Parçacık Fiziği Nedir?

Parçacık Fiziği
Parçacık Fiziği

Parçacık Fiziği Nedir?Maddenin ve etkileşimini ve altyapısını inceler. Mikro hatta nano seviyesinin altında boyuta sahip parçacıkları keşfetmeye ve onları yorumlamaya çalışır. Atom altı parçacıklar birleşerek dünyamızı ve evrenimizi oluşturmuşladır. Boyutlar farklılaştıkça onu inceleyen fizik dalı da farklı olmaktadır. Örnek olarak mekanik dalı metre seviyesinde inceleme yapmaktadır. Yani görülebilir seviyede inceleme alanı ile uğraşan fiziğini alt dalıdır Mekanik. Peki boyutlar büyüyünce ne olmaktadır? Parçacık Fiziği alt bileşenleri nelerdir? Bu yazımızda tüm sorulara yanıt bulmaya çalışacağız. Yazımızda aynı zamanda “Kuarklar Nedir?” bunu anlamaya çalışacağız.

Boyut büyüdükçe başlangıçta Güneş sistemimizdeki ve devamında diğer gezegenleri sonra da uzak gök cisimlerini gözlemlemekteyiz.

Ölçek mertebesinde ilgilenen bilim dalları küçükten büyüğe doğru astronomi, astrofizik ve kozmoloji diyoruz. Kozmoloji 1021– 1022 metre ölçeğinde çalışmaktadır.

Çok gelişmiş teleskoplar ve uydular sayesinde uzakta olan gök cisimlerini gözlemlemekteyiz. Çünkü çıplak gözle belirli bir seviyeye kadar gözlem yapılabilmektedir.

Gözlem yapma eylemimizi tam ters doğrultuda yapmaya başlarsak ilk olarak karşımıza çıkan sırasıyla hücre, DNA, elektron ve atom çekirdeği olacaktır.

Sahip olduğumuz mikroskoplar seviyesinde elektronları inceleyebiliyoruz.

Kimya, biyoloji, katıhal fiziği ve nükleer fizikte atom çekirdeğine kadar olan kısımları incelemektedir.

Çekirdeğin bir iç yapısına doğru karşımıza yüklü protonlar ve yüksüz nötronlar çıkmaktadır. Daha ölçeklere inmeye başladığımızda 10-14 – 10-15 seviyelerine indiğimizde karşımıza kuarklar çıkmaktadır. Kuarklar proton ve nötronları oluşturmaktadır.

Gözlem ölçeğimizin bu kadar küçüldüğü noktalarda artık konvansiyonel aletlerimiz bu parçacıkları tespit etmemize olanak vermemektedir.

Parçacık Fiziği Nasıl Başlamıştır?

Atomaltı parçacıklar keşfedilme süresi yüz yılı aşan bir sürede devam etmiştir. İlk olarak keşif elektronun bulunmasıyla başlamaktadır. Elektron, 1897’de İngiliz fizikçi J.J. Thomson katot ışınlarının incelenmesi sırasında bulunmuştur. Başlangıçta korpusküler olarak adlandırılan elektron keşfi, atomik yapı bilgisinde devrim yaratmada çok önemli bir rol oynamıştır.Atomun merkezinde artı yüklü bir çekirdeğin bulunduğunun tespit edilmesi 1911 yılında gerçekleşmişti. Artık çekirdekte artı yüklü protonlardan ve yüksüz nötronlardan bir araya geldiği anlaşılmıştı. Daha sonraları kuarklarda tespit edilmeye başlanıyordu kuarklar üçlü olarak proton ve nötronları bir araya getiriyordu.

Kuarklar Nedir? ve Nerede Bulunur?

Protonlar iki tane yukarı kuark bir tane aşağı kuarktan nötronlar ise bir tane yukarı iki tane aşağı kuarktan meydana gelmektedir.

Kuarklar kesirli elektrik yüküne sahiptir parçacıklardır. Yukarı kuarkların elektrik yükü elektronun elektrik yükünün büyüklüğünün negatifi değerindedir. Yani pozitif yük miktarına sahip ve 2/3 ü kadardır. Aşağı kuark ise elektronla aynı yük cinsine sahiptir. Ancak değer olarak 1/3 ü kadardır.

kuarklar nedir
kuarklar nedir

 

Kuarkların yük büyüklüklerin bir araya gelmesi tam sayı değerine ulaşılmasını sağlayacaktır. Bu da proton ve nötronların tam sayı yüklü değerine karşılık gelmektedir.

Doğada bulunan elementlerin tamamı bir çekirdek ve etrafındaki elektronlardan meydana gelir.

Atom çekirdeklerindeki proton sayılarının farklılığı farklı elementlerin doğada bulunmasına sebep olmaktadır. Periyodik tablonun bir numaralı elementi olan Hidrojenin ise sadece bir protonu bulunmakta bünyesinde nötron barındırmamaktadır. Yörüngesinde de sadece bir tek elektron bulunan bir elementtir.

Doğadaki elementlerin benzer özelliklerinde yararlanılarak periyodik tablo oluşturulmuştur. Kuark seviyesinde bu tabloyu da farklı bir yapıda ele almak mümkün görünmektedir.

Kuarklar Kaç Çeşittir ve Özellikleri Nelerdir?

Keşfedilen tek kuark çifti aşağı ve yukarı kuarklar değildir.

Bu çiftten farklı olarak iki kuark çifti daha keşfedilmiştir. Bu çiftler tılsım-garip ve üst-alt kuarklardır. Elektrik yükleri aynı ama kütleleri buluna ilk kuark çiftinden daha büyüklerdir.

Peki bu diğer kuark çiftlerini nasıl gözlemledik ve nerede bulunmaktalar sorusuna yanıt aramakla devam edebiliriz. Elementler aşağı ve yukarı kuarklardan meydana gelmişlerdir. Bu diğer kuarklar atom altı etkileşimin neresinde ortaya çıkmaktadır? Bu sorunun cevabına ulaşmak için evrenin oluşum aşamasına gitmek gerecektir.

Evrenin başlangıçta sıcaklığının çok yüksek olması kuarkların serbestçe hareket etmesine sebep olmaktaydı. Yani 6 kuark da serbest olarak hareket halindelerdi.

Evrenimizin zamanla soğuması sonucu büyük kütleli kuarkların daha düşük kütleli diğer kuarklara dönüşmesine yol açmıştır.Üst ve altlar tılsım ve garip kuarklara, tılsım ve garip kuarklar yukarı ve aşağı kuarklara dönüşmüştür. Kütlesi en düşük olan kuarklarda yani yukarı ve aşağı kuarklarda bir araya gelerek proton ve nötronları oluşturmuşlardır. Oluşan tüm reaksiyonlar üç dakika içinde gerçekleşmiştir.  Artık küçük atom numaralı çekirdekler oluşmuştur.

Oluşan tüm bu reaksiyonlar entropinin (düzensizliğin) artması ile açıklanabilmektedir. Az sayıda büyük yerine çok sayıda küçük parçacık ortaya çıkmıştır. İlk üç dakikada evrenimizin genişlemesi ve soğumasının devam etmesi sonucunda çekirdeklere de elektronların eklenmesi ve elementleri oluşmuştur.

Devam eden süreç boyunca galaksiler ve yıldız sistemleri oluşmuştur. Evrenimiz ile dünyamızın yaşlarını karşılaştırırsak 13,7 ve 4 milyar yıl değerlerini belirtmek durumunda kalacağız.

Cern Deneyleri – Parçacık Hızlandırıcılar

Parçacık Fiziği konusunda kuarkların tespit edilme aşamalarına göz atabiliriz. Deneyler CERN’de yapılmaktadır. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) gibi hızlandırıcılarda hızlandırdığımız protonları veya kurşun çekirdekleri CMS, ATLAS ve ALICE gibi detektörlerin merkezlerinde ve LHCb gibi detektörlerinin de önünde çarpıştırarak çok kısa bir süre için gözle görülemez düzeyde enerji yoğunluğunu artırılmaktadır.

Enerji yoğunluğu E = mc2 formülünün sol tarafındaki enerjiyi sağlayacaktır. Formüldeki m kütleye karşılık gelmektedir.  Bu parçacıkların evrenimizin başlangıcında olduğunu düşündüğümüz parçacıklardır. Ömürleri de yaklaşık olarak 10-12 saniyedir.

Deneyler sonucunda ortaya çıkan parçacıklar arasında tüm kuarklar gözlenebilmektedir.

Oluşan çarpışmalarından sonrası detektörler üzerinde bazı izler tespit edilmektedir. Bu izler bizi evrenimizin ilk dakikalarına götürmektedir.

Şimdi baryonlara değinelim. Baryonlar üçerli kuark gruplarıdır. Yani proton ve nötronda. Kuarklar aynı zamanda kuark-antikuark çiftleri şeklinde bir araya gelip mezon adını verdiğimiz parçacıkları da oluşturur.

Hadronlar ise baryonlar ve mezonlardan meydana gelmektedir. O yüzden çarpıştırma işleminin yapıldığı yani protonların çarpıştırıldığı büyük makinenin adı “Büyük Hadron Çarpıştırıcısı” dır.

Değişik varyasyonlar ile bir araya gelen kuarklar çok fazla sayıda Hadron oluştururlar.

Büyük bir çoğunluğu kararlı olamayan bu hadronların çok kısa sürede başka parçacıklara bozunacaklardır.

Kuarkların sadece tek çifti olmadığı gibi elektrona da benzer özellik gösteren ama ondan daha büyük kütleye sahip iki parçacık daha vardır. Bu parçacıklar muon ve tau denir.

Aynı zamanda Parçacık Fiziği’nde tespit edilmesi olağanüstü zor olan parçalardan biri olan nötrinolara da değinmek istiyoruz. Işık hızına yakın seyreden çok az parçacıkla etkileşime ren ve evrenimizin her yerinde olduğu bildiğimiz parçacıklardır.

Elektron, muon, tau ve bunların nötrinolarının her birinin genel adı leptondur.

Leptonlar ve Kuarklar

Leptonlara ve kuarklara ikisine birden fermiyon isimlendirilmesi de yapılmaktadır.Fermiyonlar yarım-sayı değeri alan spin değeri ½ olan parçacıklardır. Tam-sayı değerli, bozon adını verdiğimiz parçacıklar da bulunmaktadır.

Temel Kuvvetler Nelerdir?

Evrenimizde keşfettiğimiz dört temel kuvvetle Parçacık Fiziği ‘ne devam edelim. Bunlar kütle çekimi, elektromanyetizma, zayıf kuvvet ve güçlü kuvvet.

İlk kuvvet olan Kütle çekim kuvveti iki kütlenin birbirlerine uyguladığı kuvvettir. Bu kuvvet gök cisimlerinin hareketlerini açıklamakta bize yardımcı olmaktadır. Ancak etki alanı kütlelerin büyüklüğü ile ilişkilidir.

Günlük yaşamımızda kütle çekiminin etkisi hissetmeden yaşantımızı sürdürmekteyiz.

Parçacık Fiziği konusunda ise kütle çekimi tamamen ihmal edilebilir. Elektromanyetik kuvvet ise yüklü parçacıklar arasındaki kuvvettir.

Yüklü her parçacık bir elektrik alana sahip olacak aynı zamanda hareketi de varsa bu parçacığa da bir manyetik alan etki edecektir. Etkiyen manyetik alan elektrik alana dik doğrultuda olacaktır.  Dünyamız da bir manyetik alana sahiptir.  Elektromanyetik kuvvet sadece yüklü parçacıklara etki etmektedir.

Yüklü parçacıklar elektromanyetik alanda taşıyıcı parçacık foton (ışık) ile etkileşime girerler. Bütün kuvvetlerde taşıyıcı parçacıklar bulunmaktadır. Bu taşıyıcı parçacıklar bozon adı ile adlandırılmaktadır. Spinleri tam sayıdır.

Güçlü kuvvet ise kuarklar arasındaki etkileşimi sağlar. Atomaltı seviyededir ve diğer kuvvetlerden çok daha etkindir.

Güçlü kuvvet protonlar ve nötronları bir arada tutmaya yarayan dolayıyla çekirdekte buluna bir kuvvettir. Diğer kuvvetlerde olduğu gibi bu kuvvetin taşıyıcı parçacığı gluondur. İngilizcede yapıştırıcı kelimesinden türetilmiştir. İşte bu kuvvet proton ve nötronları bir arada tutan kuvvettir.

Çekirdekte bulunan aynı yüke sahip bulunan parçacıkların yani protonların nasıl bir arada durduğunun yanıtı gluonlarda saklıdır.

Son kuvvet olarak sıra zayıf kuvvette. Bu kuvvet içinde hadronların leptonların karşılıklı olarak birbirlerine dönüşüm sürecini düzenlemektedir. Bu etkileşimleri Z, W, W+ bosonları aracılığıyla gerçekleşir.

Higgs Bozonu Nedir?

Bu bosonlar 1980’lerin başında CERN’de keşfedilmiş ve 1984 yılında o dönem CERN’de çalışan fizikçilerin Nobel ödülü sahibi olmasına sebep olmuşlardır.

CERN’de keşfedilen başka bir parçacık ta 2013 yılında bulan kişiye Nobel ödülünü kazandırmıştır. Bu parçacıkta Higgs Bozonu’dur.

Nobel Fizik Ödülü 2013, “atom altı parçacıkların kütlesinin kökenini anlamamıza katkıda bulunan bir mekanizmanın teorik keşfi için François Englert ve Peter W. Higgs’e ortaklaşa verilmiştir. Bu parçacıkta CERN’in Büyük Hadron Çarpıştırıcısındaki ATLAS ve CMS deneylerinde keşfedilen bir parçacıktır. “

Keşfedilen her yeni parçacık bir başka sorunun sorulmasına neden olmakta ve diğer keşiflerin önünü açmaktadır.

Kütle Çekim Kuvveti – Kütle Çekim (Yerçekimi) Dalgaları

Son olarak da kütle çekimine sebep olduğu düşünülen gravitonda sıra. Bu parçacığa son sırada değinmemizin sebebi hala üzerinde çalışmaların devam ediyor olması ve bu parçacığın keşfedilmemiş olmasındandır.

Dünyanın farklı noktalarında yapılan deneylerde kütle çekimi dalgalarının ilk doğrudan gözlemi 14 Eylül 2015’te yapılmıştır.

Daha önce, kütle çekimi dalgaları, ikili yıldız sistemlerindeki pulsarların zamanlaması üzerindeki etkileri yoluyla yalnızca dolaylı olarak çıkarılıyordu. Her iki LIGO gözlemevi tarafından tespit edilen dalga formu, yaklaşık 36 ve 29 güneş enerjili bir çift kara deliğin içe doğru spiralinden yayılan ve birleşen bir yerçekimi dalgası için genel görelilik tahminleriyle eşleşmiştir.

Sinyalin adı GW150914’tür.

Aynı zamanda, hem ikili yıldız kütleli kara delik sistemlerinin varlığını hem de bu tür birleşmelerin evrenin mevcut çağında meydana gelebileceğini gösteren ikili bir kara delik birleşmesinin ilk gözlemi olarak kayıtlarda yerini almıştır.

Sağlıcakla kalın.

 

Hasan Ongan

Fizik Öğretmeni Hasan Ongan

 

Aşağıdaki Kaynaklardan Derlenmiştir

1) İlk Üç dakika – Steven Weinberg (Tübitak Yayınları)

2) Cockcroft, J.D., E.T.S. Walton, Disintegration of Lithium by Swift Protons, Nature 129 (1932) 649.

 



İlk yorum yapan olun

Bir Cevap Yazın