Atom altı parçacıklar, atomdan daha küçük temel veya bileşen parçacıktır. Parçacık fiziği ve nükleer fiziğin beraber ilgilendiği bu parçacıklar ile ilgili çalışmalar onların etkileşimleri ve atomik olmayan madde üzerinedir.
Atom altı parçacıklar atomik bileşenler elektronlar, protonlar ve nötronları da kapsar. Protonlar ve nötronlar kuarklardan oluşan bileşik parçacıklardır. Bir proton iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan oluşur, aynı zamanda bir nötron bir yukarı kuark ve iki aşağı kuarktan oluşur; kuarkları gluonlar tarafından çekirdeğin içinde birlikte tutulurlar. 6 farklı kuark türü vardır. Bunlar yukarı, aşağı, alt, üst, acayip ve tılsımlıdır. Kuarkın yanı sıra diğer parçacıkları da içeren fotonlar ve nötrinolar Güneş’ten bolca üretilirler. Parçacıkların birçoğu parçacık hızlandırıcılarında saçılma süreçleri tarafından üretilmiştir ve madde ile kozmik ışınlar karşılıklı etkileştiklerinde keşfedilmişlerdir. Düzinelerce atom altı parçacık var.
Parçacıklara Giriş
Parçacık fiziğinde parçacık kavramı fikri, klasik fizikten kalan birkaç farklı kavramdan biridir, kuantum mekaniğinde moleküler boyutta enerji ve maddenin nasıl davrandığını tanımlayarak biz dünyayı tecrübe etmiş olacağız. Fizikçiler gibi bu terimi kullananlar, parçacık kelimesinin esas anlamını kuantum seviyesinde incelerler.
Parçacık fikri, ışık deneyleri sonucunda ışığın küçük parçacıklar gibi davranan bir dalga olarak görülmesiyle tekrar düşünüldü. Farklılık gerçekten büyük ve kuantumdan dolayı parçacık – dalga ikililiği gibi gerekli bir yeni kavramla parçacıkları anlamanın yolu dalgalar ve parçacıkların her ikisini andıran bu davranışı anlamaktan geçer. Yeni başka bir kavram, belirsizlik ilkesi, parçacıkların analizi demek ve bu parçacıklarda istatiksel yaklaşımı gerekli kılar.
Atom Parçalanıyor
1874 yılında elektrokimya çalışmalarında G.Johnstone Stoney, elektronun varlığını atomun bir bileşeni olarak postüla etti. 1897 yılında J.J. Thomson tarafından gözlemlendi elektron. Ernst Rutherford’un 1907 yılındaki deneyi tarafından şiddetle zorlanan atomun yapısı hakkındaki spekülasyonların sonrasında atomun çoğunlukla serbest uzayda ve onun neredeyse kütlesi küçücük atomun çekirdeğin içine yoğunlaşmış olarak gösterdi. Kuantum mekaniğinin gelişmesiyle atomdaki serbest elektronların dizilişi kimya terimleri ile anlaşılabildi. Proton hidrojen atomunun çekirdeği olarak bilindi. Nötronlar Rutherford tarafından postüla edildi ve 1932 yılında James Chadwick tarafından keşfedildi. Nükleon kelimesi proton ve nötronun her ikisini ifade etti.
Elektronlar negatif yüklüdür. Kütleleri 1/1836 hidrojen atomudur. Protonlar ise artı elektriksel yüklüdür. Protonların sayısı elementin atom numarasıdır. Nötronların kütlesi neredeyse protonunkiyle eşittir. Kütle numarası çekirdekteki nükleonların toplam sayısıdır.
Atom ve molekülerdeki elektronların düzeni ile kimya ilgilenir ve çekirdeğin içindeki nötron ve protonların dizilişi ile de nükleer fizik ilgilenir. Atom ve moleküller, onların yapısı ve etkileşimleri ile atom altı parçacıklar ile ilgili çalışmalar kuantum mekaniği ve kuantum alan teorisini kapsar. Atom altı parçacıkların çalışmaları parçacık fiziği olarak da adlandırılır. Parçacıkların birçoğunu oluşturmak için yüksek enerjili parçacık hızlandırıcıları veya kozmik ışınları gerekli. Bazen parçacık fiziği yüksek enerji fiziği olarak da adlandırılır.
Elementer Parçacıklar – Temel Parçacıklar
Kuantum Mekaniği tarafından tanımlanması ise madde, moleküllerden yapılmıştır ve bunlar, dönen atomlardan oluşmuşlardır. Tipik bir atom, çekirdeğinde elektriksel yükü pozitif olan protonlar ve elektriksel yükü nötr olan nötronlar bulunur ve çekirdeğin yörüngesinde elektriksel yükü negatif olan elektronlardan oluşur. Bu model ilk kez Ernest Rutferhord tarafından 1913 yılında postüla edilmiştir. O zaman, tüm maddelerin bu üç parçacıktan oluştuğu sanılıyordu. Onlar temel parçacıklardı.
1923 yılında Paul Dirac tüm parçacıkların karşıtlarının olması gerektiğini düşündü ve bunlara karşıt parçacıklar (anti parçacıklar) denilmekte. İlk karşıt parçacık 1932 yılında Carl Anderson tarafından keşfedildi. Bu karşıt parçacık elektronun elektriksel olarak pozitif yüklü pozitrondu. Karşıt elektron olarak bilinir. Pozitron ve elektron etkileştiğinde veya yan yana geldiğinde, onlar birlikte birbirlerini yok ederek başka biçimde Einstein’in ünlü eşitliğine uygun bir biçimde enerji salarlar.
Proton ve nötronun her ikisinin karşıt parçacıkları vardır. Ayrıca onlar kendi karşıtlarıyla karşılaştıklarında birbirlerini yok ederler. Sıradan madde parçacıklardan oluşur. Görünen evren sıradan madde ile oluşmuştur.
Madde karşıt parçacıklardan oluşursa o madde karşıt madde olarak bilinir. Karşıt madde laboratuvarda oluşturulabilir (ki oluşturuldu CERN’de Athena deneylerinde karşıt hidrojen üretildi) ama sıradan madde ile çok kısa sürede iletişim kurmasıyla hemen yok olurlar sıradan madde ile beraber.
Ve şimdi böylece altıdan fazla temel parçacığımız olmuş oldu. Bunlar çağdaş yüksek teknoloji ekipmanları kullanılarak oluşturulurlar. Bunlar onların özelliklerine bağlı olarak grup numaralarına ayrılırlar. Yakın zamanlarda bulunmuş olan parçacıkların birçoğu onların karşıt parçacıklarıdır.
Leptonlar
Leptonların en kolay anlaşılırı elektrondur. Müon ve tau olarak bilinen parçacıklar iki ağır leptondur. Her ikisi de kararlı parçacıklardan daha dengesiz ve kolay bozunur. Her ikisinin de karşıt parçacıkları vardır. Müonlar Dünya’nın atmosferine giren kozmik ışınlarla havadaki molekül ve atomlara şiddetle çarptığında bulundu.
Leptonun bambaşka bir türü ise esrarengiz olan nötrinodur. 1934 yılında radyoaktif bozunma bakımından kesin açıklanarak Enrico Fermi tarafından postula edilmiştir. Nötrinonun üç türü vardır, bunların her biri yukarıda belirtilen her bir üç leptonla birleşir. Onlar elektron nötrino, müon nötrino ve tau nötrino olarak adlandırılırlar.
Nötrinolar maddenin diğer türleri ile zarzor etkileşir (tepki verir). Onlar Dünya boyunca kolayca ilerleyebilir. Onların elektrik yükleri yoktur. Her birinin karşıt parçacığı vardır böylece 6 çeşit nötrino vardır. Nötrinolar çok az kütleye sahiptirler ve bir türü diğer iki türüne dönüşebilir.
Leptonlar asla atomların çekirdeğinde bulunmaz. Onlar güçlü nükleer kuvvetin konusu değildirler çekirdekten ayrı uçtuklarından. Onlar bazen çekirdekte üretilir ama çabucak dışarı çıkarlar. Bazı radyoaktif atomlar beta bozunumu denilen metodla bozuluyorlar. Beta bozunumu esnasında çekirdeğin içindeki bir nötron bir proton (çekirdekten geriye kalır),bir elektron (atomun radyoaktivitesi nedeniyle ve fırlamasından) ve bir elektron nötrino (ışık hızında olduğundan genellikle bulunamaz) vermek için bozunur. Atom değişimleri yeni protonların sayısı (Atom Numarası) doğmasını sağlar. Atom numarası periyodik cetveldeki elementleri izah eder. Aşağıda reaksiyon görülmektedir.
n —> p+ + e– + ne
Aşağıda 6 lepton tablolanmış.
Leptonun adı |
Sembol |
Kütle (MeV) |
Elektron |
e |
0.511 |
Elektron nötrino |
ne |
~ 0 |
Müon |
m |
106 |
Müon nötrino |
nm |
~ 0 |
Tau |
t |
1,777 |
Tau nötrino |
nt |
~ 0 |
Baryonlar
Birçok iki baryon proton ve nötronu ortaklaşa oluşturur. Onların her ikisi de yakın kütlelidir ama protonun tek bir pozitif elektriksel yükü vardır. Onlar toplu olarak nüklonlar olarak bilinirler. Her ikisi de atomların çekirdeğinde bulunurlar, güçlü nükleer kuvvet tarafından onlar çekirdekte bir arada tutulurlar.
Son zamanlarda temel parçacıkları daha çok kuark denilen baryonlardan oluştuğu şeklinde öneriler oldu. Kuarkların altı çeşidi olduğu bulundu (çeşniler diye de bilinir). 1989 yılı içinde kuarkların üç eş parçadan oluştuğu gösterildi. Bunlar üç leptona ve üç nötrinoya benzerler.
Kuarkların alışılmadık bir şekilde elektriksel yükleri kesirlidir.
Kuarkın adı |
Sembol |
Yük |
Kütle (MeV) |
Yukarı |
u |
+(2/3) |
2 – 8 |
Aşağı |
d |
-(1/3) |
5 – 15 |
Acayip |
|
-(1/3) |
100 – 300 |
Tılsım |
c |
+(2/3) |
1,000 – 1,600 |
Alt |
b |
-(1/3) |
4,100 – 4,500 |
Üst |
t |
+(2/3) |
180,000 |
Baryonlar kuark üçlülerinden oluşur. Protonun bileşenleri iki yukarı ve bir aşağı kuarktır. Bu kuarkların elektriksel yükleri “+(2/3) +(2/3) -(1/3)” hepsini topladığımızda protonun elektriksel yükü +1 olur. Nötron ise iki aşağı ve bir yukarı kuarktan oluşur. Bu kuarkların elektriksel yükleri -(1/3) -(1/3) +(2/3) hepsini topladığımızda nötronun elektriksel yükü + olur.
Birçok çekirdekte proton ve nötron kararlı parçacıklardır. Yukarıda gösterildiği gibi nötron bozumunda çekirdeğin dışığı veya içinde kesin kararsız olur atomun çekirdeği. Diğer baryonlar yüksek enerji deneylerinde üretilerek varlıkları gözlenir ama daha az kararlı olurlar. Bunlar da kuark üçlülerinden oluşur. Bu parçacıkların yüzlercesi biliniyor. Bazıları aşağıda tablolanmıştır.
Baryon parçacığı |
Kuark üçlüsü |
Yük |
Proton |
uud |
+(2/3)+(2/3)-(1/3) = +1 |
Nötron |
udd |
+(2/3)-(1/3)-(1/3) = 0 |
D– |
ddd |
-(1/3)-(1/3)-(1/3) = -1 |
L0 |
uds |
+(2/3)-(1/3)-(1/3) = 0 |
S+ |
uus |
+(2/3)+(2/3)-(1/3) = +1 |
W– |
|
-(1/3)-(1/3)-(1/3) = -1 |
C1++ |
cuu |
+(2/3)+(2/3)+(2/3) = +2 |
Tüm altı kuarkın elektriksel yüklerinin işaret olarak zıt ile diğer özellikleri aynı olan karşıt parçacıkları vardır. Yukarı karşıt kuarkın elektriksel yükü -(2/3) iken aşağı kuarkın elekriksel yükü +(1/3)’tür. Karşıt proton iki yukarı ve bir aşağı karşıt kuarktan oluşmuştur ve elektriksel yükü -1’dir.
Mezonlar
Sadece mezonlar nükleonları birbirine bağlayan kuvvetleri incelenirken keşfedilen parçacıklardır. Çekirdeğin içinde, protonlar ve nötronlar gerçekten ayrı değiller, bölünmezler, her birinin kimliği ayrıdır. Onlar pionlar denilen parçacıklarla hızla kendilerinin arasında birbirlerine dönüşürler. Mezonların yaygın hâli pionlardır.
Kuarklar mezonları oluştururlar. Mezonlar bir çift kuark/karşıt kuarkın bileşenidir. Pozitif pion bir yukarı kuark ve bir aşağı karşıt kuarktan oluşmuştur. Negatif pion ise bir aşağı kuark ve bir karşıt yukarı kuarktan oluşmuştur.
Bazı bilinen mezonlar aşağıdaki tabloda gösterilmiştir.
Mezon parçacığı | Kuark çifti | Yük |
Pozitif pion (p+) | u(d) | +(2/3)+(1/3) = +1 |
Negatif pion (p–) | (u)d | -(2/3)-(1/3) = -1 |
Nötral kaon (K0) | d(s) | -(1/3)+(1/3) = 0 |
f | s(s) | -(1/3)+(1/3) = 0 |
D– | d(c) | -(1/3)-(2/3) = -1 |
J | c(c) | +(2/3)-(2/3) = 0 |
Kaonlar mezonların kısa yaşayanlarıdır hızlıca bozunan parçacıklardır. Normal olarak, parçacıklar ve karşıt parçacıklar benzer yolla bozunurlar. Aşağıda nötron ve karşıt nötronun bozunması örneği vardır.
n —> p+ + e– + ne
(n) —> p– + e+ + (ne)
Bu bozunmada her bir diğerinin imgeleri yansır. Kaonlar tanımsızdırlar, madde ve karşıt madde formlarında ara sıra farklı modlar hafifçe bozunurlar. Buna eşitlik denilen özelliklerin bozulması gibi bakılır. Bu eşitliğin korunmasının bozulması evrenin madde ve karşıt maddenin %50-%50 oluştuğunu açıklayamaz. Evrendeki karışmış madde uzun bir zaman sonra madde ve karşıt maddenin her biri diğerini yok etmesi gibi yok etmeyecek.
Kuvvetler
Leptonlar ve Baryonlara Fermiyonlar gibi düşünülür. Parçacıkların spin denen özellikleri vardır. Fermionların spinleri kesirli sayılarasahiptir 1/2,3/2 gibi. Çünkü Fermionlar Pauli Dışlama Ilkesine uymaktadırlar. Böyle iki fermiyonu aynı enerji seviyesinde tutamayız.
Mezonlar parçacığın başka türüdür. Bunlara bozonlar denilir. Bozonlar tam spinlere sahipler 0,1,2 gibi. Bozonlar Pauli Dışlama İlkesi’ne uymazlar. En iyi bilinen bozon kütlesiz fotondur, ışığın kuantasıdır.
Bozonlar kuvvet taşıyıcıları olarak bilinirler. İki parçacık arasındaki etkileşim bir bozon değiş tokuşundan başka bir şey değildir. Foton elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısıdır. Üç bozon (W+, W– ve Z0) zayıf nükleer kuvvetin taşıyıcısıdır. Beta bozunumunda sorumlu kuvvettir.
Çeşitli gluonlar güçlü nükleer kuvvetin taşıyıcısıdır. Bazı insanlar gravitasyonel kuvvetlerin taşıyıcısı olarak gravitonların var olduğunu düşünüyorlar.
Doğanın kuvvetleri ve tüm atom altı parçacıkların özelliklerini tahmin eden ve göreliliği (özellikle çekimsel görelilik) bağlamayı deneyen yeni teoriler şekillendi: süpersicimler, twisterlar ve M teorisi.
Atom Altı Parçacıkların Tarihi
- 1897 yılında J.J.Thomson elektronları keşfetti.
- 1905 yılında Albert Einstein termodinamikte kara cisim ışıması probleminin çözümünde Max Planck tarafından postula edilen fotonların fiziksel bir gerçek olduğunu ispat etti.
- 1907 yılında Ernest Rutherford altın flöre ya da Rutherford deneyi şeklinde bilinen deneyde başlıca boş uzaydaki atomu kapsayan daha küçük atom çekirdeğini keşfetti. (Atomların özellikleri onların elektronik yapı terimleri kuantum teorisi açıklamış.
- Hidrojenin çekirdeğindeki gibi proton da çok geçmeden saptandı.
- Rutherford tarafından postula edilen nötron 1932 yılında James Chadwick tarafından keşfedildi.
- 1931 yılında Wolfgang Pauli (aynı zamanda Enrico Fermi) tarafından postula edilen nötrinolar, nötronların beta bozunumları (zayıf nükleer kuvvet) sırasında üretilerek 1956 yılında keşfedildiler.
- 1935 yılında Hideki Yukawa tarafından çekirdeği bağlayan güçlü kuvvet taşıyıcıları olarak postula edilen pionlar, 1936 yılında keşfedilmişlerdir.
- 1936 yılında ise Carl D.Anderson tarafından muon parçacığı keşfedildi ve ilk olarak pion sanılmıştı.
- 1950 yılında ilk kez kaonlar kozmik ışınlarda keşfedildiler.
1950’li yıllarda yeni parçacık hızlandırıcıların ve parçacık dedektörlerin gelişmesi kocaman bir hadron çeşitliliğine sürükledi bilim insanlarını. Hadronların sınıflandırılmasıyla kurulan kuark modeli ile1961 yılında modern fiziğin altın çağı başladı. 1970 yılında ise standart model geliştirildi. 1980’lerde güçsüz ayar bozonu keşfedildi, 1990’lı yıllarda onların özellikleri doğrulanarak parçacık fiziği hak ettiği önemi kazanmaya başlamıştır. Standart model parçacıkları arasındaki Higgs bozonun varlığının doğrulanmasına ramak kaldı – CERN’de Büyük Hadron Çarpıştırıcısı denilen hızlandırıcı da gözlenilmesi bekleniyor. Şimdilik bilinen tüm parçacıklar Standart Model’e uygunluk gösteriyorlar özellikleri bakımından…
Hazırlayan: Gökhan Atmaca /
Twitter: twitter.com/kuarkatmaca
Instagram: instagram.com/anadoluca Tarih: 29.07.08
Kuark Bilim Topluluğu
Okumak için önerimiz: Parçacık Fiziği Araştırma Merkezleri | KBT Bilim
Kaynaklar:
- http://www.krysstal.com/subatomic.html
- http://en.wikipedia.org/wiki/Subatomic_particle
- *Manşetteki görselin kaynağı