Spinler
Küçük parçacıkların en önemli özelliklerinden biri, kutuplanabilmeleri, yani bir eksen etrafında dönebilmeleridir. Bu ne demek? Dünyanın kendi ekseni etrafında dönmesi gibi. Ancak küçük parçacıkların ne Dünya,ne de tenis toplarına benzer hiçbir yanı yok. Spin, kabaca kütle,yarıçap ve hızın çarpımına eşit olan açısal momentumdur ve değeri, Planck sabiti bölü 2π’nin bazı katları olarak ölçülebilir. Kuantum mekaniğine göre herhangibir cismin spini,yukarıdaki birimin tam sayı ya da tam sayı artı yarım katı olması gerekir. Her bir parçacığın toplam spini sabittir; ancak spinin yönü sabit değildir. Örneğin elektron spini 1/2’dir. Böyle olduğunu Hollandalı iki doktora öğrencisi Samuel Goudsmit (1902-1978) ve George Uhlenbeck (1900- 1988) gösterdi ve 1927 yılında tezlerin bu konu üzerine hazırladılar. Elektron kadar küçük parçacıkların spinleri olduğunu söylemek çok yüreklice bir fikirdi. Önceleri bu fikir kuşkuyla karşılandı. Çünkü “elektronun yüzeyinin” ışık hızının 137 katı bir hızla hareket etmesi gerekiyordu. Bugünlerde böylesi itirazlar tümüyle unutulmuş durumda. Çünkü elektronun “yüzeyi” diye bir şey söz konusu değil.
Kütlesiz oldukları için fotonların ve nötrinoların dönme eksenleri, hareketlerinin doğrultusuna paraleldir. Diğer parçacıklar, herhangibir yönde dönebilir. Spini sıradan sözcüklerle anlatmak çok zor. Yukarıda sözünü ettiğim özel durum hariç, kuantum mekaniğine göre dönme ekseninin yönünü tam olarak belirlemek olanaksızdır. Çok büyük ve hızlı dönen cisimlerin dönme yönlerini daha kesin bir biçimde belirlemek mümkündür.
Spinleri tam sayılı olan parçacıklara bozon, kesirli sayıda spinli olanlara ise fermiyon denir. Lepton ve baryon denen parçacıkların fermiyon, foton ve mezonlar da bozondur. Fermiyonlar,birçok bakımdan bozonlardan farklıdır. Kendi küçük uzaylarında bulunmayı ister. Aynı türden iki fermiyon, aynı noktada bulunamaz; öyle hareket denklemleriylebelirlenirler ki daima birbiriyle aynı noktaya gelmeyecek şekilde hareket eder. Fermiyonların her birinin değişik bir durumda bulunma özelliğine “Pauli Dışarlama İlkesi” denir. Fermiyonlar arasında itici ya da çekici kuvvetler olabilir. Elektronlar,fermiyondur.
Bozonlar, fermiyonların aksine, ortak hareket ederler ve aynı yerde bulunabilirler. Örneğin bir lazer aynı dalga boyuna sahip ve aynı doğrultuda hareket eden fotonlardan oluşmuş bir ışık demetidir. Çünkü fotonlar,bozondur. Spinleri tam sayı olan parçacıkların ortak özelliklerine yine değineceğiz.
Temel parçacıklar ailesinin uymak zorunda olduğu oyunun başka bir kuralı şudur: her parçacığın antiparçacığı vardır.
Tıpkı bitkiler ve hayvanlar gibi,gözlenen parçacıklar da cinslere ve alilelere ayrılır. Fotondan başka leptonlar va hadronlar da var. Hadronlar ayrıca mezonlar ve baryonlar olarak ikiye ayrılır. Bu sınıflandırma parçacıklar arasındaki çeşitli kuvvetlerden kaynaklanmaktadır. Karşılacağımız üç kuvvet sıra ile “güçlü kuvvet”,”elektromanyetik kuvvet” ve “zayıf kuvvet”tir. Şunu da eklemiş olayım ki “kuvvet” dediğimiz zaman bunun parçacıkların hareketlerine etki eden bir şey olması gerektiğini kastetmiyoruz. Birbirilerinin kimliklerini değiştirmek de dahil,ne şekilde olursa olsun parçacıklar birbirlerini etkilediklerinde bir “kuvvet” söz konusudur. Parçacıklar birbirlerini uzaktan etkileyebilir;bir ara-parçacık değiş tokuşuyla bu olay meydana gelir. Bu ara –parçacıklara kuvvetin “taşıyıcısı” denir. Bu noktada söylediklerimin biraz garip gelebileceğini kabul etmeliyim. Bu konu matematiksel bir dille çok daha iyi ifade edilebilirdi. Sık sık yakınmamı hoşgörün. Şu anda anlattığım şeyler, matematiksel denklemlerin sonuçlarıdır. Birlikte ele alındığında denklemler gerçekte benim anlatımımdan çok daha fazla anlam ifade eder.
Şimdi yeniden parçacıklar bahçesine dönelim: Leptonlar (Yunanca, hafif,zayıf,çelimsiz) güçlü kuvvetten etkilenmeyen parçacıklardır. Zayıf kuvveti hissederler ve elektrik yüklü olanlar aynı zamanda elektromanyetik kuvvetin etkisi altında kalırlar. Diğer parçacıkların çoğundan daha hafiftirler.(ancak daha sonra bu ailenin ağır bir üyesi bulunmuştur. Bildiğimiz kadarıyla leptonların spinleri 1/2’dir. Bu şu demektir: Leptonlar bir eksen etrafında çok yavaş hızlarla döner. En iyi bildiğimiz lepton,elektrondur. Bunlar en hafif elektrik yüklü parçacıklar oldukları için tüm ağır ve pozitif elektrik yüklü atom çekirdekleri yeteri sayıda elektronu,neredeyse otomatik olarak toplar ve kendi elektrik yüklerini nötrleştirirler. Bu yüzden normal maddede çok sayıda elektron vardır. Örneğin bir ****l,elektrik akımını iletme özelliğini çok sayıdaki elektronun serbestçe dolaşma özelliğine borçludur.
Nötrinolar da leptondur. Diğer parçacıklarla sadece zayıf kuvvet aracılığıyla etkileştikleri için onları yakalamak oldukça zordur. Bir nötrino binlerce yıldız ve gezgen içerisinden hiç yavaşlamadan ve yönünü değiştermeden geçip gidebilir.
Güçlü Cüceler:Hadronlar
Hadronlar(Yunaca güçlü, kuvvetli) güçlü kuvveti hissederler. Bu yüzden yakınlarındaki bir hadrona karşı duyarlıdırlar. Denebilir ki hadronlar,leptonlardan çok “büyüktür”. Aralarındaki uzaklık bir fermiden (10-13 cm) daha küçük olan iki hadron birbirinin hareketini etkiler;yani etkileşirler. Bu söylenenler leptonlar için hiç de doğru değil. 1970’e gelindiğinde hadronların iç yapılarının oldukça karmaşık olduğu yeterince açıktı. Oysa leptonlar, “noktasal parçacık” olarak algılanıyordu. Bir hadron bir bakıma bazı gizemli maddelerden yapılmış bir top gibidir.
Hadronların mezonlar ve baryonlar (Yunanca ağır) olarak alt kısımlara ayrılması başlangıçta bunlar arasındaki kütle farkına dayanıyordu: Mezonların kütleleri genellikle leptonlarla baryonların kütleleri arasında bulunmaktadır. Kütle tek başına bu parçacıkların doğası hakkında her şeyi belirtmez;spine de bakmak gerekir. Spin tam sayı ise parçacık bir mezondur; spin tam sayı artı yarım ise bu takdirde bir baryonumuz( ya da bir karşıbaryon) var demektir. Bununla birlikte,daha da önemlisi,temel parçacıklar arasındaki tüm olaylarda baryon sayısı eksi karşıbaryon sayısı daima sabit kalır. Bir şekilde “ baryon sayısının” korunmuş olduğunu söyleriz
Hadronlar birbirleriyle çarpıştıkları zaman başka cins “yüklerin” de sabit kalacağı düşünülebilir. Bu durumda bir “korunum yasasından” söz ederiz. Bu tür yüklerden birisi,”acayiplik” yüküdür. Çoğu parçacığın sabit bir acayiplik yükü vardır. A ve B parçacıkları çarpıştıktan sonra ortaya C ve D parçacıkları çıkmışsa,böyle bir çarpışma olayı yalnızca,A ve B’nin acayiplik yüklerinin toplamının,C ve D’nin acayiplik yüklerinin toplamına eşit olduğu zaman gözlenir. Aynı şekilde A ve B’nin toplam enerjisi C ve D’nin toplam enerjisine eşittir ve her parçacığın momentumu (kütlexhız) da birbirine eşittir. Enerjinin korunumu,momentumun korunumu ve acayipliğin korunumu gibi korunum yasaları parçacık fiziğinde hayati bir rol oynar.
“Acayiplik” terimi tam yerinde bir sözcük: proton,nötron ve pion gibi “sıradan” parçacıkların acayiplikleri sıfırdır. Kaon ve lambda gibi parçacıklara birer sayı verilebileceğini ve bunların toplamının parçacıklar çarpıştıklarında korunacağını Gell-Mann keşfetti ve bu sayılar için “acayiplik” sözcüğünü önerdi. I3 sembolü ile gösterdiğimiz “izospin” denilen bir büyüklük daha var. “İzospin terimi garip gelebilir;aslında bu terim dönme hareketinin ya da “spinin” korunumunu hatırlatan korunum yasasının matematiksel yapısından kaynaklanmaktadır. İzospine göre proton ve nötron “nükleon” adı verilen tek bir parçacık gibi ele alınır. Ancak proton ve nötron “izospin uzayı” denilen bir “iç” uzayda zıt yönlerde dönmektedir. Size bunlar gizemli gelebilir,ancak bu benzetme bir matematikçiye bu parçacıkların simetrileri hakkında yeni anlayışlar kazandırır. Nükleonu izospin uzayında değişik eksenler etrafında döndürebilir ve buradan başka ilk korunum yasası, elde edebilirsiniz. Acayiplik ve izospin sayıları, her zaman aynı kalmaz. Çünkü çoğu bozunma olayından zayıf kuvvet sorumludur ve zayıf kuvvet bu korunum yasalarına uymaz. Elektromanyetik kuvvet de izospini korumaz
Kaynak:Maddenin Son Yapıtaşları(1996)TÜBİTAK
