Kuarkların Dünyası
Ziyaretçi
Kuarkların Dünyası
Acaba maddenin temel yapıtaşları nelerdir? Bir zamanlar bilimciler, atomun bölünemez olduğunu kabul ediyorlardı fakat, 20. yüzyılın ilk birkaç on yılı içinde, atomların, nötron, proton ve elektronlardan müteşekkil olduğu keşfedildi. Elektronlar başlangıçta gerçekten de “temel” gibi gözükseler de, 1960’larda fizikçiler, proton ve nötronların, kuark denen daha küçük parçacıklardan kurulu olduğunu fark ettiler. Parçacık fizikçileri şimdilerde, temel yapı taşlarını iki grupta tarif ediyorlar- kuarklar ve leptonlar (elektronlar da bunlara dahildir). Her grup, altı çeşit kuark ve altı çeşit lepton içerecek şekilde, altışar adet üyeye sahiptir. Sadece, “aşağı”(down) ve “yukarı”(up) olarak isimlendirilen iki çeşit kuark, proton ve nötronu oluşturmak için gerekliyken, diğer dört cins kuarkın, kozmik ışınlarda ve yüksek enerjili parçacık çarpıştırma deneylerinde görülen daha egzotik ve kısa ömürlü parçacıkların meydana gelmesinde kullanıldığı sanılıyor.
Kuarklar, leptonlardan oldukça farklıdır. Aralarındaki esas farklılık, kuarkların, “güçlü kuvvet" denen bir temel kuvvete bağımlıyken, leptonların bundan etkilenmemeleridir. Güçlü kuvvet, şaşırtıcı derecede karmaşık bir dünyanın parçaları haline gelmek üzere, proton gibi daha karmaşık parçacıkların oluşabilmesi için kuarkları birbirlerine bağlar.
KUARKI BULMAK
“Finnegan’ın Uyanışı”
Kuark fikrinin temeli, protonla ilişkili kısa ömürlü parçacıkların özellikleri üzerine yapılan çalışmalardan doğmuştur. Elementlerin özellikleri üzerine benzer bir çalışma, 1896 yılında Dimitri Mendelev’in periodik cetveli oluşturmasına yol açmıştır. Daha sonra atom çekirdeğinin ve elektronların keşfi, Mendelev’in tablosundaki düzenliliğin, atomların iç yapısını yansıttığını ortaya koymuştur. Şimdi, bir yüzyıl kadar sonra, atom altı parçacıkların arasındaki ilişki kalıplarının, bunların iç yapılarını yansıttığını biliyoruz.
Protonun, atomik çekirdeğin çapı veya daha küçük mesafe aralıklarında etkili iki temel kuvvetten biri olan güçlü kuvvet yoluyla birbirleriyle etkileşebilen bir çok akrabası vardır. Birbirleriyle kuvvetli bir biçimde etkileşen bu parçacıklara toplu olarak hadronlar adı verilir (Yunanca “kuvvetli” anlamında). Oldukça kararlı olan protondan ayrıyken, hadronların tümü kararsızdır. Ayrıştırılmış bir nötron yaklaşık 15 dakika kadar var olabilirken, diğer hadronların oldukça kısa yarı-ömürleri vardır.
Kısa ömürlü hadronlar, sadece laboratuvardaki deneyler sonucu üretilen yapay ürünler değildirler. Bunlar aynı zamanda, atmosferin yüksek tabakalarında, atomlarının çekirdeklerine -uzaydan gelen (genellikle protondan oluşan) yüksek enerjili parçacıklar olan- kozmik ışınların çarpması sonucu, doğal olarak da meydana gelirler. Kozmik ışın çarpışma deneyleri, pion, kaon ve lambda gibi, yarı ömürleri 10-8 ile 10-10 sn arasında değişen (ve genellikle Yunan alfabesindeki harflerle isimlendirilen) hadronlara dair ilk kanıtları ortaya çıkarmıştır. Bunun yanında, parçacık hızlandırıcıları kullanılarak yapılan deneyler, kozmik ışın çarpışmalarının kontrollü koşullarda taklit edilebilmesini mümkün kılmış ve ortaya çıkan parçacıklar hakkında fizikçilerin daha sistematik çalışmalar yapabilmelerine imkan sağlamıştır.
Hadronlara dair bu tip çalışmalar sonucunda ortaya çıkarılan ilk bulgular, bazı hadronların diğerlerinden farklı olduğunu gösteren ve makroskobik dünyada benzeri bulunmayan yeni bir özellikti. Bu özellik, esasen garip gözüken davranışlara neden olduğundan, gariplik (strangeness) olarak adlandırılmaya başlandı ve bu özelliğe sahip parçacıklara da garip parçacıklar adı verildi. Buraya kadar bahsedilen parçacıklardan ne proton ve nötron, ne de pion garipliğe sahiptir. Fakat, kaon ve lambda 1 birimlik garipliğe sahipken, sigma denen bir parçacık 2 birim garipliğe sahiptir.
1960’ların başlarında, Amerikalı Murray Gell-Mann ve İsrailli Yuval Ne’eman, birbirlerinden bağımsız olarak, bilinen hadroları, yüklerine, garipliklerine ve spinlerine (parçacığın içkin açısal momentumu) göre sınıflandırma üzerine çalıştılar. Sonuçta, sekiz parçacıklı (oktet) ve on parçacıklı (dekuplet) kalıpların bulunduğunu fakat bu kalıplar arasında boşluklar olduğunu buldular. Daha sonraları, bu parçacık gruplarının, SU(3) (Üç boyutta özel bileşik grup (special unitary group in three dimension)’un kısaltması) olarak bilinen matematiksel simetri grubu teorisiyle ilişkilendirebilecekleri anlaşıldı.
Sınıflandırmada kullanılan SU(3) şemasındaki boşluklardan biri, negatif yüklü ve üç birimlik tuhaflığa sahip olan yeni bir parçacığa karşılık geldi. Fizikçiler bu parçacığa omega-eksi (omega-minus) adını verdiler. Daha sonraları, 1964 yılında, New York’daki Brookhaven Ulusal Laboratuarı’ndaki bir araştırma grubu, bu teorinin tahminler yürütmek için kullanılabileceğini onayladı; bu aynı zamanda kuark kavramına giden yolu da açmış oldu.
SU(3) matematiği, büyük grupların (oktet ve dekupletlerin), sadece 3 üyeden oluşan basit bir gruptan yapılı olması gerektiğini gösterdi. Dolayısıyla, gözlenen hadron gruplarının, üç parçacıklı gruplardan oluşup oluşmadığı sorusu gündeme geldi. Gell-Mann ve bağımsız olarak bir başka Amerikalı George Zweig, hadronların gerçekten de bu tip temel yapılardan oluştuğunu öne sürdüler. Gell-Mann, James Joyce’un Finnegan'ın Uyanışı (Finnegans Wake) isimli kitabından bir alıntıyla, bunlara kuark adını verdi.
Bununla beraber, gözlenen hadronları gruplandırmak için kuarkların, elektronun sahip olduğu yükün (e) 1/3 ve 1/4'ü kadar kesirli elektrik yüklerine sahip olması zorunluluğu ortaya çıktı.
Ondokuzuncu yüzyılın başlarında Michael Faraday, elektroliz üzerine çalışmalarında, elektrik yükünün daima bir “birim” yükün tam katları şeklinde olması gerektiğini ortaya koymuştu. J.J. Thomson’un, 1897 yılında, tüm maddenlerin bilinen ilk temel parçacığı olan elektronu keşfetmesi, bu yükün, elektronun yükünden başka bir şey olmadığı fikrini uyandırdı. Dolayısıyla ilk başta, kuarkların böyle kesirli yüklere sahip olması yepyeni bir bulgu olarak ortaya çıktı ve bazı fizikçilerin, kuarkların gerçek parçacıklardan ziyade, matematiksel artefaktlar olabileceğini düşünmelerine bile neden oldu.
1964 yılında bilinen tüm hadronları yapabilmek için, üç tane kuark gerekliydi. Biz bunlara, yükleri sırasıyla (2/3)e, -(1/3)e ve -(1/3)e olan, yukarı (up, u), aşağı(down, d) ve tuhaf (strange, s) kuarklar diyoruz. Yukarı ve aşağı kuarkların sıfır tuhaflığı varken, tuhaf kuark –1 tuhaflık değerine sahiptir. Kuarkları bir araya toplayarak, ½ spinli (duu olan proton, ddu olan nötron ve dus olan lambda gibi) veya 3/2 spinli (sss olan omega gibi) hadronları içeren baryonları elde ederiz. Alternatif olarak, bir kuark ve (yük ve tuhaflık bakımından tamamen ters değerlere sahip olan) karşı-kuarkı birleştirerek, mesonlar denen, 0 veya 1 spine sahip hadronları elde edebiliriz. Bunlar, yüklü pionları (u kuark ve d karşı-kuark, veya tersi) ve yüklü kaonları (u kuark ve s karşı-kuark, veya tersi) içerirler.
Kuarklar fikrini, özellikle alışılmışın dışındaki kesirli yükleri nedeniyle olduğu gibi kabul etmek zordu. O zamana kadar hiç kimse, 1/3e veya 1/2e yük taşıyan parçacıklar gözlemlememişti. Ayrıca, madem diğer parçacıkların içinde yer alıyorlardı, o halde neden proton ve nötronun çekirdekten fırlatılmaları gibi, yüksek enerjili çarpışmalarda fırlatılmıyorlardı?
PROTONUN İÇİNDE
Aktif Arı Kovanları
Kuarkların, proton ve nötronların (yani günlük hayatımızda karşılaştığımız maddeleri oluşturan hadronların) içinde bulunduğu fikri, parçacıkların iç yapılarının derinlemesine incelendiği deneysel çalışmalardan ortaya çıkmıştır. Temel prensip, leptonlar denen daha az karmaşıklıkta parçacıklar kullanarak, daha karmaşık olan protonun iç yapısının aydınlatılmasıdır. Bildiğimiz kadarıyla, leptonlar, belli bir yapıları olmadığından ve bir nokta gibi davrandıklarından karmaşık değillerdir. Güçlü kuvvetten etkilenmezler; dolayısıyla, meydana gelebilecek herhangi bir etkileşim, (yüklü parçacıklar arasındaki) elektromanyetik kuvvet ve (belli ışımaetkinlik biçimlerinin temelini oluşturan çekirdek kuvveti olan) zayıf kuvvete bağlı olarak değerlendirilebilir.
Bu deneylerin bir başka önemli özelliği, araştırmada kullanılan leptonların yüksek enerjiye sahip olmalarıdır. Kuantum teorisi bize bu “parçacıkların”aynı zamanda dalga tabiatına da sahip olduklarını söyler. Bir dalga parçacık yapısı söz konusu olduğunda, parçacığın enerjisi ne kadar yüksekse, ilişkili dalga boyu da o kadar kısadır. Dolayısıyla, bir parçacığın enerjisi ne kadar yüksekse, ilişkiye geçebileceği yapılar da o kadar küçük olacak, başka bir deyişle, çekirdek araştırması da o derecede derin olacaktır. İlginç olabilecek kadar büyük enerji düzeylerinde gerçekleşen çarpışmalar, genellikle protonun yeni parçacıklar oluşturmak üzere parçalanmasına neden olurlar. Bu tip çarpışmalar, bilardo toplarının çarpışmasına benzeyen “esnek” çarpışmalardan farklı, “esnek olmayan” çarpışmalardır. Bu iki etki beraber, derin esnek olmayan saçılma adıyla anılan ve leptonların protonun iç yapısını araştırmak üzere kullanıldığı yüksek enerji deneylerinin yapılmasını mümkün kılar.
1960’ların sonunda, California’daki Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi’nde (Stanford Linear Accelerator Center – SLAC) çalışan fizikçiler, protonun yapısını belirlemek üzere, 3 km uzunluğundaki bir araçtan elde ettikleri elektron huzmeleri ile deneyler yaptılar. Bu deneylerde elektron huzmeleri, negatif yüklü elektronların, hidrojende bulunan pozitif yüklü protonlar ile elektromanyetik kuvvet aracılığıyla etkileştiği, sıvı hidrojenden oluşan hedeflere yönlendirildi. Saptayıcılar, saçılan elektronların enerjilerini ve sapma açılarını ölçtüler. Bu ölçümlerin analizi sonucunda, protonun elektron açısından neye benzediği konusunda bir fikir sahibi oldular; bu fikir aynı zamanda, proton içindeki elektrik yüklerinin, yüksek enerjili elektronlarla nasıl etkileştiğini de göstermiş oluyordu.
Elde edilen sonuçlar, elektronların proton boyutundaki yük bulutları içinden geçmekten ziyade, çok küçük, noktamsı yük yoğunlaşmalarına çarptıklarını gösteriyordu. Aslında bu “yığınlar”, elektronları yollarından saptıracak ve elektrondan protona büyük miktarlarda enerji ve momentum aktarımına neden olacak kadar da yoğundular. Bu bulgular, protonun aslında daha küçük bölümler veya (Amerikalı teorisyen Richard Feynmann’ın deyişiyle) “parton”lar içerdiğine dair önemli kanıtlardı. Peki ama, bu partonlar, kuarklar mıydı acaba?
Bu bağlantıyı sağlayabilmek için, partonların yüklerinin bilinmesi gerekiyordu. Elektronlar partonlarla etkileştiklerinde, elektromanyetik kuvvet aracılığıyla saçılırlar. Bununla beraber, nötrinolar yüksüzdür ve sadece zayıf kuvvet yoluyla etkileşebilirler. Dolayısıyla, bu iki tip parçacığın saçılma miktarları karşılaştırıldığında, partonların yükü ortaya çıkarılabilirdi.
Bu konuda ilk sonuçlar, Cenevre’deki Avrupa parçacık fiziği araştırma merkezinde (CERN), Gargamelle denen büyük bir kabarcık odası ile deneyler yapan fizikçilerden geldi. Fizikçiler, Gargamelle’den elde ettikleri nötrino sonuçlarını, SLAC’dan gelen elektron sonuçları ile karşılaştırdıklarında, bu sonuçların, partonların 1/3e ve 2/3e yükler taşıdıklarını çok güzel bir biçimde ortaya koyduğunu gördüler. Artık, alışılmadık kesirli elektrik yüklerine sahip kuarkların, proton ve nötronların bileşenleri oldukları kanıtlanmıştı.
“BÜYÜLÜ” ve “ALT”
Madde ve Karşı-madde
Kuarkları incelemenin bir başka yolu, diğer parçacıklar içinde aramak yerine onları "yapmaktır". Kuarklar, yeni partiküllerin, özellikle kuark-karşı-kuark çiftlerinden oluşmuş mezonların oluşmasıyla sonuçlanan yüksek enerjili çarpışmalarda ortaya çıkarlar. Bununla beraber, kuark oluşturmak için ulanılabilecek özellikle ilginç olan bir başka yol, elektronların, karşı-parçacıkları olan pozitronlarla çarpıştırılmasıdır.
Bir parçacık, kendisiyle aynı kütleye, fakat yükü gibi zıt özelliklere sahip karşı-parçacığına rastladığında, sonuç kendi kendine oluşan bir yıkımdır ve yokoluş (annihilation) olarak adlandırılır. Parçacık ve karşı-parçacığı yok olurken, birleşen kütleleri foton biçiminde enerjiye (veya enerjileri yeterince yüksekse, Z0 denen bir parçacığa) dönüşür. Foton ise, enerji yeni bir parçacık ve karşı-parçacık oluşumuna yol açana kadar, yalnızca kısa bir an için varlığını sürdürür. Oluşan yeni parçacık-karşı-parçacık çifti, yokoluşa uğrayan parçacık çiftiyle aynı olmak zorunda değildir. Eğer yeterli enerji varsa, bir elektron-pozitron çifti, bir muon-karşı-muon çifti, bir tau-karşı-tau çifti veya herhangi uygun bir kuark-karşı-kuark çifti oluşturabilir.
1974 yılında, elektron-pozitron yokoluş deneyleri, yeni, daha ağır, dördüncü bir tip kuark olan ve büyülü (varlığının bulunması bazı teorik problemlerin çözümü için büyü gibi işlev görmüştü) olarak adlandırılan bir kuarkın varlığına dair deliller sağladı. SLAC’da inşa edilmiş olan bir elektron-pozitron çarpıştırma makinasında yapılan deneyler, J/psi olarak adlandırılan yeni bir parçacığın varlığını ortaya koydu. J/psi, bir büyülü kuarkın, anti-kuarkı ile bağlanması sonucu oluşan bir mezondur. Çarpışan elektron ve pozitronun toplam enerjileri, J/psi’nin kütlesini (protonun kütlesinin 3 katı kadar) oluşturmaya yeterli olduğu takdirde, araştırıcılar, detektörlerinden akıp geçen parçacık oranında inanılmaz bir artış gözlediler. Bunlar, kararsız olan J/psi parçacığının bozunma ürünleriydi.
J/psi parçacığı, Brookhaven laboratuarında, yüksek enerjili protonların berilyum bir hedef ile çarpışmaları sonucu oluşan elektron ve pozitron çiftlerinin incelendiği bir başka deneyde de ayrıca keşfedildi. Buradaki durumda, SLAC’da gözlenen sürecin tam tersine araştırıcılar, J/psi parçacığını, kuarkı ve antikuarkının bir elektron-pozitron çifti oluşturacak şekilde yok olması sonucunda gözlediler.
Beşinci ve daha ağır, alt denen bir kuark da, benzer biçimde, 1977 yılında Illinois Fermilab’daki deneylerde ortaya çıktı. Burada araştırıcılar, yüksek enerjili protonların bir hedefle çarpışmaları sonucu ortaya çıkan muon-anti-muon çiftleri üzerine çalışıyorlardı. Bu kez, protondan yaklaşık 10 kat ağır olan yeni bir parçacık hakkında kanıtlar buldular. Bu parçacık, alt kuarkın anti-kuarkı ile bağlanarak oluşturduğu yeni ve ağır bir kuark olarak değerlendirilebilirdi.
Tuhaf kuark gibi, büyülü ve alt kuarkların her ikisi de, oluşmalarına yardım ettikleri parçacıklara verdikleri, kendilerine has bazı özellikleri taşıyor gibi görünmektedirler. Örneğin, bir büyülü kuark ile başka bir tipten anti-kuark içeren “büyülü” mezonlar mevcuttur. Kuarklar, zayıf kuvvet aracılığıyla bir tipten diğerine dönüşebilirler ve en sonunda, alt, büyülü ve garip kuarkların tümü, gündelik hayatta karşılaşılan maddelerde, u ve d kuarklara bozunurlar.
RENKLİ KUARKLAR
Protonun İçindeki Yapıştırıcı
Elektron-pozitron çarpışmaları sonucunda bu şekilde kuarkların ve antikuarkların oluşturulması, kuarkların bir başka özelliğini de ortaya çıkarmıştır.
Elektron-pozitron yokoluşunda bir parçacık-anti-parçacık çifti oluşma olasılığı, parçacığın yükünün karesine bağlıdır. Dolayısıyla, kuark ve antikuarkları içeren parçacıklar olan hadronların üretilebilme olasılığının, muon ve anti-muon çiftlerinin üretilebilme olasılığına oranı, bir muonun, basitçe e olarak gösterilebilen yükünün büyüklüğüne göre, tüm kuark tiplerinin yüklerini yansıtmalıdır.
Buradan yola çıkılarak yapılan deneyler, hadronların, kuark tipleri ve yükleri üzerinden yapılan hesaplamalar sonucu ortaya çıkması beklenen orandan 3 kat daha fazla bir oranda oluştuklarını gösterdi. Bu durum, kuarkları birbirinden ayıran bir başka özelliğin varlığını gösterdi; öyle ki, her kuark tipi, üç ayrı durumda bulunmalıydı. Işığın ana renklerine atfen, bu özelliğe renk adı verildi ve bildiğimiz renklerle herhangi bir ilişkisi olmamasına rağmen, kuarkların bu üç durum değeri, kırmızı, yeşil ve mavi olarak adlandırıldı.
Kuarkların bu özelliğine dair bir başka kanıt da, üç adet tuhaf kuark (sss) içeren omega-eksi parçacığından geldi. Derin elastik olmayan saçılma deneylerinin de gösterdiği gibi, kuarkların ½’lik bir içsel spini vardır. Bununla beraber, omega-eksi parçacığının spini 3/2’dir ki, bu durum, parçacığı oluşturan üç s kuarkın, aynı doğrultuya yönelmiş spinleri olduğu anlamına gelir. Bu bir sorun ortaya çıkarır, çünkü kuantum kuramının bir Pauli’nin Dışlama İlkesi olarak bilinen sonucu uyarınca, spinleri aynı olan parçacıklar,aynı uzay bölgesinde, aynı yöne doğru olan spinlerle beraber bulunamazlar. Bu durum omega-eksi için ancak, kuarkların bir başka özellik açısından farklı olmaları durumunda gerçekleşir ki bu özellik “renk”tir.
Bu renk özelliği sadece kuarklara hastır ve güçlü kuvvetin kökeninde yer aldığı düşünülmektedir. Elektronlar gibi leptonlar, renk özelliğinden yoksundurlar ve güçlü kuvvetten etkilenmezler. Kuarkların oluşturduğu daha karmaşık parçacıklar-baryon ve mezonlar- da renk özelliğinden yoksundurlar. Fakat, bir parçacık içerisinde renkli kuarklarla, diğer parçacıklardaki renk özelliklerinden etkilenmek açısından yeterince yakınlaştıklarında kuvvetli bir biçimde etkileşirler.
Hadronların içerdikleri kuarkların ve antikuarkların renkleri birbirlerini nötralize ederler. Bu nötralizasyon, elektronların negatif yüklerinin atomu oluşturmak üzere protonun pozitif yükleri ile dengelenmesi gibi değil, tamamen bir nötralizasyondur. Proton gibi bir baryon, her biri farklı renkte 3 kuark içerir (kırmızı, yeşil ve mavi). Mezon, uygun anti-renkte (örneğin anti-kırmızı, buna, kırmızının tamamlayıcısı olan siyan mavisi diyebiliriz) bir antikuarkla bağlı halde tek renkte bir kuark içerir (örneğin kırmızı).
Renk, güçlü kuvvetin kuantum torisi olan kurantum kromodinamiğinin anahtar bileşenlerinden biridir. Bu teoride, elektrik yükünün elektromanyetizmanın kaynağı olması gibi, renk yükü de güçlü kuvvetin kaynağıdır. Dahası, renkli kuarklar etkileştiğinde, güçlü kuvveti taşıyan parçacıklar olan gluonları değiş tokuş ederler. Bu, kuantum seviyesinde gücü fotonların taşıdığı elektromanyetizm ile benzerdir. Önemli bir fark, fotonların elektrik yükü taşımamalarına rağmen, gluonların renk bileşenleri taşımaları ve bir kuarktan diğerine geçtiklerinde, kuarkların renklerini değiştirmeleridir. Bu özelliğin, kuarkların aralarındaki mesafenin artmasıyla, güçlü kuvvet etkileşiminin de artması gibi ilginç sonuçları vardır. Yüksek enerji çarpışmaları hiçbir kuarkı parçacıkların dışına çıkaramamıştır. Bunun yerine, bir çarpışma sırasında enerji, kuark-antikuark çiftleri (bşka bir deyişle mezonlar) halinde maddeleşir ve kozmik ışın çarpışmalarında görüldüğü gibi, parçacık püskürmelerine neden olur.
KUARK DENİZİ
İçerideki Kaynayan Dünya
Derin esnek olmayan çarpışma ve elektron-pozitron yokoluş deneyleri sadece protonların içinde gluonların varlığını onaylamakla kalmamış, ayrıca kuantum kromodinamiği kuramının geçerliliğini de ortaya koymuştur. Örneğin, SLAC’da Gargamel ile yapılan ilk deneyler, protonun etrafında hareket eden kuarkın taşıdığı momentumun ölçülmesi üzerineydi. Sonuçlar, kuarkların sadece momentumun yarısını taşıdığını ve protonun içine gömülü başka “parton”lar bulunması gerektiğini gösteriyordu.
Bu diğer partonlar sadece gluonları değil, bir gluondan yine bir gluona dönüşüm sırasında bir an için varolabilen kuark-antikuark çiftlerini de içerir. Dolayısıyla protonlar, gluon ağı içine gömülmüş üç “valans kuarkı”nı ve bir kısa ömürlü (efemeral) kuark-antikuark “denizi” içerir. 1980’lerde, CERN’de yapılan detaylı yüksek enerjili nötrino ışını deneylerinde, fizikçiler antikuarkların bile varlıklarını tespit ederek, protonun içindeki farklı sınıflara ait parçacıkların derin esnek olmayan çarpışmalara katkı yapma yollarını ortaya koyabilmişlerdir.
Güçlü kuvvetin, kuarkların protondan çıkmasını engellediği düşünülse de, deneylerde, tek bir enerjetik kuarkın güçlü kuvvetin etkisinden kurtulmaya çalışırken maddeleşmesi şeklinde meydana gelen parçacık püskürmeleri veya “jetleri” tespit edilmiştir. 1979’da Hamburg’daki Alman Parçacık Fiziği Merkezi DESY’deki fizikçiler, bu jetlerin kuarklar kadar, gluonlara da bağlı olduğunu keşfettiler. Bu deneylerde, bir elektron ve pozitron, biri bir elektronun foton yaydığı gibi gluon yayan bir kuark-anti-kuark çifti oluşturacak şekilde yokolmuştur. Kuark, anti-kuark ve gluonun her biri, karakteristik üçlü jet olayını oluşturan parçacık saçılmaları üretmektedirler.
Protonun içindeki bu kaynayan dünyayı keşfetmek üzere en son deneyler, DESY’de, protonlarla elektronlarla kafa kafaya çarpışmasını sağlayan yeni bir makine olan HERA aracılığıyla gerçekleştirilmiştir. Öncekilerden daha yüksek çarpışma enerjileri sayesinde HERA ile yapılan deneyler, protonun şimdiye kadar olduğundan çok daha derin olarak incelenmesini mümkün kılmıştır. Fermilab’daki fizikçiler ise, altıncı (top) kuarkı keşfedebilmek umuduyla, proton ve anti-protonlar arasındaki çok yüksek enerjili çarpışmaları incelemektedirler. Kuark ve lepton teorilerinin altında yatan simetri ve bunların etkileşimleri, -(1/3)e yüke sahip alt kuarka eşlik eden +(2/3)e yüklü bir ağır kuarkla beraber, altı kuark bulunduğunu düşündürmektedir. Bu kuarkın bulunması, proton ve bir çok egzotik akrabasında bulunan kuarkların tuhaf dünyasına dair incelemelerimizdeki önemli kayıp halkayı bize gösterebilir.
İLERİ OKUMA:
The Hunting of the Quark, M. Riordan (Simon and Schuster, 1987): Kuarkların keşfinin tarihçesi ve özellikle SLAC’daki deneyler hakkında.
The Cosmic Onion, F.E. Close (Heinemann Educational, 1983): Kuarkların temel fikri hakkında iyi bir giriş kitabı.
Spaceship Neutrino, C. Sutton (CUP, 1992): Nötrino deneylerinin proton hakkında nasıl bilgi verdiğini anlatıyor.
The Experimental Foundations of Particle Physics, R.N. Cahn ve G. Golhaber (CUP, 1989): Önemli keşifleri anlatan makalelerin, 30 Mayıs 1992 tarihli New Scientist’de de yayınlanan “Turning the proton inside out”, N. Harnew ve C. Sutton da dahil olmak üzere tıpkıbasımları ve DESY’deki HERA adlı makinede yapılan yeni deneyler bulunmaktadır.
Çeviri: Dr. Sinan CANAN
Christine Sutton (Oxford Üniversitesi Fizik Bölümü)
New Scientist Inside Science, 10 Temmuz 1993
Sponsorlu Bağlantılar
Kuarklar, leptonlardan oldukça farklıdır. Aralarındaki esas farklılık, kuarkların, “güçlü kuvvet" denen bir temel kuvvete bağımlıyken, leptonların bundan etkilenmemeleridir. Güçlü kuvvet, şaşırtıcı derecede karmaşık bir dünyanın parçaları haline gelmek üzere, proton gibi daha karmaşık parçacıkların oluşabilmesi için kuarkları birbirlerine bağlar.
KUARKI BULMAK
“Finnegan’ın Uyanışı”
Kuark fikrinin temeli, protonla ilişkili kısa ömürlü parçacıkların özellikleri üzerine yapılan çalışmalardan doğmuştur. Elementlerin özellikleri üzerine benzer bir çalışma, 1896 yılında Dimitri Mendelev’in periodik cetveli oluşturmasına yol açmıştır. Daha sonra atom çekirdeğinin ve elektronların keşfi, Mendelev’in tablosundaki düzenliliğin, atomların iç yapısını yansıttığını ortaya koymuştur. Şimdi, bir yüzyıl kadar sonra, atom altı parçacıkların arasındaki ilişki kalıplarının, bunların iç yapılarını yansıttığını biliyoruz.
Protonun, atomik çekirdeğin çapı veya daha küçük mesafe aralıklarında etkili iki temel kuvvetten biri olan güçlü kuvvet yoluyla birbirleriyle etkileşebilen bir çok akrabası vardır. Birbirleriyle kuvvetli bir biçimde etkileşen bu parçacıklara toplu olarak hadronlar adı verilir (Yunanca “kuvvetli” anlamında). Oldukça kararlı olan protondan ayrıyken, hadronların tümü kararsızdır. Ayrıştırılmış bir nötron yaklaşık 15 dakika kadar var olabilirken, diğer hadronların oldukça kısa yarı-ömürleri vardır.
Kısa ömürlü hadronlar, sadece laboratuvardaki deneyler sonucu üretilen yapay ürünler değildirler. Bunlar aynı zamanda, atmosferin yüksek tabakalarında, atomlarının çekirdeklerine -uzaydan gelen (genellikle protondan oluşan) yüksek enerjili parçacıklar olan- kozmik ışınların çarpması sonucu, doğal olarak da meydana gelirler. Kozmik ışın çarpışma deneyleri, pion, kaon ve lambda gibi, yarı ömürleri 10-8 ile 10-10 sn arasında değişen (ve genellikle Yunan alfabesindeki harflerle isimlendirilen) hadronlara dair ilk kanıtları ortaya çıkarmıştır. Bunun yanında, parçacık hızlandırıcıları kullanılarak yapılan deneyler, kozmik ışın çarpışmalarının kontrollü koşullarda taklit edilebilmesini mümkün kılmış ve ortaya çıkan parçacıklar hakkında fizikçilerin daha sistematik çalışmalar yapabilmelerine imkan sağlamıştır.
Hadronlara dair bu tip çalışmalar sonucunda ortaya çıkarılan ilk bulgular, bazı hadronların diğerlerinden farklı olduğunu gösteren ve makroskobik dünyada benzeri bulunmayan yeni bir özellikti. Bu özellik, esasen garip gözüken davranışlara neden olduğundan, gariplik (strangeness) olarak adlandırılmaya başlandı ve bu özelliğe sahip parçacıklara da garip parçacıklar adı verildi. Buraya kadar bahsedilen parçacıklardan ne proton ve nötron, ne de pion garipliğe sahiptir. Fakat, kaon ve lambda 1 birimlik garipliğe sahipken, sigma denen bir parçacık 2 birim garipliğe sahiptir.
1960’ların başlarında, Amerikalı Murray Gell-Mann ve İsrailli Yuval Ne’eman, birbirlerinden bağımsız olarak, bilinen hadroları, yüklerine, garipliklerine ve spinlerine (parçacığın içkin açısal momentumu) göre sınıflandırma üzerine çalıştılar. Sonuçta, sekiz parçacıklı (oktet) ve on parçacıklı (dekuplet) kalıpların bulunduğunu fakat bu kalıplar arasında boşluklar olduğunu buldular. Daha sonraları, bu parçacık gruplarının, SU(3) (Üç boyutta özel bileşik grup (special unitary group in three dimension)’un kısaltması) olarak bilinen matematiksel simetri grubu teorisiyle ilişkilendirebilecekleri anlaşıldı.
Sınıflandırmada kullanılan SU(3) şemasındaki boşluklardan biri, negatif yüklü ve üç birimlik tuhaflığa sahip olan yeni bir parçacığa karşılık geldi. Fizikçiler bu parçacığa omega-eksi (omega-minus) adını verdiler. Daha sonraları, 1964 yılında, New York’daki Brookhaven Ulusal Laboratuarı’ndaki bir araştırma grubu, bu teorinin tahminler yürütmek için kullanılabileceğini onayladı; bu aynı zamanda kuark kavramına giden yolu da açmış oldu.
SU(3) matematiği, büyük grupların (oktet ve dekupletlerin), sadece 3 üyeden oluşan basit bir gruptan yapılı olması gerektiğini gösterdi. Dolayısıyla, gözlenen hadron gruplarının, üç parçacıklı gruplardan oluşup oluşmadığı sorusu gündeme geldi. Gell-Mann ve bağımsız olarak bir başka Amerikalı George Zweig, hadronların gerçekten de bu tip temel yapılardan oluştuğunu öne sürdüler. Gell-Mann, James Joyce’un Finnegan'ın Uyanışı (Finnegans Wake) isimli kitabından bir alıntıyla, bunlara kuark adını verdi.
Bununla beraber, gözlenen hadronları gruplandırmak için kuarkların, elektronun sahip olduğu yükün (e) 1/3 ve 1/4'ü kadar kesirli elektrik yüklerine sahip olması zorunluluğu ortaya çıktı.
Ondokuzuncu yüzyılın başlarında Michael Faraday, elektroliz üzerine çalışmalarında, elektrik yükünün daima bir “birim” yükün tam katları şeklinde olması gerektiğini ortaya koymuştu. J.J. Thomson’un, 1897 yılında, tüm maddenlerin bilinen ilk temel parçacığı olan elektronu keşfetmesi, bu yükün, elektronun yükünden başka bir şey olmadığı fikrini uyandırdı. Dolayısıyla ilk başta, kuarkların böyle kesirli yüklere sahip olması yepyeni bir bulgu olarak ortaya çıktı ve bazı fizikçilerin, kuarkların gerçek parçacıklardan ziyade, matematiksel artefaktlar olabileceğini düşünmelerine bile neden oldu.
1964 yılında bilinen tüm hadronları yapabilmek için, üç tane kuark gerekliydi. Biz bunlara, yükleri sırasıyla (2/3)e, -(1/3)e ve -(1/3)e olan, yukarı (up, u), aşağı(down, d) ve tuhaf (strange, s) kuarklar diyoruz. Yukarı ve aşağı kuarkların sıfır tuhaflığı varken, tuhaf kuark –1 tuhaflık değerine sahiptir. Kuarkları bir araya toplayarak, ½ spinli (duu olan proton, ddu olan nötron ve dus olan lambda gibi) veya 3/2 spinli (sss olan omega gibi) hadronları içeren baryonları elde ederiz. Alternatif olarak, bir kuark ve (yük ve tuhaflık bakımından tamamen ters değerlere sahip olan) karşı-kuarkı birleştirerek, mesonlar denen, 0 veya 1 spine sahip hadronları elde edebiliriz. Bunlar, yüklü pionları (u kuark ve d karşı-kuark, veya tersi) ve yüklü kaonları (u kuark ve s karşı-kuark, veya tersi) içerirler.
Kuarklar fikrini, özellikle alışılmışın dışındaki kesirli yükleri nedeniyle olduğu gibi kabul etmek zordu. O zamana kadar hiç kimse, 1/3e veya 1/2e yük taşıyan parçacıklar gözlemlememişti. Ayrıca, madem diğer parçacıkların içinde yer alıyorlardı, o halde neden proton ve nötronun çekirdekten fırlatılmaları gibi, yüksek enerjili çarpışmalarda fırlatılmıyorlardı?
PROTONUN İÇİNDE
Aktif Arı Kovanları
Kuarkların, proton ve nötronların (yani günlük hayatımızda karşılaştığımız maddeleri oluşturan hadronların) içinde bulunduğu fikri, parçacıkların iç yapılarının derinlemesine incelendiği deneysel çalışmalardan ortaya çıkmıştır. Temel prensip, leptonlar denen daha az karmaşıklıkta parçacıklar kullanarak, daha karmaşık olan protonun iç yapısının aydınlatılmasıdır. Bildiğimiz kadarıyla, leptonlar, belli bir yapıları olmadığından ve bir nokta gibi davrandıklarından karmaşık değillerdir. Güçlü kuvvetten etkilenmezler; dolayısıyla, meydana gelebilecek herhangi bir etkileşim, (yüklü parçacıklar arasındaki) elektromanyetik kuvvet ve (belli ışımaetkinlik biçimlerinin temelini oluşturan çekirdek kuvveti olan) zayıf kuvvete bağlı olarak değerlendirilebilir.
Bu deneylerin bir başka önemli özelliği, araştırmada kullanılan leptonların yüksek enerjiye sahip olmalarıdır. Kuantum teorisi bize bu “parçacıkların”aynı zamanda dalga tabiatına da sahip olduklarını söyler. Bir dalga parçacık yapısı söz konusu olduğunda, parçacığın enerjisi ne kadar yüksekse, ilişkili dalga boyu da o kadar kısadır. Dolayısıyla, bir parçacığın enerjisi ne kadar yüksekse, ilişkiye geçebileceği yapılar da o kadar küçük olacak, başka bir deyişle, çekirdek araştırması da o derecede derin olacaktır. İlginç olabilecek kadar büyük enerji düzeylerinde gerçekleşen çarpışmalar, genellikle protonun yeni parçacıklar oluşturmak üzere parçalanmasına neden olurlar. Bu tip çarpışmalar, bilardo toplarının çarpışmasına benzeyen “esnek” çarpışmalardan farklı, “esnek olmayan” çarpışmalardır. Bu iki etki beraber, derin esnek olmayan saçılma adıyla anılan ve leptonların protonun iç yapısını araştırmak üzere kullanıldığı yüksek enerji deneylerinin yapılmasını mümkün kılar.
1960’ların sonunda, California’daki Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi’nde (Stanford Linear Accelerator Center – SLAC) çalışan fizikçiler, protonun yapısını belirlemek üzere, 3 km uzunluğundaki bir araçtan elde ettikleri elektron huzmeleri ile deneyler yaptılar. Bu deneylerde elektron huzmeleri, negatif yüklü elektronların, hidrojende bulunan pozitif yüklü protonlar ile elektromanyetik kuvvet aracılığıyla etkileştiği, sıvı hidrojenden oluşan hedeflere yönlendirildi. Saptayıcılar, saçılan elektronların enerjilerini ve sapma açılarını ölçtüler. Bu ölçümlerin analizi sonucunda, protonun elektron açısından neye benzediği konusunda bir fikir sahibi oldular; bu fikir aynı zamanda, proton içindeki elektrik yüklerinin, yüksek enerjili elektronlarla nasıl etkileştiğini de göstermiş oluyordu.
Elde edilen sonuçlar, elektronların proton boyutundaki yük bulutları içinden geçmekten ziyade, çok küçük, noktamsı yük yoğunlaşmalarına çarptıklarını gösteriyordu. Aslında bu “yığınlar”, elektronları yollarından saptıracak ve elektrondan protona büyük miktarlarda enerji ve momentum aktarımına neden olacak kadar da yoğundular. Bu bulgular, protonun aslında daha küçük bölümler veya (Amerikalı teorisyen Richard Feynmann’ın deyişiyle) “parton”lar içerdiğine dair önemli kanıtlardı. Peki ama, bu partonlar, kuarklar mıydı acaba?
Bu bağlantıyı sağlayabilmek için, partonların yüklerinin bilinmesi gerekiyordu. Elektronlar partonlarla etkileştiklerinde, elektromanyetik kuvvet aracılığıyla saçılırlar. Bununla beraber, nötrinolar yüksüzdür ve sadece zayıf kuvvet yoluyla etkileşebilirler. Dolayısıyla, bu iki tip parçacığın saçılma miktarları karşılaştırıldığında, partonların yükü ortaya çıkarılabilirdi.
Bu konuda ilk sonuçlar, Cenevre’deki Avrupa parçacık fiziği araştırma merkezinde (CERN), Gargamelle denen büyük bir kabarcık odası ile deneyler yapan fizikçilerden geldi. Fizikçiler, Gargamelle’den elde ettikleri nötrino sonuçlarını, SLAC’dan gelen elektron sonuçları ile karşılaştırdıklarında, bu sonuçların, partonların 1/3e ve 2/3e yükler taşıdıklarını çok güzel bir biçimde ortaya koyduğunu gördüler. Artık, alışılmadık kesirli elektrik yüklerine sahip kuarkların, proton ve nötronların bileşenleri oldukları kanıtlanmıştı.
“BÜYÜLÜ” ve “ALT”
Madde ve Karşı-madde
Kuarkları incelemenin bir başka yolu, diğer parçacıklar içinde aramak yerine onları "yapmaktır". Kuarklar, yeni partiküllerin, özellikle kuark-karşı-kuark çiftlerinden oluşmuş mezonların oluşmasıyla sonuçlanan yüksek enerjili çarpışmalarda ortaya çıkarlar. Bununla beraber, kuark oluşturmak için ulanılabilecek özellikle ilginç olan bir başka yol, elektronların, karşı-parçacıkları olan pozitronlarla çarpıştırılmasıdır.
Bir parçacık, kendisiyle aynı kütleye, fakat yükü gibi zıt özelliklere sahip karşı-parçacığına rastladığında, sonuç kendi kendine oluşan bir yıkımdır ve yokoluş (annihilation) olarak adlandırılır. Parçacık ve karşı-parçacığı yok olurken, birleşen kütleleri foton biçiminde enerjiye (veya enerjileri yeterince yüksekse, Z0 denen bir parçacığa) dönüşür. Foton ise, enerji yeni bir parçacık ve karşı-parçacık oluşumuna yol açana kadar, yalnızca kısa bir an için varlığını sürdürür. Oluşan yeni parçacık-karşı-parçacık çifti, yokoluşa uğrayan parçacık çiftiyle aynı olmak zorunda değildir. Eğer yeterli enerji varsa, bir elektron-pozitron çifti, bir muon-karşı-muon çifti, bir tau-karşı-tau çifti veya herhangi uygun bir kuark-karşı-kuark çifti oluşturabilir.
1974 yılında, elektron-pozitron yokoluş deneyleri, yeni, daha ağır, dördüncü bir tip kuark olan ve büyülü (varlığının bulunması bazı teorik problemlerin çözümü için büyü gibi işlev görmüştü) olarak adlandırılan bir kuarkın varlığına dair deliller sağladı. SLAC’da inşa edilmiş olan bir elektron-pozitron çarpıştırma makinasında yapılan deneyler, J/psi olarak adlandırılan yeni bir parçacığın varlığını ortaya koydu. J/psi, bir büyülü kuarkın, anti-kuarkı ile bağlanması sonucu oluşan bir mezondur. Çarpışan elektron ve pozitronun toplam enerjileri, J/psi’nin kütlesini (protonun kütlesinin 3 katı kadar) oluşturmaya yeterli olduğu takdirde, araştırıcılar, detektörlerinden akıp geçen parçacık oranında inanılmaz bir artış gözlediler. Bunlar, kararsız olan J/psi parçacığının bozunma ürünleriydi.
J/psi parçacığı, Brookhaven laboratuarında, yüksek enerjili protonların berilyum bir hedef ile çarpışmaları sonucu oluşan elektron ve pozitron çiftlerinin incelendiği bir başka deneyde de ayrıca keşfedildi. Buradaki durumda, SLAC’da gözlenen sürecin tam tersine araştırıcılar, J/psi parçacığını, kuarkı ve antikuarkının bir elektron-pozitron çifti oluşturacak şekilde yok olması sonucunda gözlediler.
Beşinci ve daha ağır, alt denen bir kuark da, benzer biçimde, 1977 yılında Illinois Fermilab’daki deneylerde ortaya çıktı. Burada araştırıcılar, yüksek enerjili protonların bir hedefle çarpışmaları sonucu ortaya çıkan muon-anti-muon çiftleri üzerine çalışıyorlardı. Bu kez, protondan yaklaşık 10 kat ağır olan yeni bir parçacık hakkında kanıtlar buldular. Bu parçacık, alt kuarkın anti-kuarkı ile bağlanarak oluşturduğu yeni ve ağır bir kuark olarak değerlendirilebilirdi.
Tuhaf kuark gibi, büyülü ve alt kuarkların her ikisi de, oluşmalarına yardım ettikleri parçacıklara verdikleri, kendilerine has bazı özellikleri taşıyor gibi görünmektedirler. Örneğin, bir büyülü kuark ile başka bir tipten anti-kuark içeren “büyülü” mezonlar mevcuttur. Kuarklar, zayıf kuvvet aracılığıyla bir tipten diğerine dönüşebilirler ve en sonunda, alt, büyülü ve garip kuarkların tümü, gündelik hayatta karşılaşılan maddelerde, u ve d kuarklara bozunurlar.
RENKLİ KUARKLAR
Protonun İçindeki Yapıştırıcı
Elektron-pozitron çarpışmaları sonucunda bu şekilde kuarkların ve antikuarkların oluşturulması, kuarkların bir başka özelliğini de ortaya çıkarmıştır.
Elektron-pozitron yokoluşunda bir parçacık-anti-parçacık çifti oluşma olasılığı, parçacığın yükünün karesine bağlıdır. Dolayısıyla, kuark ve antikuarkları içeren parçacıklar olan hadronların üretilebilme olasılığının, muon ve anti-muon çiftlerinin üretilebilme olasılığına oranı, bir muonun, basitçe e olarak gösterilebilen yükünün büyüklüğüne göre, tüm kuark tiplerinin yüklerini yansıtmalıdır.
Buradan yola çıkılarak yapılan deneyler, hadronların, kuark tipleri ve yükleri üzerinden yapılan hesaplamalar sonucu ortaya çıkması beklenen orandan 3 kat daha fazla bir oranda oluştuklarını gösterdi. Bu durum, kuarkları birbirinden ayıran bir başka özelliğin varlığını gösterdi; öyle ki, her kuark tipi, üç ayrı durumda bulunmalıydı. Işığın ana renklerine atfen, bu özelliğe renk adı verildi ve bildiğimiz renklerle herhangi bir ilişkisi olmamasına rağmen, kuarkların bu üç durum değeri, kırmızı, yeşil ve mavi olarak adlandırıldı.
Kuarkların bu özelliğine dair bir başka kanıt da, üç adet tuhaf kuark (sss) içeren omega-eksi parçacığından geldi. Derin elastik olmayan saçılma deneylerinin de gösterdiği gibi, kuarkların ½’lik bir içsel spini vardır. Bununla beraber, omega-eksi parçacığının spini 3/2’dir ki, bu durum, parçacığı oluşturan üç s kuarkın, aynı doğrultuya yönelmiş spinleri olduğu anlamına gelir. Bu bir sorun ortaya çıkarır, çünkü kuantum kuramının bir Pauli’nin Dışlama İlkesi olarak bilinen sonucu uyarınca, spinleri aynı olan parçacıklar,aynı uzay bölgesinde, aynı yöne doğru olan spinlerle beraber bulunamazlar. Bu durum omega-eksi için ancak, kuarkların bir başka özellik açısından farklı olmaları durumunda gerçekleşir ki bu özellik “renk”tir.
Bu renk özelliği sadece kuarklara hastır ve güçlü kuvvetin kökeninde yer aldığı düşünülmektedir. Elektronlar gibi leptonlar, renk özelliğinden yoksundurlar ve güçlü kuvvetten etkilenmezler. Kuarkların oluşturduğu daha karmaşık parçacıklar-baryon ve mezonlar- da renk özelliğinden yoksundurlar. Fakat, bir parçacık içerisinde renkli kuarklarla, diğer parçacıklardaki renk özelliklerinden etkilenmek açısından yeterince yakınlaştıklarında kuvvetli bir biçimde etkileşirler.
Hadronların içerdikleri kuarkların ve antikuarkların renkleri birbirlerini nötralize ederler. Bu nötralizasyon, elektronların negatif yüklerinin atomu oluşturmak üzere protonun pozitif yükleri ile dengelenmesi gibi değil, tamamen bir nötralizasyondur. Proton gibi bir baryon, her biri farklı renkte 3 kuark içerir (kırmızı, yeşil ve mavi). Mezon, uygun anti-renkte (örneğin anti-kırmızı, buna, kırmızının tamamlayıcısı olan siyan mavisi diyebiliriz) bir antikuarkla bağlı halde tek renkte bir kuark içerir (örneğin kırmızı).
Renk, güçlü kuvvetin kuantum torisi olan kurantum kromodinamiğinin anahtar bileşenlerinden biridir. Bu teoride, elektrik yükünün elektromanyetizmanın kaynağı olması gibi, renk yükü de güçlü kuvvetin kaynağıdır. Dahası, renkli kuarklar etkileştiğinde, güçlü kuvveti taşıyan parçacıklar olan gluonları değiş tokuş ederler. Bu, kuantum seviyesinde gücü fotonların taşıdığı elektromanyetizm ile benzerdir. Önemli bir fark, fotonların elektrik yükü taşımamalarına rağmen, gluonların renk bileşenleri taşımaları ve bir kuarktan diğerine geçtiklerinde, kuarkların renklerini değiştirmeleridir. Bu özelliğin, kuarkların aralarındaki mesafenin artmasıyla, güçlü kuvvet etkileşiminin de artması gibi ilginç sonuçları vardır. Yüksek enerji çarpışmaları hiçbir kuarkı parçacıkların dışına çıkaramamıştır. Bunun yerine, bir çarpışma sırasında enerji, kuark-antikuark çiftleri (bşka bir deyişle mezonlar) halinde maddeleşir ve kozmik ışın çarpışmalarında görüldüğü gibi, parçacık püskürmelerine neden olur.
KUARK DENİZİ
İçerideki Kaynayan Dünya
Derin esnek olmayan çarpışma ve elektron-pozitron yokoluş deneyleri sadece protonların içinde gluonların varlığını onaylamakla kalmamış, ayrıca kuantum kromodinamiği kuramının geçerliliğini de ortaya koymuştur. Örneğin, SLAC’da Gargamel ile yapılan ilk deneyler, protonun etrafında hareket eden kuarkın taşıdığı momentumun ölçülmesi üzerineydi. Sonuçlar, kuarkların sadece momentumun yarısını taşıdığını ve protonun içine gömülü başka “parton”lar bulunması gerektiğini gösteriyordu.
Bu diğer partonlar sadece gluonları değil, bir gluondan yine bir gluona dönüşüm sırasında bir an için varolabilen kuark-antikuark çiftlerini de içerir. Dolayısıyla protonlar, gluon ağı içine gömülmüş üç “valans kuarkı”nı ve bir kısa ömürlü (efemeral) kuark-antikuark “denizi” içerir. 1980’lerde, CERN’de yapılan detaylı yüksek enerjili nötrino ışını deneylerinde, fizikçiler antikuarkların bile varlıklarını tespit ederek, protonun içindeki farklı sınıflara ait parçacıkların derin esnek olmayan çarpışmalara katkı yapma yollarını ortaya koyabilmişlerdir.
Güçlü kuvvetin, kuarkların protondan çıkmasını engellediği düşünülse de, deneylerde, tek bir enerjetik kuarkın güçlü kuvvetin etkisinden kurtulmaya çalışırken maddeleşmesi şeklinde meydana gelen parçacık püskürmeleri veya “jetleri” tespit edilmiştir. 1979’da Hamburg’daki Alman Parçacık Fiziği Merkezi DESY’deki fizikçiler, bu jetlerin kuarklar kadar, gluonlara da bağlı olduğunu keşfettiler. Bu deneylerde, bir elektron ve pozitron, biri bir elektronun foton yaydığı gibi gluon yayan bir kuark-anti-kuark çifti oluşturacak şekilde yokolmuştur. Kuark, anti-kuark ve gluonun her biri, karakteristik üçlü jet olayını oluşturan parçacık saçılmaları üretmektedirler.
Protonun içindeki bu kaynayan dünyayı keşfetmek üzere en son deneyler, DESY’de, protonlarla elektronlarla kafa kafaya çarpışmasını sağlayan yeni bir makine olan HERA aracılığıyla gerçekleştirilmiştir. Öncekilerden daha yüksek çarpışma enerjileri sayesinde HERA ile yapılan deneyler, protonun şimdiye kadar olduğundan çok daha derin olarak incelenmesini mümkün kılmıştır. Fermilab’daki fizikçiler ise, altıncı (top) kuarkı keşfedebilmek umuduyla, proton ve anti-protonlar arasındaki çok yüksek enerjili çarpışmaları incelemektedirler. Kuark ve lepton teorilerinin altında yatan simetri ve bunların etkileşimleri, -(1/3)e yüke sahip alt kuarka eşlik eden +(2/3)e yüklü bir ağır kuarkla beraber, altı kuark bulunduğunu düşündürmektedir. Bu kuarkın bulunması, proton ve bir çok egzotik akrabasında bulunan kuarkların tuhaf dünyasına dair incelemelerimizdeki önemli kayıp halkayı bize gösterebilir.
İLERİ OKUMA:
The Hunting of the Quark, M. Riordan (Simon and Schuster, 1987): Kuarkların keşfinin tarihçesi ve özellikle SLAC’daki deneyler hakkında.
The Cosmic Onion, F.E. Close (Heinemann Educational, 1983): Kuarkların temel fikri hakkında iyi bir giriş kitabı.
Spaceship Neutrino, C. Sutton (CUP, 1992): Nötrino deneylerinin proton hakkında nasıl bilgi verdiğini anlatıyor.
The Experimental Foundations of Particle Physics, R.N. Cahn ve G. Golhaber (CUP, 1989): Önemli keşifleri anlatan makalelerin, 30 Mayıs 1992 tarihli New Scientist’de de yayınlanan “Turning the proton inside out”, N. Harnew ve C. Sutton da dahil olmak üzere tıpkıbasımları ve DESY’deki HERA adlı makinede yapılan yeni deneyler bulunmaktadır.
Çeviri: Dr. Sinan CANAN
Christine Sutton (Oxford Üniversitesi Fizik Bölümü)
New Scientist Inside Science, 10 Temmuz 1993
Son düzenleyen Bia; 21 Mayıs 2008 09:48
Sebep: Mesajlar Otomatik Olarak Birleştirildi
