güçlerini birleştirirler, ama bu dev atom boyutundaki varlık bir parçacık değildir.

* Son dönemlerde geliştirilen bazı teoriler, protonun zaten sabit olamayacağı¬nı, ama on dört milyar yaşındaki evrenin içinde bu kadar uzun ömürlü bir par¬çacığın dönüşme şansının çok küçük olduğunu söyler. Proton dönüşümünü araştıran fizikçiler, henüz protonun dönüşümüyle ilgili bir bulguya rastlama¬mıştır.

* 2003′te Amerika Birleşik Devletleri ve Japonya’daki araştırmacılar bir pen-ta kuarkın izine rastladıklarım bildirdiler. Penta kuark: dört kuark ile bir karşıt kuarktarı oluşan bir varlık (aslında bir baryon).

Kaynak: Herkes için kuantum fiziği, KUANTUM DÜNYASI, Kenneth W. Ford