Kuarklar ve leptonlar maddenin yapıtaşlarını oluşturmaktadır. Mevcut Standart Modelde 6 farklı çeşni kuark türü (bunlar yukarı, aşağı, üst, alt, tılsım, acayip şeklinde isimlendirilir) bulunmaktadır. Standart Model bize bilinen tüm mezon ve baryonları başarılı bir şekilde açıklayabiliyor – hesaplananlara göre 200’ün üzerinde parçacık var.
Kuarkların bir araya gelmesiyle hadronlar (bileşik parçacıklar) oluşur ve kuarklarla yapılan bilinen en kararlı olan bileşenler çekirdekte bulunan proton ve nötronlardır. Kuarkların sadece iki kuark (mezonları), üç kuark (baryonları) kombinasyonlarını meydana getirdiği görülmektedir. Son zamanlarda beş kuarktan (pentakuark) oluşan parçacıkların olduğu iddia edilse de bu görüşü destekleyen herhangi bir kanıt ortaya çıkarılamadı.
Yukarıdaki tabloda kütle değerlerini görüyor olabilirsiniz ama bu değerler gerçekten ciddiye alınmamalıdır. Çünkü kuarkların her birinin kendi kütlesini doğrudan ölçmek onları birbirlerinden ayrı olarak yakalayamadığımız için pek mümkün olmamaktadır. Buna kuark hapsi ya da renk hapsi denildiğini duyarsınız. Bu yukarıdaki değerler elbette ki havadan gelmedi. Bu değerlerin bulunma şekli dolaylı yoldan, saçılma deneyleri ile sağlanmıştır. Yukarı ve aşağı kuarklar protonu oluşturan parçacıklardır ve kuark modelinde proton üç kuarktan oluştuğu için bu parçacıkların kütlesi protonun kütlesinin 3’te 1’i kadar olabilirler. Literatürde bu parçacıkların kütlelerine dair farklı modeller dolayısıyla farklı kütle değerleri mevcuttur.
Kuarkların altı “çeşni”sinin her biri üç farklı “renk”e sahip olabilir. Kuark kuvvetleri üç kuarkın (baryonlar) sadece “renksiz” kombinasyonlarında çekicidir. Ayrıca kuark-antikuark çiftleri (mezonlar) ve olası pentakuark gibi daha büyük kombinasyonlar da renksizdir. Kuarklar W bozonlarının değiş-tokuşu ile dönüşümlere uğramak zorunda kalabilirler ve bu tür dönüşümler zayıf etkileşimle hadronların bozunma doğasını ve oranını belirlemektedir.
Kuark modeli 1964’te Murray Gell Mann ve George Zweig tarafından birbirlerinden bağımsız olarak ortaya atıldı. Gell Mann parçacıkların sınıflandırılmasında yaptığı çalışmalarla 1969 yılı Nobel Fizik Ödülü’nü aldı.
Kuarklar elektrik yükü, renk yükü, spin ve kütle gibi çeşitli içkin özelliklere sahiptir. Kuarklar parçacık fiziğinin Standart Model’inde dört temel kuvvetin (elektromanyetizma, gravitasyon, güçlü etkileşim, zayıf etkileşim) tümüyle de etkileşen ve ayrıca elektrik yükü temel yükün tamsayı katı olmayan tek temel tanecik ailesidir. Her kuark çeşnisi için ona karşılık gelen bir tane de antiparçacık bulunur. Antikuark denilen bu parçacık kuarktan, sadece bazı özelliklerinin aynı büyüklükte fakat ters işaretli olması ile ayrılır [2].
Neden “Kuark”?
Kuark ismi James Joyce’ın “Finnegan’s Wake” isimli kitabından esinlenerek Murray Gell-Mann tarafından verilmiştir bu parçacıklara. Bu fantastik kitapta “Muster Mark için üç kuark…” şeklinde olan bir cümlede kuark ifadesi geçiyordu.
Yukarı ve Aşağı Kuarklar
Tüm kuarkların en hafifleridir. Yukarı kuark (+2/3)e yüküne, aşağı kuark ise (-1/3)e yüküne sahiptir. Sıradan maddenin çoğunu oluşturan proton ve nötronları meydana getirirler.
Serbest nötronun bozunma süreci;
Beta bozunması ve çekirdek bozunması sürecinde;
Temel kuark süreci de
Acayip Kuark
1947 yılında kozmik ışın etkileşimleri ile ilgili bir çalışma sırasında, bir çekirdek ile protonun çarpışması sonucunda oluşan ürünün süresi beklenenden daha uzun bir süre yaşam ömrüne sahip olduğu bulundu. 10-23 saniye yerine 10-10 saniye! Bu parçacık lambda parçacığı (Λ0) olarak adlandırılmıştı. Yaşam ömrünün beklenenden uzun olması sebebiyle ”gariplik, acayip” kuark olarak bu lambda parçacığını oluşturan kuarklardan biri adlandırılmış olundu. Bu lambda parçacığı bir baryondur ve bir yukarı, bir aşağı ve bir acayip kuarktan oluşur.
Lambda parçacığının daha kısa bir ömre sahip olması güçlü etkileşimden dolayı bekleniyordu. Çünkü bir baryonun katıldığı güçlü etkileşimler çok kısa yaşam ömürlerine yol açar genellikle. Bu gözlenen uzun yaşam ömür ise “acayipliğin korunumu” adı verilen yeni bir korunum yasasına yol açmış oldu.
Bir parçacıkta bir acayip kuarkın var olması S=-1 gibi bir kuantum sayısı ile gösterilir. Güçlü veya elektromanyetik etkileşmeler ile bozunan parçacıkta acayiplik kuantum sayısı korunmuş olur. Lambda parçacığın bozunma süreci bu kuralı ihlal ediyordu, çünkü acayip bir kuarkı içeren daha hafif bir parçacık yoktu. Yani acayip kuark bu süreçte başka bir kuarka dönüştürülmeliydi. Bu sadece zayıf etkileşme ile oluşabilirdi ki daha uzun bir yaşam ömrü olsundu. Bozunma süreçleri acayipliğin korunmadığını gösteriyor:
Kuark dönüşümleri Feynmann diyagramlarının yardımıyla bu tür bozunma süreçlerinin üstesinden gelmektedir.
Tılsım Kuark
1974 yılında J/Psi parçacığı olarak adlandırılan bir mezon keşfedilmişti. Kütlesi 3100 MeV idi ve protonun kütlesinden üç kat daha büyüktü. Bu parçacık başka bir kuark türünün yani tılsım kuarkın ilk örneği idi. J/Psi bir tılsım-antitılsım kuark çiftinden oluşmaktadır. Standart Modelde +(2/3)e elektrik yüküne sahiptir.
Bir tılsım kuarkı içeren en hafif mezon D mezonudur. Bu tılsım kuarkın zayıf etkileşimle bir bozunma yoluyla acayip kuarka dönüştüğünü gösteren ilginç örnekler sunmuştur.
Bir kuark ve bir baryon bileşiminin sembolü Λ+c şeklinde ifade edilir. Bu bileşim udc ve kütlesi 2281 MeV/c2.
Üst Kuark
1995 yılında Fermilab’ın Tevatron tesisi tarafından gözlemlendiği rapor edildi. Standart Modelde (+2/3e) elektrik yüküne sahip üçüncü kuşak bir kuarktır (171,2 GeV/c2). 1.8 TeV proton-anti proton çarpışmaları sonucunda oluşan trilyonlarca bulgunun analiz edilmesiyle çalışmalar tamamlandıktan sonra, birleştirilen verilerden üst kuark kütlesi için değerin 174.3 +/- 5.1 GeV olduğu saptandı.
Renk Hapsi
Renk yükü olan parçacıkların izole bir şekilde bulunamayacağı ifade eden bir fiziksel olaydır. Doğada sadece renkçe nötr (renksiz) parçacıklar veya mezonlar ve baryonlar sayesinde doğrudan gözlemlenebilir.Bu parçacıkları oluşturan kuarkların renk yükleri birbirini nötrleyerek sıfır renk yükünü oluştururlar. Kuarklar her zaman hadron hapislerindedirler. Bundan dolayı kuarklar asla yalnız bir şekilde bulunmazlar.Onlar sadece hadronlar dahilinde bulunabilirler. Kuark ile antikuark birbirine ne kadar yakınsa o ölçüde serbest parçacık gibi davranırlar (asimptotik özgürlük), bunun yanı sıra aradaki mesafe arttıkça diğer kuvvetlerin aksine renk kuvveti güçlenir (çanta modeli).
Alt Kuark
Standart Modelde elektrik yükü (-1/3e) olan ikinci hafif kuarktır. 1977 yılında Leon Lederman liderliğindeki Fermilab’daki deney grubu tarafından 9,4 GeV /c2 değerinde yeni bir rezonans keşfedilmişti. Bu rezonans bir alt kuark ve bir anti alt kuark çifti olarak yorumlandı ve upsilon mezon olarak adlandırılmıştı. Bu deneyden, alt kuarkın kütlesinin yaklaşık 5 GeV/c2 olabileceği öngörülmüştür. İncelenen reaksiyon aşağıdaki gibidir:
N burada bakır veya platinin çekirdeğidir. Bu rezonans başka hızlandırıcılarda çalışılarak alt-antialt mezonun bağlı durumlarının detaylı incelenmesiyle sonuçlanmıştır.
Sema Nur Yıldırım
Gaziantep Üniversitesi Fizik Mühendisliği Bölümü
Kuark Bilim Topluluğu Popüler Bilim Yayın Grubu
Kaynaklar:
