Parçacık fiziğinde, kuark modeli hadronların kuark atom altı parçacıkları ile sınıflandırma şemasıdır. Kuarklar ve antikuarklar hadronların kuantum sayılarını belirler. Kuark modeli 1950’lerde başlayan 1960’lı yıllara kadar devam eden çok sayıda hafif hadronun keşfini başarılı bir şekilde sınıflandırmıştır. 1964 yılında bu model fizikçi Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından birbirlerinden bağımsız olarak öne sürülmüştür. Kuark modelinin deneysel onaylanması 1960’lı yılların sonunda gerçekleşmiştir. Bugün bu model Standart Model dahilinde güçlü ve elektrozayıf parçacık etkileşimlerinin kuantum alan teorisinin önemli bir bileşeni olmuştur.
Hadronlar bölünemeyen temel atom altı parçacıklar değildir ve kuarklar ve antikuarklara bağlı olarak ele alınırlar. Tüm kuarklar bir baryon numarasına (1/3) sahiptir. Yukarı (u), tılsım (c) ve üst (t) kuarklar +2/3 elektrik yüküne sahip iken aşağı (d), acayip (s) ve alt (b) kuarklar -1/3 elektrik yüküne sahiptirler. Antikuarklar zıt kuantum sayılarına sahiptir. Kuarklar spini -1/2 olan parçacıklardır. Yani fermiyonlardandır. Her bir kuark veya antikuark Gell-Mann-Nishijima formülüne ayrı ayrı uyarlar. Bu konumuz dışındadır.
Hadronlar genellikle leptonlardan daha büyük kütleye sahiptirler. Hadronlar proton ve nötronlar gibi biraz daha kütleli olan baryonlar ve biraz daha az kütleli olan pion ve kaon gibi mezonlara ayrılırlar. Mezonlar kuark-antikuark çiftlerinden oluşurlar ki böyle baryon sayıları sıfır olur. Baryonlar üç kuarktan oluştukları için baryon sayıları 1’dir.
Güçlü nükleer kuvvet ile etkileşmeyen leptonların aksine hadronlar tüm dört demel kuvvet ile etkileşirler.
Nükleonlardan saçılan elektronlarla ilgili deneyler nötronlar ve protonların bölünmeyen temel parçacıklar olmadıklarını ortaya koydu. Sonradan anlaşıldı ki bu parçacıklar daha küçük olan kuark parçacıklarından oluşuyordu:
- Baryonlar 3 kuarktan oluşur. Örneğin,
Baryon kuark bileşimi yük/e
nötron udd +2/3 – 1/3 – 1/3 = 0
proton uud +2/3 + 2/3 – 1/3 = 1
- Mezonlar kuark-antikuark çiftlerinden oluşurlar. Örneğin,
Mezon kuark bileşimi yük/e
pion
Kuarklar elektrik yükünün yanı sıra renk ismi verilen başka bir özelliğe de sahiptir. Elektrik yükü elektromanyetik etkileşmelerden kaynaklanırken, renk güçlü etkileşmelerden kaynaklanır. Bundan dolayı renk kuvveti “güçlü yük” olarak da adlandırılıyor. Kuarklar kırmızı, yeşil ve mavi olarak adlandırılan üç farklı renk durumuna sahiptirler. Bir proton ya da nötron üç farklı renkteki kuarktan oluşur. Kırmızı, yeşil ve mavi eşit miktarlarda olduğu için beyazla sonuçlanır, dolayısıyla nötronlar ve protonların “bu yük açısından beyaz renkte” olduğu söylenir. Gerçekte, güçlü etkileşmeler teorisine göre, sadece beyaz cisimler/parçacıklar izole olarak var olabilirler. Kuarklar gibi renkli parçacıklar bu beyaz parçacıkların sadece bileşenleri olarak var olabilirler. Bu özellik de renk hapsi olarak adlandırılır. Bir proton veya nötron oluşturmak için kuarkların hapsolduğu alan bir kristal topa benzetilebilir. Buna da genellikle çanta modeli denir.
Kuarklar arasındaki kuvvet renk kuvveti olarak adlandırılır. Kuarklar baryonları yaptığı ve güçlü etkileşme baryonlar arasında oluştuğu için, renk kuvvetinin de güçlü etkileşmelerden kaynaklandığını söyleyebiliriz. Ancak bir baryon içinde, renk kuvveti nükleonlar arasındaki güçlü etkileşmede görülmeyen bazı sıra dışı özelliklere sahiptir. Renk kuvveti uzaklıkla azalmaz ve renk hapsi yani kuarkların sınırlanmasından sorumludur. Renk kuvveti gluon değiş-tokuşunu içerir ve kuark-antikuark çift üretim enerjisine kuarklar ayrılmadan önce ulaşıldığında çok güçlüdür. Renk kuvvetinin başka özelliği kısa mesafelerde daha az kuvvet uyguluyor gibi görünür ve renk hapsi sınırları içinde kuarklar serbest parçacıklar gibidirler. Buna asimptotik özgürlük de denir.
Renk Hapsi
Görünüşe göre renk kuvveti diğer gözlemlenen kuvvetler gibi uzaklıkla azalmıyor. Bu durumda fermi (10-15 metre) başına yaklaşık 1 GeV oranında uzaklıkla arttığı söylenebilir. Ayrılma zamanı gözlemlenebilir bir ölçek üzerinde olmadığı için tek başına serbest bir kuark gözlemlenmiş değil. Üstelik buradaki enerji kuark-antikuark çiftleri için olan çift üretim enerjisinin de çok üzerindedir. Yukarı ve aşağı kuarkların kütleleri toplamı 5-6 MeV kadardır yani çift üretimi bir fermiden çok daha az uzaklıklarda oluşacaktır. Çok yüksek enerjili çarpışma deneylerinde çok sayıda kuark-antikuark çiftini yani mezonu gözlemlemeyi bekleyebilirsiniz.
Temel olarak, renk kuvveti nedeniyle izole tek başına bir kuark göremeyiz ve onları ayırmak için gereken enerji kuark-antikuark çiftleri üretir. Henüz daha onları gözlemlemek için birbirlerinden yeterince uzaklaşmamışken…
Çanta modeli bunu görsel olarak daha iyi anlamamızı sağlıyor. Kuarkların serbestçe dolaşmalarına izin veren bir elastik çantada hapsedildiklerini düşünelim, birbirlerinden ayıramayız onları. Eğer içlerinden bir kuarkı çıkarmaya kalkarsak, çanta uzayacak ve buna direnecektir (aşağıdaki görselde olduğu gibi). Aslında buna poşet modeli demek daha doğru olabilir 🙂
Bu mıknatıslara da benziyor aslında. Bir mıknatısı ikiye böldüğünüzde tek kutup kalmaz, yine N ve S kutuplarının olduğunu görürsünüz. Buna benzer bir şekilde bir protondan ya da nötrondan tek bir kuarkı elde etmek pek kolay değil. İçinden çıkarmaya çalıştığımız kuark çeşnisi hemen karşıt parçacığı ile birleşip mezonlar meydana geliyor.
Bilim insanları kuark atom altı parçacıklarını izole bir şekilde gözlemlemenin yolunu aramaya devam ediyorlar.
Gökhan Atmaca, MSc.
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
Kaynaklar:
- http://en.wikipedia.org/wiki/Quark_model
- http://www.s-cool.co.uk/a-level/physics/particle-classification-and-interactions/revise-it/the-quark-model-of-hadrons
- http://www.if.ufrgs.br/~betz/pic_bk_subat/protonframe.htm
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/quark.html#c6
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/qbag.html#c1
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/color.html#c1
- http://www.kuark.org/2014/11/kuark-parcacigi-ve-cesitleri/
