Standart Model ve Atom Altı Parçacıklar

            Bir elementin, bütün özellikleri taşıyan en küçük yapı taşını atom olarak adlandırıyoruz. Atom ise oluşumuna katkı sağlayan daha küçük parçacıkları barındırır bünyesinde: elektron, proton ve nötron. Peki, bu parçacıkların da oluştuğu daha temel parçacıklar var mıdır?

            Tam da bu sırada standart modelden bahsetmekte fayda var. Standart modele göre evrende temel parçacık olarak 6 çeşit kuark ve karşıt parçacıkları, 6 çeşit lepton ve karşıt parçacıkları, foton, 8 çeşit gluon ve 3 çeşit vektör bozonu vardır. Bu parçacıkların nasıl bir araya geldiklerini, birbirleriyle nasıl etkileştiklerini de 3 kuvvet ile açıklayabilmektedir: şiddetli kuvvet, elektromanyetik kuvvet ve zayıf kuvvet.

Temel Parçacıklar

            Kuarklar ve leptonlar, kuvvet taşıyıcı parçacıklar olan bozonlarla etkileşime girerek, evrendeki görünür maddeleri şekillendiriyor. Bu parçacıklar standart modelde temel madde kabul edilip başka alt parçacıkları yoktur.

            Altı çeşit olan kuarklar; yukarı (u) ve aşağı (d), tılsım (c ) ve garip (s) , üst (t) ve alt (b) kuark ikililerinden oluşuyorlar. Bunları karşıtları ise “yukarı karşıt” şeklinde adlandırılıyor.

            Standart modele göre ise kuarklar, proton ve nötronların temel parçacıklarıdır. Proton 2 yukarı kuark (yükü=2/3) ve bir aşağı kuarktan (yükü=-1/3) oluşur. Bu nedenle protonun yükü de 2.2/3-1/3= +1’dir. Nötron ise 1 yukarı kuark ve 2 aşağı kuarktan oluştuğu için de yükü 2/3-2/3= 0’dır.

            Leptonlarda temel parçacıklardan birisidir. İki gruba ayrılır. Elektronun da bulunduğu ilk 3’lü grubun diğer iki üyesi muon ve tau parçacıklarıdır. Diğer 3’lü grup ise nötr leptonlar yani nötrinolardır. Toplamda 6 tane olan leptonların bir de karşıtları bulunmaktadır.

            Kuarklar ve leptonlar, kütleleri bakımından üç sınıfa ayrılmaktadır. Yükleri ise +2/3, -1/3, 0 veya -1 olabiliyor. Bu yüklere sahip parçacıklar olası dört farklı bir yük bir araya getirilince üç grup elde edilir. Bu gruplar;

I. Yukarı kuark (+2/3), aşağı kuark (-1/3), elektron nötrinosu (0) ve elektron (-1).
II. Tılsım kuark (+2/3), garip kuark (-1/3), muon nötrinosu (0) ve muon (-1).
III. Üst kuark (+2/3), alt kuark (-1/3), tau nötrinosu (0) ve tau (-1).

             Bu üç gruba “parçacık nesiller” denilmektedir. Bu nesillerin en hafifi olan 1.neslin üyeleri ise evrendeki görünür maddeleri oluşturuyor. Çünkü diğer nesil parçacıkları, oluştukları takdirde hızla bozunarak, bir alt neslin parçacıklarına dönüşünüyor. Sonuç olarak bakıldığında I. nesile ulaştıklarında kararlılığa da ulaşıyorlar.

            Bu durumda, üst iki nesil, evrenin ilk aşamasında büyük miktarda oluşmuştur. Ancak geçen zamanda da bozunarak  I. nesil parçacıklara dönüşmüş olmaları gerekiyor. Laboratuarlarda ise evrenin oluşumuna ilişkin yapılan deneylerde yüksek enerjili parçacık çarpışmaları oluşturulabiliniyor.

           Leptonlardan farklı olarak kuarkların bir de “renk yükü” vardır. Kuarkların elektrik yükü iki farklı (+2/3, -1/3) değer alabilirken, renk yükleri üç farklı değer alabiliyor. Bu farklı renk yükü değerlerine ise kırmızı, yeşil ve mavi renk yükü deniyor. Karşıt parçacıklar renk yükü olarak; karşıtı oldukları parçacığın renk yükünün karşıtını taşıyor. Yani 'karşıt kırmızı', 'karşıt yeşil' veya 'karşıt mavi' gibi...

            Bu renk yükü isimlendirmesinin tabi ki, bildiğimiz ışık veya renklerle hiçbir ilgisi yoktur. Bu isimlendirmeye yol açmış olan benzerlik şudur: Farklı renk yüklerine sahip üç kuark bir araya geldiklerinde, ortaya nötr renk yükü çıkıyor. Tıpkı; mavi, yeşil ve kırmızı temel renklerin bir araya gelmesi halinde, renksiz veya “nötr” sayılan beyaz ışığın oluşması gibi. 

            Kuarklarla leptonlar, boyutları kesin olarak bilinmemekletir. Ancak bir lepton olan elektron ve kuarkların hepsini yarıcapı ise, kesinlikle 10^-18 metrenin altındadır. Bilindiği kadarıyla hepsi de, iç yapıları olmayan temel parçacıklardır. 

Kuvvet/ Etkileşim

            Standart Model ile ifade edilen kuvvetler şiddetli kuvvet, elektromanyetik kuvvet ve zayıf kuvvettir.

            Elektromanyetik kuvvet, elektrik yükü olan bütün kuvvetler tarafından hissedilir. Foton, elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısıdır. Ancak kendisi elektrik yükü taşımadığı için elektromanyetik kuvveti hissetmezler. Nötronların, gluonların ve Z bozonunun elektrik yükü olmadığı için elektormanyetik kuvveti hissetmezler.

            Bütün kuarklar ve leptonlar ise zayıf kuvveti hissederler, yani zayıf etkileşim yükleri vardır. Zayıf etkileşimler, W bozonları ve Z bozonun alaışverişi sonucu da ortaya çıkarlar.

            Protonun elektrik yükünün 2/3 katı elektrik yüküne sahip u, c ve t kuarkları, artı yüklü bir W+bozonu yayabilir veya eksi yüklü bir W-bozonu ile birleşebilir. Bu durumda protonun elektrik yükünün -1/3 katındaki elektrik yüküne sahip d, s veya b kuarklardan birine donüşebilir. Yine  d, s veya b kuarkları da  bir W-bozonu yayıp veya bir W+ bozonu ile birleşip bir u, c veya t kuarklarına dönüşebilirler. Bu dönüşümlerin aynı kuark ailesi içinde olması ise farklı aileler arasında olmasından daha olasıdır. 

            Eğer zayıf etkileşim Z bozonu alışverişi sonucu ortaya çıkarsa da parçacık türünde bir değişim olmaz.

            Standart Model oluşturulana kadar kadar yapılan gözlemler, bir kuarkın aynı yükü taşıyan bir başka kuarka dönüşmediğini gösteriyordu. “Fakat daha gelişmiş hızlandırıcılarda yapılan daha hassas deneyler Standart Model’in bu tahminini doğruladı. 

            Ayrıca zayıf kuvveti elektromanyetik kuvvetten ayıran bir diğer özelliğiyse, zayıf kuvveti ortaya çıkaran Z ve W bozonları zayııf kuvveti hissederler ve zayıf yük taşıyan başka parçacıklar ile W ve Z bozon alışverişinde bulunabilirler.

           Standart Model'in açıkladığı üçüncü      kuvvet/etkileşim ise, şiddetli kuvvettir. Bu kuvveti sadece kuarklar ve gluonlar hissederler. Bu kuvvet kuarkları birbirine bağlayarak (yapıştırarak) proton, nötron ve diğer hadronların oluşmasını sağlarlar.

            Standart modeldeki bu noktadaki temel eksik görüldüğü gibi dördüncü bir kuvvet olan kütle çekimi kuvvetinin yer almamasıdır. Standart Model'in, kütle çekimini de kapsayacak şekilde geliştirilmiş halinde bir de, parçacıklarla etkileşime girerek onlara kütle kazandıran Higgs bozonu var. Higgs bozonu için yapılan deneyler devam etmektedir.