Kuantum Fiziğine Giriş 3

Evreni birarada tutan kuvvetler nelerdir? Mahşerin dört atlısı.
Bildiğimiz ve sevdiğimiz evren, temel parçacıkların girişimi (interaksiyon) ile varolur. Bu girişimler, çekici (attractive), itici (repulsive), çözünme (decay) ve yokolma (annihilation) şeklindedir.
Parçacıklar arasında dört temel girişim vardır ve dünyadaki her güç bu dört temel girişim sayesinde oluşur. Evet, düşünebildiğiniz her güç, sürtünme, yerçekimi, nükleer çözünme vs. bu dört temel girişimden kaynaklanır.
Temel girişim ve kuvvet arasında ne fark vardır?
Bunun tanımı biraz zor. Ama dar anlamda güç, bir parçacık üzerinde diğer parçacıkların varlığından kaynaklanan etki olarak düşünülebilir. Bir parçacığın girişimi ise kendisini etkileyen tüm güçleri içerir ve aynı zamanda çözünme, yokolma gibi serüvenleri de hesaba katar. (Bir sonraki bölümde çözünme ve yokolma daha etraflı incelenecektir).
Birçok insanın ve hatta teorik fizikçilerin bile kuvvet ve girişimi aynı anlamda kullanmaları kafa karıştırıyor gibi görülsede girişim genel olarak amaca uygundur. Örneğin, girişime sebep olan parçacıklara ‘güç taşıyıcı parçacıklar’ demek yanlış olmaz ama fark gözardı edilmemelidir.
Madde nasıl girişim yapar?
Teorik fizikçilerin yıllardır kafasını karıştıran soru?..
Maddenin parçacıkları nasıl girişim yapar.?
Problem, parçacıkların birbirine değmeden girişimleri!. İki manyetik çubuk nasl birbirlerini hissediyor, etkileniyor ve tip çekiyorlar!.güneş nasıl dünyayı çekiyor? Bu sorulara cevabın manyetizma ve yer çekimi olduğunu biliyoruz, ama, nedir bu güçler? Temel seviyede parçacıkları etkileyen sadece güç değil aynı zamanda parçacıkların içinden geçen birşey.
Görülmeyen etki
Aşağıdaki durumu gücün bir benzeri olarak düşünebiliriz. İki kişi (basketbol oyuncuları) buz üzerinde duruyor, ayaklarında sürtünme yok. Biri diğerine görülmeyen birşey (basketbol topu) atıyor ve kendisi geriye doğru kayıyor. Görülmeyen şeyi tutan diğeride geriye doğru kayıyor. Yani basketbol topu güç taşıyıcı olarak ikisi üzerinde etki yapıyor.
Anlaşılan odur ki maddeyi etkileyen tüm girişimler ‘güç taşıyıcı parçacıklar’ın alış verişinden kaynaklanıyor. Basketbol topu gibi bu parçacıklar madde parçacıkları (basketbol oyuncuları) üzerinde etki yapıyor. Basketbol analojisi, şüphesiz, sadece itici güçleri açıklayan ama çekici güçler halinde parçacıklara ne olacağı konusunda fikir vermeyen kaba bir örnek.
Güç taşıyıcılar için bilinmesi gereken önemli bir kavram, herhangi bir güç taşıyıcısı sadece etkilendiği güç alanı tarafından absorbe edilir yada başka bir parçacığa dönüştürülebilir. Örneğin, elektron ve protonların elektrik yükü vardır dolayısıyla sadece elektromagnetik alanda güç taşıyıcıları (foton) absorbe edebilirler yada üretebililer. Öte yanda nötrinoların elektrik yükü yoktur ve fotonları ne üretebilir ne de absorbe edebililer.
Electromanyetizma
Elektromagnetik güç aynı türden yükleri iterken ayrı yükleri çeker. Günlük hayatımızda sürtünme, magnetizma gibi güçler elektromanyetik alandan kaynaklanır.
Elektro manyetik gücün taşıyıcı parçacıkları foton’lardır ( ). Enerjileri farklı olan fotonlar x-ışınları, görülen ışık, radyo dalgaları vs..geniş bir spektrum oluşturur.
Fotonların kütlesi bilindiği kadarıyla sıfırdır ve her zaman ışık hızı ile hareket ederler (300.000 Km/sn) ama momentum vardır.
Elektromanyetik güç atomları molekül oluştumak üzere birbirine bağlayan güçtür. Dünyadaki bütün yapılar proton ve elektronun zıt yükleri olmasından biraradadırlar.
Peki Çekirdeğe bakalım?
Atom ile bir başka problemimiz var! Çekirdeği bir arada tutan güç nedir? Atom çekirdeği birçok birbiri ile kucaklaşan proton ve nötrondan oluşur. Nötronlar yüksüz olduğuna göre, pozitif yüklü protonlar birbirlerini itecek yerde nasıl bir arada durabiliyor? Neden çekirdekten itilip kaçmıyorlar? Biliyoruz ki + ve – yükler birbirini çeker, aynı yüklü olanlar birbirini iter!.
Çekirdeğin birarada durmasını elektromanyetik güç ile açıklayamayız. Başka ne olabilir? Yerçekimi? Hayır..Yerçekimi elektromanyetik güç yanında çok cılız kalır.
Öyleyse bu çıkmazı nasıl açıklayabiliriz?
Güçlü nükleer kuvvetler
Çekirdek içinde ne olduğunu anlamamız için, proton ve nötronları oluşturan “quark”ları daha iyi tanımamız gerekir. “Quark”ların elektromanyetik yükleri yanısıra daha farklı olan renk yükleri de vardır. Renk yüklü parçacıklar arasında çekim çok güçlüdür. Bu güç, güçlü nükleer kuvvet olarak bilinir.
Güçlü nükleer kuvvet “quark”ları birarada tutarak Hadron’ları oluşturur ve bu kuvveti taşıyan parçacıklar ‘Gluon’ olarak adlandırılır.
Renk yükü elektromanyetik yüklerden farklıdır. Gluonların renk yükü olmasına rağmen elektromanyetik yükü olan fotonlar gibi değildir. Quarkların da tek başına renk yükleri vardır ama hadron olarak biraraya geldiklerinde (ki her zaman böyledir) renk yükleri nötr’dür. Bu sebeple, güçlü nükleer kuvvet quark girişimlerinde düşük seviyelerde katılır ve günlük hayatımızda biz bu güçlerin farkında olmayız.
Color Charge
Elektromanyetik girişimlerde- foton alışverişi- olduğu gibi quark ve gluon renk yüklü parçacıklardır ve güçlü nükleer kuvvet girişimlerinde renk yüklü parçacıklar “gluon” alışverişi yaparlar. İki quark birbirine yakınlaşınca “gluon” değişimi yaparak birbirlerine bağlanırlar. “Quark”lar birbirinden açıldıkça aralarında çekim gücü (color force field) artar.” Quark”lar sürekli olarak aralarında “gluon” mübadelesi ile renk yüklerini değiştirirler.
Renk yükü nasıl işler?
Üç renk yükü ve bu yükleri tamamlayan (complementary colors) üç anti-renk yükü vardır. Herbir “quark” üç ayrı renk yükünden birine sahiptir ve her anti-quark üç ayrı anti-renk yüküne sahiptir.
Renk korunumu göz önüne alındığında, “gluon”ların emisyonu ve yutulması ile renk değişimi olduğuna göre, “gluon”lar renk ve anti-renk taşıyıcılarıdırlar. Renk-anti-renk kombinasyonları dokuz adet olduğuna gore, dokuz farklı” gluon” olduğu düşünülebilir. Ama, matemetik sadece sekiz farklı gluon olduğunu gösteriyor. Maalesef, bu sonucun hiçbir makul açıklaması yok.
Quark Hapsedilmesi (Confinement)
Renk yükü parçacıklar hiçbir zaman tek olarak görülmezler. Yani, renk yükü olan quarklar grup halinde (hadron) varlıklarını sürdürebilirler ve hadronların renk yükü nötr’dür. Hadronlar, baryon adı altında üç quark, mezon adı altında bir quark ve bir anti-quark şeklinde var olurlar.
Renk yükü alanı
Bir hadron içindeki quarklar delicesine gluon alışverişi yaparlar. Bu yüzden teorik fizikçiler, renk yükü alanını, gluonların bir dizi quarkı bir arada tuttukları
Eğer hadronun bir quarkı çevresinden uzaklaşırsa, renk yükü alanı gerilir ve quarkların daha güçlü olarak geri çekilmesine yol açar. Ancak, aşırı bir gerilmede renk yükü alanı enerji olarak daha verimli olan quark-anti-quark çiftine dönüşüm de sağlayabilir. Böylece, renk yükü alanının enerjisi yeni quark oluşmasına yol açarken kendi üzerindeki gerilimi atarak enerjinin korunumunu da sağlanmış olur.
Quarklar, birbirinden uzaklaştıkça renk yükü alanı artan çekim oluşturduğundan tek başlarına var olamazlar.
Quarklar Gluon saçar
Renk yükü her zaman korunur.
Quark, bir gluon saçar yada yutarsa, renk yükünün korunumu için rengi değişir. Örneğin, kırmızı quark mavi quarka dönüşürse kırmızı/anti-mavi bir gluon saçar.
Hadron içindeki quarklar sürekli olarak gluon saçıp yuttukları için tek bir quarkın rengini gözlemek mümkün değildir. Ancak, iki quarkın gluon alışverişi ile renk değiştirmesi hadron için her zaman net renk yükü sonuçlandırma şeklindedir.
Residual Güçlü Nükleer Kuvvetler
Quarkların renk yükü taşıması ile güçlü nükleer kuvvetlerin quarkları birarada tuttuğunu biliyoruz. Ama bu bile çekirdeğin birarada nasıl tutulduğunu açıklamıyor. Zira, çekirdek içinde pozitif elektrik yüklü protonlar, elektromanyetik etki ile birbirini iter ve proton ve nötron net renk yükü taşır.
Öyleyse, çekirdeği bir arada tutan güç nedir?
Kısaca, güçlü nükleer kuvvetler isimden de anlaşılacağı gibi çekirdek içinde elektromanyetik güçlerden daha güçlüdür. Yani, protonlar içindeki quarkları bir arada tutan güçlü nükleer kuvvetler itici electromanyetik kuvetlerden daha güçlüdür (residual güçlü nükleer kuvvet) ve çekirdek bir arada kalır.
Zayıf Nükleer Kuvvetler
Altı çeşit quark ve altı çeşit lepton varlığından bahsetmiştik. Ama evrendeki tüm dengeli (stabil) maddelerin iki adet kütleli (yukarı ve aşağı) quarklar, en düşük yüklü lepton (elektron) ve nötrino’lardan oluştuğunu görüyoruz.
Zayıf nükleer kuvvetler, kütlesi yüksek olan quark ve leptonları daha hafif quark ve leptonlara dönüştürürler. Temel parçacıkların çözünmesi oldukça tuhaftır. Önce parçacığın yok olup yerine daha küçük iki yada daha fazla parçacığın ortaya çıktığını gözleriz. Ama kütle ve enerji korunması geçerlidir. Kütleli parçacığın bir kısmı enerjiye dönüşürken ardında daha küçük yeni parçacıkları oluşturur. Etrafımızdaki maddeleri oluşturan en küçük quark ve leptonlar son derece stabil olduğundan daha küçük parçacıklara çözünmezler.
Bir quark yada lepton değiştiğinde (örneğin, muon’un elektrona dönüşmesi) flavor. değişimi olarak bilinir. Tüm flavor değişimleri zayıf nükleer kuvvetler ile tetiklenir.
Zayıf nükleer kuvvetlerin taşıyıcı parçacıkları W+, W-, ve Z parçacıklarıdır. W’lar elektrik yüklü ama Z nötrdür.
‘Elektroweak’ teori, elektromanyetik ve zayıf nükleer güçleri birarada ifade edebilmek üzere geliştirilmiş ve kanıtlanmış bir teoridir..
Electroweak
Teorik fizikçiler uzun süre zayıf nükleer kuvvetlerin elektromanyetik güçlerle yakın ilişkisi olduğunu düşünmüşlerdir.
Nihayet, çok küçük aralıklarda (10-18 metre) bu iki gücün kıyaslanabileceğini anladılar. Öte yanda, örneğin 30 kat mesafede (3×10-17 m) zayıf nükleer kuvvetler elektromanyetik kuvvetlerin 10.000 de birine azalıyor. Bir proton yada nötron içindeki quarkların 10-15 m aralıkları düşünülürse bu kuvvetler daha da cılızlaşır. Sonunda teorik fizikçiler zayıf nükleer kuvvetlerle elektromanyetik kuvvetlerin aynı yada yakın güçlerde olduğuna karar verdiler. Zira, girişimler hem taşıyıcıların kütlesine hemde hemde mesafeye bağlıdır. Güçler arasındaki fark, W ve Z güç taşıyıcılarının foton’dan çok daha kütleli olmasından kaynaklanıyor.
Yerçekimi
Yerçekimi nedir?
Yerçekimi biraz tuhaf. Kesinlikle temel güçlerden bir tanesi. Ama ‘Standart Model’ açıklayamıyor. Bugün fizik biliminin açıklayamadığı kavramlardan biri. Alanı, denklemi yok ve taşıyıcı parçacığı (graviton) varsayılıyor. Neyseki, diğer kuvvetlerle karşılaştırıldığında etkisi çok az ve standart model, yerçekimi denklemlerini ihmal etmesine rağmen oldukça güvenilir sonuçlar verebiliyor.
SORU/CEVAP
Gezegenlerin kendi eksenlerinde dönmeleri hangi kuvvetledir?
Cevap
Gravitasyon (kütle çekimi). Gezegenler kendi eksenleri etrafında güneş çekimi ile dönerler. Kütle çekimi zayıf bir kuvvet olmakla birlikte dünyaya etkileri son derece önemlidir.
Nötrinoyu etkileyen kuvvet hangisidir?
Cevap
Zayıf nükleer kuvvetler ve gravite
Hangi kuvvetin taşıyıcısı aşırı yüklüdür?
Cevap
Zayıf nükleer Kuvvet (W+, W-, and Z)
Sizin protonlarınıza hangi kuvvetler etkilidir?
Cevap
Hepsi.
Hangi taşıyıcılar ayrıştırılamaz? Neden?
Cevap
Gluonlar, zira renk yükünü kendileri taşır.
Hangi taşıyıcı gözlenememiştir.?
Cevap
Gravitonlar. (Gluonlar indirek olarak gözlendi)