Her şey neden var olmuştur ve nasıl bir arada durmaktadır? Parçacık fiziğinin Standart Modeli, bu soruya bir yanıt bulmayı amaçlar.
Fiziğin Standart Modeli, parçacıkları, alanları ve bunları yöneten temel kuvvetleri açıklayan bir kuramdır. Bu model, temel parçacıkların nasıl aileler hâlinde gruplaştığını ve daha büyük birleşik parçacıkları nasıl oluşturduğunu ortaya koyar.
Ayrıca bir parçacığın diğerleriyle nasıl etkileşime girdiğini ve doğanın temel kuvvetlerine nasıl tepki verdiğini açıklar. Örneğin, Standart Model; bedenimizi oluşturan atomların, protonlar ve nötronlardan meydana geldiğini, bu proton ve nötronların ise kuark adı verilen temel parçacıklardan oluştuğunu belirtir.
Standart Model Temel Parçacıkları Nelerdir?
Çevremizdeki sıradan madde, “temel parçacıklar” adı verilen yapıtaşlarından oluşur. Bu yapıtaşları, iki ana aileye ayrılır: fermiyonlar ve bozonlar.
Fermiyonlar, kendi içinde iki temel sınıfa ayrılır: leptonlar ve kuarklar. Her sınıf, fizikçilerin “kuşak” adını verdiği üçlü eşleşmeler hâlinde gruplanan altı parçacıktan oluşur.
Birinci kuşak leptonlar ve kuarklar, en hafif ve en kararlı parçacıklardır. Evren’de en sık karşılaştığımız yapılar bu parçacıklardan meydana gelir. İkinci ve üçüncü kuşaklar ise giderek daha ağır ve daha az kararlı parçacıklardan oluşur. Kütle arttıkça bu parçacıklar, daha hafif kuzenlerine daha hızlı bir şekilde bozunur.
Parçacık fiziğine kuarklarla başlamak, Standart Model’deki bazı temel özellikleri ve değerleri tanıtmak açısından uygun olur.
Kuarklar
Bu parçacık ailesi, üç nesilden ve altı kuark türünden oluşur. Birinci nesil, yukarı (up) ve aşağı (down) kuarkları içerir. İkinci nesilde tılsım (charm) ve garip (strange) kuarklar yer alır. Üçüncü ve son nesil ise, üst (top) ve alt (bottom) kuarklar olarak bilinen en ağır parçacıklardan oluşur.
Kuarklar; elektromanyetizma, güçlü nükleer kuvvet, zayıf nükleer kuvvet ve kütleçekim ile etkileşir. Ancak kütleleri son derece küçük olduğundan, kütleçekimin etkisi ihmal edilebilecek düzeydedir.
Güçlü nükleer kuvvet, çekirdek parçacıklarındaki kuarkları bir arada tutmakla görevlidir. Zayıf nükleer kuvvet ise, bozunmalar sırasında kuarkların ve leptonların türlerini değiştirmesini sağlar. Kuarklar, güçlü nükleer kuvvet aracılığıyla bir araya gelerek baryon adı verilen bileşik parçacıkları oluştururlar.
Bu duruma örnek olarak, atom çekirdeğinde bulunan proton ve nötrondur. Birer baryon olan bu parçacıklardan proton, iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan; nötron ise iki aşağı kuark ve bir yukarı kuarktan oluşur.
Kuarkların oluşturduğu birçok egzotik birleşim vardır. Mezomlar bir kuark ile bir antikuarktan oluşur. Tetrakuarklar ve pentakuarklar ise sırasıyla dört ve beş kuarktan oluşan yapılardır. Kuarklar asla tek başına gözlemlenmez. Her zaman daha büyük bileşik parçacıkların içinde bulunurlar.
Temel parçacıklar için dikkate alınması gereken bir diğer önemli özellik de spindir. Spin, parçacığın fiziksel olarak dönmesi anlamına gelmez. Bunun yerine bir parçacığın manyetik alan karşısındaki davranışını tanımlar. Kuarklar diğer tüm fermiyonlar gibi spin-½ parçacıklardır. Bu, onların up ya da down spin durumuna sahip olabileceği anlamına gelir.
Leptonlar
Leptonlar da kuarklar gibi spin-½ parçacıklardır ve üç kuşak boyunca altı farklı tipe ayrılır. Kuarklardan farklı olarak leptonlar doğada tek başına bulunur. En tanınmış lepton birinci kuşakta yer alan elektrondur ve –e yükü taşır. Leptonlar iki gruptur.
- Yüklü leptonlar: elektron, müon, tau.
- Yüksüz leptonlar: nötrinolar.
Yüklü leptonlar ağırdır. Nötrinolar ise neredeyse kütlesizdir. Bu aşırı küçük kütle Standart Model’in açıklayamadığı noktalardan biridir ve nötrinoları modern fiziğin en gizemli parçacıklarından biri yapar.
Leptonların bir başka özellikleri ise Pauli dışlama ilkesine uymalarıdır. Pauli dışlama ilkesine göre iki parçacık aynı kuantum sayılarını paylaşamaz. Çünkü dışlama ilkesi elektronları atom çekirdeğinin etrafında giderek daha enerjili kabuklarda bulunmaya zorlar. Bir atomun dış kabuğundaki değerlik elektronlarının sayısı, elementin sahip olacağı kimyasal özellikleri belirler. Bu ilke sonucunda evrende çok çeşitli kimyasal elementler oluşmuştur.
Kuvvet Taşıyıcıları ve Bozonlar
Evren’de bildiğimiz dört temel kuvvet vardır: güçlü kuvvet, zayıf kuvvet, elektromanyetik kuvvet ve kütleçekim. Bu kuvvetlerin her biri farklı uzaklıklarda ve farklı güçlerde etki eder.
Dört temel kuvvetten üçü (elektromanyetizma, güçlü ve zayıf kuvvetler) bozon adı verilen taşıyıcı parçacıklar tarafından iletilmektedir. Parçacıklar bu kuvvetleri birbirlerine bu bozonları alışveriş yaparak aktarır.
Elektromanyetik kuvveti taşıyan en tanıdık parçacık fotondur. Güçlü kuvvet yani kuarkları proton ve nötron içinde bir arada tutan bağ, gluonlarla iletilir. Zayıf kuvvet ise W ve Z bozonlarıyla taşınır.
Fizikçiler kütleçekimin de bir bozonla iletildiğini düşünür ve bu varsayımsal parçacığa graviton adını verir. Ancak şu ana kadar gravitonun varlığına dair hiçbir deneysel kanıt elde edilmemiştir. Bu nedenle henüz parçacık kataloğumuzda yer almaz.
Kütleçekim Standart Model’e sığmayan tek unsur değildir. Standart Model atomaltı parçacıkları başarılı biçimde açıklasa da karanlık maddeyi açıklayamaz. Model, Evren’de neden maddenin antimaddeden baskın olduğunu da açıklayamaz.
Parçacık oluşum süreçleri madde ve antimaddeyi eşit miktarda üretir. Eğer Evren böyle başlamış olsaydı, madde ve antimadde çok erken dönemde tamamen yok olurdu ve büyük ölçekli yapıların oluşması mümkün olmazdı. Bu durum, Evren’in başlangıcında madde lehine bir dengesizlik yaratan Standart Model dışı bir mekanizma olması gerektiğini gösterir.
Standart Model’e Yapılan Son Dokunuş: Higgs Bozonu
2013 Nobel Fizik Ödülü aslında Higgs bozonunun keşfine verildi. Peter Higgs ve François Englert, atom altı parçacıklara kütlelerini veren mekanizmayı önerdikleri için ödülü paylaştılar. Parçacık fiziği uzmanları için bu, onlarca yıl süren ve son derece zorlu bir yolculuğun sonuydu ve alanın tarihindeki tartışmasız en önemli sonuçtu. Ancak bu son aynı zamanda deneysel fizikte yeni bir çağın başlangıcına da işaret ediyordu.
Standart Model’in tamamlandığını simgeleyen parçacık olarak öne çıkan Higgs bozonu da model için bir sorun kaynağıdır. Bu parçacığın Higgs alanından doğduğu ve çoğu parçacığa kütle kazandırdığı düşünülür. Ancak Higgs bozonunun varlığını yalnızca Standart Model öngörmez.
Bu modelin sunduğu Higgs en basit versiyondur. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki CMS dedektörünün ölçtüğü Higgs bozonu Standart Model’in tanımına büyük ölçüde uysa da, tüm özellikleri bakımından tam bir eşleşme değildir.
Bu da şunu gösterir: LHC’de daha fazla Higgs bozonu ürettikçe ve bu parçacık hakkında daha çok şey öğrendikçe, onun başka bir kurama Standart Model’den daha iyi uyduğunu keşfetme ihtimali sürmektedir.
Kaynaklar ve İleri Okumalar
- What is the Standard Model of Particle Physics? ; Bağlantı: What is the Standard Model of Particle Physics? (zmescience.com) ; Yayınlanma tarihi: 14 Mayıs 2021
- The Most Successful Scientific Theory Ever: The Standard Model ; Bağlantı: https://youtu.be/Unl1jXFnzgo
Matematiksel
