ATOM ve ATOM ALTI PARÇACIKLAR – 3

ATOM ve ATOM ALTI PARÇACIKLAR – 3

4 Kasım 2018 0 Yazar: Tuğba YELİZ

Daha önceki iki bölümde, atomun genel yapısına biraz değinmiş, elektron, proton, nötron ve kuarklar hakkında kısa bilgiler vermiştik. Önce bunlara göz gezdirmek isteyenler için şu linkleri buraya bırakalım:
1. bölüm
2. bölüm

Bu bölümde de ilk önce nötrinoları ele alacağız.

 

NÖTRİNOLAR

 

Öncelikle belirtmeliyiz ki, isim olarak benzeseler de, nötrinolarla nötronlar birbirlerinden farklı parçacıklar. Teorik olarak Pauli tarafından öngörüldüklerinde bunlara nötron adı verilmişti. Ancak Chadwick, daha büyük kütleli bir parçacık keşfedip buna nötron adını verince, Fermi bu karışıklığa, küçük olanı nötrino olarak adlandırmak suretiyle son vermiştir.

 

Nötrinolar, elektriksel yük olarak nötr, yani yüksüz parçacıklardır. Elektromanyetik kuvvetten etkilenmeyen bu parçacıkların etkilendiği bilinen tek kuvvet, zayıf atom altı kuvvettir. Bu kuvvetin menzilinin oldukça kısa olduğunu biliyoruz. Bu sebeplerden dolayı nötrinolar, maddelerle pek fazla etkileşime girmeden uzayda
çok uzun mesafeler boyunca seyahat edebilirler ve tespit edilmeleri -imkansız olmasa da- çok güçtür.

 

Nereden Geliyorlar?

 

Nötrinolar, bazı kimyasal bozunmalar sonucunda, yıldızlarda, atmosferde, reaktörlerde, süpernova patlamaları gibi yüksek enerjili olaylarda ortaya çıkarlar. Beta bozunmaları gibi tepkimelerde oluştuklarından, laboratuvar deneylerinde de ortaya çıkabilirler.

 

Aklınıza “Maddeyle etkileşmiyorsa nasıl tespit ediliyor?” gibi bir soru gelebilir. Bu parçacıkların maddeyle etkileşimi tamamen sıfır düzeyinde değildir. Zaten öyle olsaydı deneysel olarak kanıtlanamazlardı.

 

Güneş’ten, Yer’e dik doğrultuda ve santimetrekare başına, saniyede yaklaşık 65 milyar nötrino gelir. Bu parçacıklar maddeyle kolay kolay etkileşime girmediklerinden, vücudumuzun içerisinden bile geçip
giderler.

 

Güneş ve diğer yıldızlar, nötrino üretiminde en iyi bildiğimiz kaynaklar. Hatta yapılan hesaplar, Güneş’ten salınan enerjinin %2’sinin, ortamdan hızla kaçan nötrinolar tarafından ortamdan uzaklaştırıldığını gösteriyor. Normal yıldızlar dışında, yaşamı sonlanan yıldızların da yoğun birer nötrino kaynağı olduğu biliniyor. Özellikle SN 1987A adlı süpernovanın gözlemi, bu konuda yapılan ilk başarılı çalışmalardan biri ve bundan Yer’e ulaşan nötrinolar 1987 yılında tespit edildi.

 

Kütle

 

Standart Model’e göre, uzun yıllar boyunca nötrinoların kütlesiz olduğu düşünülmüştü. Ancak Japonya’daki Super-Kamiokande nötrino dedektörü ile yapılan deneyler, nötrino kütlesinin sıfır olmadığını gösterdi. Bu birçok insan için pek önemli bir haber olmasa da, fizik ve astronomi dünyası için oldukça değerli bir bilgi.

 

Bir nötrino dedektörü

 

Bir nötrinonun kütleye sahip olması, Güneş’ten yeryüzüne ulaşan nötrino akısının neden öngörülenden daha düşük olduğu sorusunu cevaplayabilir ve Büyük Patlama’dan sonra evrende var olması gerektiği düşünülen karanlık maddeye kanıt olarak en büyük aday nötrinolar olabilir. Galaksi kümelerinin umulandan daha az sayıda gözlenmesinin nedenini de yine nötrinolar açıklayabilir. Özetle; nötrinoların kütleli olması, şu ana dek yanıtlanamamış bazı sorulara yanıt verilmesini sağlamak yolunda önemli bir buluş.

 

Ancak tıpkı kuarklarda olduğu gibi, nötrinoların kütlesi konusunda da bazı belirsizlikler var. Şu ana dek 3 ayrı kütle ölçülmüş durumda, ancak bunlardan hiçbiri, aşağıda değineceğimiz nötrino türlerinden herhangi birine karşılık gelmiyor. Bunun değişik bir açıklaması var: Başlangıçta belirli bir türde oluşan bir nötrino, bu 3 kütlenin özdeğerlerinin bir kuantum süperpozisyonudur.

 

Hemen bir parantez açalım. Kuantum fiziğinde süperpozisyon ilkesi, en basit tanımıyla, bir parçacık için birden fazla durumun aynı anda geçerli olmasını ifade eder. Durumların (ya da daha doğru bir söylemle dalgaların) bir anlamda, “üst üste binmesi”dir. Meşhur “Schrödinger’in Kedisi” olayı, bununla ilgili bir düşünce deneyidir.

 

https://www.s-cool.co.uk/gifs/a-phy-osdiff-dia9c.gif

 

Kedi, bir kutu içerisinde, radyoaktif bir düzenekle beraber kapalı tutulur. Eğer içerisinde radyoaktif element bulunan şişe kırılırsa ve yayılan parçacıklar kutuda bulunan dedektöre çarparsa, yine kutuda bulunan ve zehir salgılayan bir mekanizma devreye girecek ve kediyi öldürecek, aksi durumda kedi hayatta kalacaktır. Kutunun kapağını açıp da içerisine bakmadığımız sürece, kedinin canlı ya da ölü olması durumu hakkında bir bilgimiz olmaz. Yani burada kedi için iki durum süperpozisyon ilkesince üst üste binmiştir ve aynı anda geçerlidir. Buna göre “kedi hem ölü, hem diriyken” kapağı açıp içeriye baktığımızda, gerçek durumu gözlemiş oluruz. Bu kez “kedi ya ölü ya da diridir.” Aynı anda ikisi birlikte gerçekleşemez. Gözlemci kediye baktığı anda süperpozisyonu çökertmiş ve gerçekliği tek bir duruma indirgemiş olur.

 

 

http://astronimate.com/wp-content/uploads/2017/03/schrodingers-cat-explained-setup.jpg?x70168

 

Aynı deney farklı kaynaklarda, bir fotonun kediye doğrultulmuş bir silahı ateşlemesi şeklinde de anlatılır. Ancak temel fikir aynıdır.

Kütlenin süperpozisyon durumunda bulunması halinin ne anlama geldiğini, nötrinoların çeşitlerini de gördükten sonra anlatalım.

 

Nötrino Çeşnisi

 

Nötrinoların 3 çeşidini biliyoruz: Elektron nötrinosu, müon nötrinosu ve tau nötrinosu. Bunların karşıt parçacıkları da mevcut: Anti nötrinolar. Burada kafanız karışmasın. Normalde anti parçacıklar, parçacığın kendisiyle aynı kütleye, ama ters işaretli yüke sahiptir. Nötrinolar yüksüzdür, ama tıpkı elektrik yükü gibi korumalı bir özellik olan “lepton numarası” nedeniyle çiftler halinde oluşurlar.

Bunlardan başka, keşfedilmeyi bekleyen nötrino türleri var mı? “Eğer tahmin bile edemeyeceğimiz kadar farklı özelliklere sahip olan çeşitleri yoksa, hayır” diyor bilim insanları. Yani kesin bir dille “kesinlikle yoktur” deme şansımız yok, ama büyük ihtimalle yok diyebiliyoruz.

 

Kütle konusuna dönelim. Kütlenin süperpozisyon durumunda bulunması biraz kafa karıştırıcı olabilir. Çok koyu fiziksel açıklamalarla ve formüllerle boğuşmadan şunu söylemek yeterli olacaktır: Nötrinolar bir kaynaktan belirli bir tür olarak çıkıp uzayda seyahat ettikten sonra, farklı tür bir nötrinoya dönüşmüş halde tespit edilebilirler. Örneğin bir kaynaktan elektron nötrinosu olarak üretilip çıkan bir nötrino, seyahati boyunca müon veya tau nötrinosuna dönüşebilir. Buna “nötrino salınımı” denir. Elektron nötrinosu olarak üretilen bu parçacık, yolculuğu sırasında elektron, müon ve tau nötrinolarının bir karışımıdır aslında. Tıpkı kedinin hem ölü, hem diri oluşu gibi…

 

Nötrino salınımları, nötrinoların kütleli olmasını gerektirir ve bu keşif 2015 yılında Takaaki Kajita ve Arthur McDonald adlı bilim insanlarına Nobel ödülünü getiren keşif olmuştur. Aslında kütle sahibi olmaları nedeniyle çok zayıf bir manyetik momente de sahip oldukları ve elektromanyetik etkileşimlerde de bulundukları öngörülmekle beraber, bu duruma gözlemsel bir kanıt bulunamamıştır.

Nötrinolar 1/2 şeklinde yarım sayı spinlerine sahip olduklarından fermiyon sayılırlar. Sınıflandırmayı da birazdan göreceğiz.

 

Nötrino Dedektörleri

 

Nötrinolar çok ender olarak maddeyle etkileşime girdikleri için, genellikle nötrino dedektörleri oldukça büyüktür. Alanı genişletmek, etkileşime girecek bir nötrino bulma ihtimalini yükseltir.

Aşağıda Japonya’daki Super-Kamiokande nötrino dedektörünü görüyorsunuz. Sağdaki botun içerisinde, çalışan teknisyenler de görülüyor.

 

https://www.symmetrymagazine.org/sites/default/files/styles/2015_hero/public/images/standard/Super-K-s.jpg?itok=2aQOaSpR

 

Yaklaşık 41 metre boyu ve 39 metre çapıyla oldukça büyük olan bu dedektör, bir de yaklaşık 34 metre çaplı ve 36 metre boyunda bir iç dedektöre daha sahip. Dış tank 50000 tonluk, (yarı-iletken
teknolojilerinde ve ilaç sektöründe kullanılan) “aşırı saf su” ile dolu. İç dedektörün dış kısmında ise binlerce “fotokatlandırıcı” var

.

Yine bir parantez açalım ve fotokatlandırıcıyı kısaca anlatalım. Bu aletler, fotoelektrik etki sonucu ortaya çıkan fotoelektronların sayıca artırılması için kullanılır. Elektronları, bulundukları metal yüzeyden kopartabilecek enerjiye sahip fotonlar, bu elektronları kopardıktan sonra, fotokatlandırıcı içindeki “dinot” adlı yapılar devreye girer. Fotonun enerjisini taşıyan bu ilk fotoelektronlar dinotlara çarparak daha fazla fotoelektronun kopmasına neden olurlar ve böylece tüp içindeki akım katlanarak artar.

 

https://micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/images/photomultiplier.jpg

 

Etkileşime elektronlar ya da sudaki atomlarla giren nötrinolar, suda ışıktan hızlı hareket eden parçacıklar oluştururlar.

 

Bir parantez daha açalım. Normalde ışığın hızı boşlukta geçilemez. Ancak su gibi ortamlarda bazı parçacıklar fotonlardan hızlı hareket edebilir ve bunun sonunda oluşan ışınıma “Cherenkov Işınımı” adı verilir. Aslında olay ışık hızının geçilmesinden ziyade, fotonların yavaş hareketinden kaynaklıdır. Nükleer reaktörlerde ya da bazen atmosferik duşlarda gerçekleşen bu olay, ses hızının aşılmasının optikteki karşılığı gibidir ve sonik patlamalar yerine bir ışıma oluşturur.

Karakteristik mavi ışığıyla Cherenkov Işınımı reaktörlerde aşağıdaki şekilde görülür:

 

https://i1.wp.com/www.technobyte.org/wp-content/uploads/2016/11/Cherenkov-radiation-gif.gif

 

Halka şeklinde gerçekleşen ışımanın bazı özellikleri, fotokatlandırıcılar tarafından kaydedilir ve nötrinonun geliş yönü, türü gibi özellikler halkanın yapısından belirlenir. Halkaların puslu ya da keskin kenarlara sahip olması, onun hangi parçacık nedeniyle oluştuğuna dair ipucudur. Puslu kenarlı halkalara sebep olan parçacık elektronlarken, müonlar keskin kenarlı halkalar oluşturdukları için kendilerini rahatlıkla ele verirler. Aşağıda tipik bir nötrino gözlem aşamasından bir kare var:

 

http://www.thelivingmoon.com/45jack_files/04images/Cherenkov/Super_Kamiokande_Neutrino_Event.png

 

Nötrino dedektörleri genellikle yer altına, buz ya da su altına yapılır. Su yerine galyum elementi gibi farklı maddelerle çalışan dedektörler de vardır. Farklı bölgelere kurulan dedektörlerin çalışma prensipleri de birbirinden farklı olabilir.

Aşağıda, Güney Kutbu’ndaki IceCube Gözlemevi’nin, bir sanatçı tarafından gerçeğe uygun şekilde yapılmış bir resmi var. Sanatçı buzun altındaki sensörleri de dedektörle birlikte göstermiş resminde:

 

https://icecube.wisc.edu/gallery/press/view/2239

 

Nötrino dedektörleri ile ilgili daha fazla bilgiyi, videoyu ve fotoğrafı, dedektörlerin kendi resmi sitelerinden alabilirsiniz.

 

Nötrino dedektörleri büyük boyutlarda olur dedik. Ancak son zamanlarda nükleer reaktörlerde nötrino akışını incelemek için taşınabilir nötrino dedektörleri de piyasaya çıkmaya başladı. Resimde görülen gibi:

 

https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2017/08/PW-2017-08-16-Neutrino.jpg

 

 

Güneş’in Nötrino Akısı Uyumsuzluk Problemi ve Çözüm

 

Bu problem, eldeki standart Güneş modeli için öngörülen nötrino miktarı ile, gözlenen miktar arasındaki uyumsuzluktan gelir. Deneyler, ölçülen miktarın, öngörülen miktarın üçte biri ile yarısı arasında bir miktara karşılık geldiğini gösterdi. Buna göre Güneş’in çekirdek sıcaklığı, modeldekine göre daha düşük olmalıydı. Ancak farklı çalışmalar bunun doğru olamayacağını gösterdiğinden yeni bir çözüm arayışına gidildi. Bu durumun çözümü, nötrinoların kütleye sahip olduğu ve tür değiştirdikleri anlaşıldığında kendiliğinden gelmiş oldu.

Süper-Kamiokande Gözlemevi’nden alınan veriler, müon nötrinolarının düzenli olarak tau nötrinosuna dönüştüğünü gösterdi. Daha sonra Sudbury Nötrino Gözlemevi’nden elde edilen sonuçlar ise, Güneş’ten gelen nötrinoların sadece %35’inin elektron nötrinosu olduğunu, geri kalan miktarın ise diğer türlere ait olduğunu gösterdi. Toplam sayının, öngörülen miktarla aynı olduğu görüldü ve eldeki Güneş modelinin
doğruluğu bir kez daha kanıtlanmış oldu. Hata, parçacık fiziğinin Standart Model’indeki “nötrinolar kütlesizdir” düşüncesinden kaynaklanmaktaydı.

 

Parçacıkların Sınıflandırılması

 

Buraya kadar gördüğümüz ve görmediğimiz parçacıklar, belli özelliklerine göre sınıflara ayrılıyorlar. Örneğin spinlerine göre…

Önce temel parçacıkların ve etkileşim parçacıklarının dahil olduğu grupları görelim:

 

 

Hakkında en fazla bilgi sahibi olduklarımızı gördük; elektron, nötron, proton gibi… Bunun dışında genel olarak leptonların özelliklerine bakacak olursak, spinlerinin 1/2 olduğunu, güçlü etkileşimlere girmediklerini, yüklü leptonlar içerisinde en ufak kütlenin, en iyi bildiğimiz parçacık olan elektrona ait olduğunu, hepsinin anti parçacıklara sahip olduğunu (örneğin elektronunki pozitron) görüyoruz.

 

Etkileşim parçacıklarına da kısaca değinelim.

Doğada bildiğimiz 4 temel kuvvet var. En güçlüden en zayıfa doğru kısaca hatırlayalım:
– Güçlü nükleer kuvvet (kısa menzilli)
– Elektromanyetik kuvvet (uzun menzilli)
– Zayıf çekirdek kuvveti (çok kısa menzilli)
– Kütle çekim kuvveti (uzun menzilli)

 

Bu kuvvetleri taşıyan, yani bunlara aracılık yapan parçacıklar vardır. Güçlü nükleer kuvvetlerin taşıyıcı parçacığı gluonlardır. Daha önce de biraz bahsettiğimiz gibi bunlar çekirdekte kuarkları ve dolayısıyla da nötron ve protonları bir arada tutarlar.

 

Elektromanyetik kuvvetin taşıyıcı parçacığı fotonlardır. Örneğin fotonlardan oluşan ışık, bir elektromanyetik dalgadır.

 

Zayıf çekirdek kuvvetlerinin taşıyıcı parçacıkları W ve Z bozonlarıdır. Standart Model’de bunlardan başka 2 ayar bozonu daha vardır. Ayrıca Higgs ve graviton da birer bozon türüdür. Graviton kütle çekim kuvvetinin taşıyıcı parçacığı olarak öngörülmüştür. Ancak gözlemsel olarak henüz varlığı kanıtlanmamıştır.

 

Higgs bozonu bunlardan farklıdır. Higgs alanı içerisine giren parçacıklara kütle kazandırdığı düşünülen bir bozon türüdür. Farklı bir yazının konusu olmak üzere, kendisini şimdilik bir kenara bırakıyoruz. Ancak küçük bir detaydan bahsedelim. Higgs bozonu popüler bir bozon, çünkü “Tanrı parçacığı” adıyla anılıyor halk arasında. Aslında Nobel ödüllü Leon Lederman, 1993 yılında yazdığı bir popüler bilim kitabında, bu bozonun bir türlü keşfedilememesi nedeniyle ona “Tanrı’nın cezası parçacık” ya da “kahrolası parçacık” gibi anlamlara gelen “goddamn particle” adını vermiş. Ancak kitabın editörü buna karşı çıkmış ve “Tanrı parçacığı” anlamına gelen “God particle” tamlamasını daha uygun bulmuş. Böylece parçacık bu şekilde anılır olmuş. Parçacığın varlığını öngören fizikçi Peter Higgs aslında bu isimden hiç hoşlanmamış. Bunun fizikçiler arasında pek de kullanılan bir isim olmadığını da ekleyelim.

 

Hadronlar

 

Güçlü nükleer kuvvetlerle etkileşimden sorumlu olan hadronlar, yüklü olmaları durumunda elektromanyetik kuvvetlerle de etkileşirler. 2 alt sınıfa ayrılırlar: Baryonlar ve mezonlar.

Baryonlar, temel parçacıklardan olan kuarkların birkaç tanesinin bir araya gelmesiyle oluşur. Protonlar gibi… Genellikle 3 kuarktan oluştukları bilinse de, yakın zamanda daha fazla tanecik içeren hadronlar da keşfedilmiştir.

Mezonlar ise bir adet kuark ile bir adet anti kuark tarafından oluşturulurlar. Pionlar gibi…

 

 

Kararlı olan tek baryon, protondur. Diğer baryonlar bozunup son ürün olarak proton oluşturabilir. Mezonlar son derece kararsız parçacıklardır. Genellikle yüksek enerjili çarpışmalar sonrasında görülen kısa ömürlü ürünlerdir. En uzun ömürlü mezon bile mikrosaniyenin altında bir ömre sahiptir. Bozunmaları sonunda elektron, nötrino ya da foton ortaya çıkabilir. Hızlandırıcılarda yapay olarak da üretilebilirler.

 

Mezonların yapıtaşları kuarklar olduğundan, bu parçacıklar zayıf ve güçlü kuvvetlerle etkileşime girebilirler. Yüklü olanlar elektromanyetik kuvvetlerle de etkileşebilir.

 

Aslında bu genel sınıflamanın dışında başka bazı sınıflama kriterleri de var. Örneğin mezonlar kendi içlerinde de farklı alt sınıflara sahipler. Ancak gerçekten çok karmaşık konulara girmek istemediğimiz için konuyu burada bırakmayı uygun bulduk ve bir yazımızın daha sonuna gelmiş olduk. Bir sonraki yazıda Standart Model, Her Şeyin Teorisi gibi kavramları açıklamaya çalışacağız.

Takipte kalın!

 

https://www.sciencenews.org/sites/default/files/2016/05/main/articles/052616_ec_schrodinger-cat.jpg

Kapak görseli http://www.ilgiornale.it/sites/default/files/foto/2016/05/27/1464345896-maxresdefault-2.jpg adresinden alınmıştır.