Standart Model

Standart Model

14 Kasım 2018 0 Yazar: Tuğba YELİZ

Doğada bilinen 4 kuvvetin varlığından daha önceki bu yazıda bahsetmiştik. Tekrar hatırlayalım:

– Güçlü nükleer kuvvet
– Elektromanyetik kuvvet
– Zayıf çekirdek kuvveti
– Kütle çekim kuvveti

 

Parçacık Fiziğinin Standart Modeli” ya da kısaca “Standart Model” olarak adlandırılan kuram, gözlemlenen madde içerisinde bulunan temel parçacıkları ve bu parçacıkların, kütle çekim kuvveti dışındaki 3 kuvvetle olan ilişkisini açıklayan kuramdır. Modelde bahsi geçen parçacıklar ve kuvvet taşıyıcıları aşağıdakilerdir:

 

 

Gözleyebildiğimiz maddeyi oluşturan parçacıklar temel olarak kuark ve leptonlardır. 6 adet kuark ve 6 adet lepton içerisindeki en hafif ve en kararlı parçacıklar, modelin 1. ailesini oluşturur. Daha ağır parçacıklar 2. aileyi ve en ağırları da 3. aileyi oluşturur. Bu sıralama, parçacıkların gittikçe daha kararsız olmasıyla da ilişkilidir. Yani 3. aile en kararsız parçacıklardan oluşur. Bu kararsız, yani dağılmaya meyilli parçacıklar, kararlı olan parçacıklara bozunurlar.

 

Etrafımızda gördüğümüz cisimler, 1. aileye mensup olan parçacıklardan oluşur. Her aile 2 kuark, 2 lepton ve 2 de anti parçacıktan oluşur. Bu aileleri görelim:

1. aile: Yukarı (u) kuark, aşağı (d) kuark, elektron ve elektron nötrinosu
2. aile: Tılsım (c) kuark, garip (s) kuark, müon ve müon nötrinosu
3. aile: Üst (t) kuark, alt (b) kuark, tau ve tau nötrinosu

 

Bu parçacıkların genel özelliklerine daha önceki yazılarda değinmiştik. O nedenle burada tekrar aynı şeyleri anlatmıyoruz. Ancak burada, daha önce bahsetmediğimiz bir özellikten bahsedeceğiz: Parçacıkların renk yükü ve Kuantum Renk Dinamiği.

 

Renk Yükü ve Kuantum Renk Dinamiği

 

Renk yükü, kuarkların ve gluonların, yani güçlü nükleer kuvvetlerle ilişkili parçacıkların sahip olduğu bir özellik. Öncelikle uyarımızı yapalım: Renkler dediğimiz bu özelliği gerçek renklerle karıştırmamalısınız. Bunlar sembolik olarak renk diye adlandırılmış, fiziksel olmayan özellikler. Yani renk yükü dediğimizde doğada gerçekten kırmızı, yeşil ve mavi kuarklar olduğunu düşünmeyin sakın. Bunlar tıpkı negatif ve
pozitif elektrik yükleri gibi, parçacıkların bazı davranışlarını açıklayan özellikler.

 

Olayı elektromanyetik kuvvet, elektronlar ve foton üzerinden düşünelim önce, çünkü elektronun elektrik yükü çoğumuzun zaten aşina olduğu bir özellik. Klasik fizikten biliyoruz ki, yüklü parçacıklar etraflarında bir elektrik alan ve dolayısıyla manyetik alan oluştururlar. Bu ikisi birlikte elektromanyetik alan olarak anılır ve yüklü parçacıklar bu alandan etkilenirler. Elektromanyetik kuvvetin taşıyıcı parçacığının foton olduğunu biliyoruz.

 

Kuantum teorisi bize, yüklü parçacıkların foton aracılığıyla elektromanyetik alanla etkileştiğini söyler. Bir elektron, bir foton saldığında yön değiştirir ve bir başka elektron o fotonla etkileştiğinde o da yine yön değiştirir. Elektromanyetik etkileşimi basitçe bu şekilde açıklayabiliriz. Bu foton “değiş tokuşunu” aşağıdaki Feynman diyagramında görebilirsiniz.

 

 

 

Feynman diyagramları, Kuantum Alan Teorisi’nde kullanılan ve bazı parçacık etkileşimlerini sembolize eden çizimlerdir.

Şimdi esas konumuza dönelim. Kuarklar da güçlü nükleer kuvvetle, tıpkı elektronun elektromanyetik kuvvetlerle etkileştiği gibi, etkileşirler. Burada elektronun elektrik yükü gibi, kuarkların da renk yükü vardır. Az önce bahsettiğimiz gibi; kırmızı, yeşil ve mavi. Etkileşim için aracılık yapan parçacık da foton yerine gluondur. Ancak fotondan bir farkla: Fotonlar yüksüzdür. Gluonların ise kendi renk yükleri vardır. Gluonlar renk / anti renk yük çiftlerine sahiptirler. Aslında renk – anti renk kombinasyonları 9 tane olmalıdır, ancak 8 adet gluon vardır.

 

Renk yükleri de, başka bazı nicelikler gibi, korunumludur. Kuarklar, gluonları absorbe ederek ya da salarak, renk yüklerini değiştirebilirler.

 

Peki neden sembolik sayılar değil de renkler ve nedir bu anti renk dediğimiz şey? Aslında isimlendirmenin nedeni, insan gözünün bir araya gelen birkaç renk ışığı beyaz olarak görmesi. Kuarkların renk yükleri kırmızı, yeşil ve mavi olabilir. Bu 3 renk kuark bir araya geldiğinde de, renk yükü nötr olan bir baryon oluşur. Bu da insan gözünün bir araya gelmiş renkli ışıkları tek tek ayıramayıp beyaz olarak algılamasına benzer bir durum olduğundan, hayal gücü kuvvetli olan fizikçiler bu yüklere renk yükü adını uygun görmüş.

 

 

Yine insan gözü için birbirinin karşıtı olan renklerden bahsedebiliriz: Kırmızı ve camgöbeği gibi. Bu iki renkteki ışığın karışımını beyaz olarak algılarız. Benzer şekilde anti kuarklar, yukarıda belirtiğimiz gibi, anti renklere sahiptir. Herhangi bir renkteki bir kuarkla, anti renkteki bir anti kuark bir araya geldiğinde, bu kez renk yükü nötr olan bir mezon ortaya çıkar.

Son olarak, elektrik alan çizgileri gibi, renk yüklerinin de alan çizgileri vardır:

 

 

Kuantum Renk Dinamiği, tüm bu renk yükleri ve güçlü etkileşimleri açıklayan bir ayar kuramıdır.

Ayar kuramı, kuramsal fizikteki temel etkileşmeleri açıklayan kuramdır.

Kuantum Renk Dinamiği’nin başlıca iki özelliği, renk hapsi ve asimptotik özgürlük adı verilen olaylardır.

 

Renk Hapsi

 

Kuarklar gibi renkli parçacıkların serbest şekilde dolaşamaması durumuna renk hapsi adı verilir. Bu parçacıklar ancak, proton veya nötron içerisinde olduğu gibi, bir arada bulunabilirler. Bunun dışında tek başlarına serbest olarak dolaşamadıklarından, kütlelerini ölçmenin pek de kolay olmadığını geçen yazılarda belirtmiştik.

 

Burada “çanta modeli” adlı bir model devreye girer. Kuarkların proton ya da nötron içerisinde rahat ve mutlu mesut salındıkları bir durumu düşünelim. Biz bu mutluluğu bozmak ister ve kuarkların birini bu yapıdan dışarı çıkması için çekiştirmeye başlarsak, fermi, yani 10^(-15) metre başına 1 GeV mertebesinde enerji harcamamız gerekir. Bu enerji, çift oluşumu için gereken enerjiden çok daha fazladır.
Bu da, kuarkın birini bu yapıdan serbestçe dışarıya çıkartmak yerine, çift oluşturmanızın daha kolay olması anlamına geldiğinden, kuark hemen bir anti kuark bulup onunla birleşir ve bir mezon oluşturur. Böylece amacımıza ulaşamaz ve mutluluğu bozduğumuzla kalırız.

 

 

Asimptotik Özgürlük

 

Parçacık fiziğinde, asimptotik özgürlük, enerji ölçeği arttıkça ve buna karşılık gelen uzunluk skalası azaldıkça, parçacıklar arasındaki etkileşimlerin asimptotik olarak daha zayıf hale gelmesi durumudur.

Asimptot, sonsuza giden bir eğrinin çeşitli noktalarının gittikçe yaklaştığı başka bir eğri veya doğrudur.

Kuantum Renk Dinamiği’nde bunun anlamı, kuarkların yüksek enerjilerde zayıf şekilde etkileşmeleri, düşük enerjilerde ise etkileşmelerin güçlenerek, kuark ve gluonların hadronlar içerisinde tamamen hapsedilmesidir.

 

Higgs Alanı ve Higgs Bozonu

Higgs mekanizmasını bir benzetme üzerinden tarif etmeye, sonrasında da fiziksel olarak anlatmaya çalışalım.

 

Bir oda dolusu bilim insanı düşünün. Bir kokteyl salonundalar. Salonun her yerine dağılmışlar ve yiyip içip eğleniyorlar. Bu salon ve bilim insanları, Higgs Alanı’nı temsil ediyor. Bu kısım cepte.

 

 

 

O sırada salona –artık orada ne işi varsa– bir vergi tahsildarı giriyor. Bilim insanlarının arasından bara doğru gidiyor. Bilim insanlarının hiçbiri tahsildarla ilgilenmiyor ve tahsildar rahatça, hiç kimse tarafından durdurulmadan bara kadar ulaşıyor. Bu tahsildar, salondaki kimseyle etkileşmedi. Tahsildar, foton gibi parçacıkları temsil ediyor. Bu kısım da cepte.

 

 

Şimdi odaya Peter Higgs girdi. Onu gören bilim insanları hemen çevresini sarıp, onunla bazı fizik konularını tartışmak istediler. Peter Higgs odada ilerlemeye çalıştıkça, onu yeni görenler de etrafına toplanmaya başladı. Böylece Peter Higgs, salonun sonuna kadar güçlükle gelebildi, çünkü çok fazla insanla etkileşimde bulunmak zorunda kaldı. Bu da kütlesi olan parçacıkları temsil ediyor.

 

 

Son olarak, salonun kapısına birisi geldi ve kapıya yakın olanlara bilimsel bir dedikodu fısıldadı. Dedikoduyu duymak için bu yakın olanlar kapıya doğru yığıldı. Sonra kendi yerlerine dağılarak konu hakkında kendi aralarında konuşmaya başladılar. Onlar kendi aralarında konuşurken, onlara yakın olanlar da dedikoduyu duyup gruplaştılar. Sonra bunlar da yerlerine döndü. Bu olay böyle salon boyunca, tıpkı Meksika dalgası gibi ilerledi. Yani salonda yer yer yığılmalar oluştu. Bu yığılmalar da Higgs bozonunu temsil ediyor.

 

 

Burada bir önemli nokta var: Tahsildar da, Peter Higgs de salona girmeden ve insanlar tarafından görülmeden önce aynı değere sahiptiler.

 

 

Şimdi gelelim işin gerçek fiziksel boyutuna. Higgs Alanı, içerisinden geçen ve onunla etkileşen parçacıklara kütle kazandırdığı düşünülen bir alandır. Kütlesiz olarak bu alan içerisinden geçen ve hiçbir şekilde alanla etkileşmeyen parçacıklar, kütlesiz olarak kalırlar (tahsildar örneğinde olduğu gibi). Fotonlar bu duruma bir örnektir.

 

Aslında bu fikir doğrudan katı hal fiziğinden gelmektedir. Bir katı, uzay boyunca uzanan bir alan yerine, pozitif yüklü kristal atomları içeren bir kafese sahiptir. Bir elektron kafes boyunca hareket ederse, atomlar elektrona doğru çekilir. Bunun sonucunda elektronun etkin kütlesi, serbest bir elektronun kütlesinden 40 kat daha büyük olur. Higgs Alanı da buna benzeyen varsayımsal bir kafestir aslında. Bu alanın varlığını kabul etmek, bozonlar ve fotonlar arasındaki kütle farkını açıklamak için oldukça iyi bir fikirdir.

Parçacıkların bu şekilde kütle kazanmasına Higgs mekanizması diyoruz.

 

Peki Higgs bozonu nedir? Tıpkı diğer temel alanlar gibi, Higgs Alanı’nın da bir etkileşim parçacığı olduğu düşünülüyor. Tıpkı örnekteki gibi, Higgs Alanı’ndaki bir yığılma, bir kümelenme olduğu düşünülüyor bu bozonun.

 

Bu da yine katı hal fiziğindeki benzer bir durum sonucu ortaya çıkmıştır. Bir kristal kafesteki atomlar bazen, hareket etmek için bir elektrona ihtiyaç duymazlar. Kafes kendiliğinden bir yığılma dalgası taşıyabilir ve bu dalgalanmalar parçacık gibi davranabilir. Buna göre Higgs bozonu olmadan da evrende
bir Higgs Alanı olabilir.

Teoriye göre Büyük Patlama’dan hemen sonra Higgs Alanı sıfırdı. Evren soğudukça ve sıcaklık kritik değerin altına doğru indikçe alan kendiliğinden büyüdü ve parçacıkların onunla etkileşmesine izin verecek özelliklere ulaştı. Bir parçacık bu alanla ne kadar çok etkileşirse o kadar fazla kütle kazanır.

 

GÖZLEMLER NE DİYOR?

 

Uzunca bir süredir parçacık hızlandırıcı deneylerinde Higgs bozonuna ait izler aranıyor. Ancak henüz kesin bir veri elde edilmiş değil. 4 Temmuz 2012’de, CERN’in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı‘nda yapılan ATLAS ve CMS deneyleri, her biri 125 GeV civarında kütle bölgesinde yeni bir parçacık gözlemlediklerini açıkladı. Parçacık, Higgs bozonuyla tutarlıdır, ancak Standart Model tarafından ortaya atılan Higgs bozonu olup olmadığını belirlemek için daha fazla çalışma gerekiyor, çünkü Standart Model’in ötesindeki başka bazı modellere tarafından öngörülen farklı Higgs bozonu modelleri de var. Yine de bilim insanları arasında, gözlenen bu parçacığın Standart Model’e ait Higgs bozonu olduğuna dair kuvvetli bir inanış var.

 

Gündelik hayatımızda etkisini en fazla görüp hissettiğimiz kuvvet, kütle çekim kuvveti olsa da, Standart Model’in mikro dünyası ile kütle çekimin makro dünyası henüz bir uzlaşma içerisine alınmış değil. Ancak kütle çekim kuvveti parçacık boyutunda bakılınca diğer kuvvetler kadar önemli olmadığından, Standart Model 3 kuvveti genel olarak açıklamakta oldukça başarılı bir model. Ancak yine de cevaplayamadığı sorular var (karanlık madde nedir, Büyük Patlama’dan sonra anti maddeye ne oldu gibi) ve bu sorular bilim insanlarını, modelin eksik yanlarını dolduracak yeni arayışlara itti. Sonraki yazımızda bu arayışlara değinmek üzere, şimdilik hoşça kalın!

 

Kaynaklar:
https://home.cern/science/physics/standard-model
https://home.cern/science/physics/higgs-boson
http://www.particleadventure.org/color.html
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Particles/qbag.html#c1
http://www.bilimteknik.tubitak.gov.tr/sites/default/files/posterler/41x55_poster_haziran_2017.pdf
http://www.hep.ucl.ac.uk/~djm/higgsa.html

 

Kapak görseli https://www-tc.pbs.org/wgbh/nova/media/images/atlas2.width-1500. png adresinden alınmıştır.