Top (Üst) Kuark Neden Bu Kadar Ağır?

Top (üst) kuark maddenin temel yapı taşlarından biri, insanın temel yapı taşı ise akıl. Yani düşünme, sorgulama ve merak etme gücü.

Bilimin Yola Çıkışı

İnsanoğlu içine doğduğu Dünya’yı ve iç işleyişini belirleyen kural ve kaideleri anlamaya çalışan bir canlı türüdür. Aristoteles’in ünlü Metafizik kitabının giriş cümlesi şu şekildedir: “Bütün insanlar doğaları gereği bilmek isterler”. Çünkü insan yalnızca yaşamayı, hayatta kalmayı, nefes alabiliyor olmayı istemez, bununla yetinmez. Bununla beraber yaşamın nedenini ve değerini kavramak ve anlamak ister.

Antik Yunan’da düşünme eylemi ilk olarak doğanın ne olduğunu anlama çabası olarak başladı. Anlamak ilk önce doğadaki değişim probleminin çözümünü gerektiriyordu. MÖ. 540-480 yılları arasında yaşayan Herakleitos doğada bitip tükenmeyen bir değişim olduğunu fark etti. Herakleitos’a göre her şey her daim değişim halindedir, aynı dereye iki kez girilmez, ağaç aynı çiçekleri iki kere açmaz. Değişmeyen tek şey değişimdir.

Herakleitos ve Parmenides
Herakleitos ve Parmenides

Aynı dönemde yaşayan ve hemen hemen her alanda kendisinin zıddı olan Parmenides ise doğada hiçbir şeyin değişmediği kanaatindeydi. Felsefenin ilk gerilimi bu iki dimağ arasında ortaya çıkmıştı. Bir tarafta her şeyin değiştiğini savunan Herakleitos, diğer yanda “görünüşe aldırmayın hiçbir şey” değişmez diyen Parmenides, hangisi haklıydı?

Tez ve anti-tezin olduğu her düşünsel karşıtlığı sentez ile çözümleyen başka bir zeka daha vardır. Bu zeka, MÖ 460-370 yılları arasında yaşayan (son doğa filozofu) Demokritos’tu. Demokritos’a göre her şey sürekli değişim geçirmekle birlikte maddenin özünde asla değişmeyen ve adına atom (Atom Yunancada bölünemez demektir) adını verdiği temel bir bileşen vardı. Doğa atomların farklı şekillerde bir araya gelmesi ile farklı şekiller alır gibi gözüküyordu. Atomlar dağılınca şekiller de dağılıyor, farklı bir şekilde birleşince farklı nesneler ortaya çıkıyordu.

Modern Fiziğin Doğuşu

Böylece gerilim atom kavramı sayesinde çözümlenmiş oldu. Tâ ki modern fiziğin ortaya çıktığı 19-20. yy’a kadar. İnsanoğlu araştırmalarını derinleştirmiş ve 1897 yılında elektronu keşfetmişti. Devamında 1919 yılında Ernst Rutherford protonu, 1931 yılında ise James Chadwick nötronu keşfetti. Aslına bakılırsa 1931 yılına gelindiğinde son derece basit, net, anlaşılır ve rahatlatıcı bir atom modeline kavuşulmuştu. Atom nihayet çözümlenmiş, bileşenleri ortaya koyulmuş ve konu kapanmıştı. Yani bir atom; proton, nötron ve elektrondan oluşur. Tüm kainat da atomların birleşmesinden oluşur. Lakin bu rahatlatıcı ortam yalnızca 1 yıl sürdü. Ertesi yıl kafa karıştırıcı bir keşif daha yapıldı. Tüm resmi yeniden ele almayı gerektirecek bu davetsiz misafirin adı pozitrondu.

1932 yılının Ağustos ayında keşfedilen pozitron tüm özellikleri ile elektronun aynısıydı, yükü hariç. Böylece ilk anti-madde olan anti-elektron tanımlanmış oldu. O gün bilinen atomaltı parçacık sayısı 4’e çıkmıştı. Bugün bildiğimiz atom altı parçacık sayısı 300’ü geçmiş durumda.

Zamanla teknoloji gelişti ve parçacık hızlandırıcıları devreye girdi. Maddenin son yapı taşlarını incelemek üzere inşa edilen büyük parçacık çarpıştırıcıları bize proton ve nötronun iç yapısına göz atma imkanı verdi. (Elektronun iç yapısına göz atamayız çünkü elektronlar lepton grubuna dahildir. Leptonlar fiziksel boyutu olmayan noktasal parçacıklardır.)

Kuarklar

Bilim adamları proton ve nötronun 3’er adet alt bileşenden meydana geldiğini belirlediler ve bu atom altı parçacıklara kuark adı verildi.

Kuarklar ilk kez 1964 yılında Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından birbirlerinden bağımsız bir şekilde ortaya atıldı. 1968 yılında Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezinde yapılan deneyler sonucunda varlıkları kanıtlandı.

Bugün 6 tür kuarkın olduğunu biliyoruz.  İsim olarak yukarı (up), aşağı (down), tılsım (charm), acayip (strange), üst (top) ve alt (bottom) gibi isimler verilen bu kuarkların farklı kütlesel özellikleri bulunur. Aşağı ve yukarı ismi verilen kuarklar, en düşük kütleli kuarklar olma özelliğini taşır. Proton ve nötronun yapı taşları işte bu aşağı ve yukarı kuarklardır.

Yukarıdaki temsili resimde bir atom altı parçacığın iç dünyasını görüyoruz. Üç temel renkte resmedilmiş ufak yuvarlak küreler kuarkları, renkli dalgalar kuvvet taşıyıcılarını yani gluonları temsil ediyor. Kuarkların ana renklerde çizilmesinin sebebi kuantum renk dinamiği. Kuarklar renk dinamiğine tabi oldukları için toplamı beyazı verecek şekilde renklendirilmek zorundadırlar. Konu hakkında daha fazlası için Tıklayın.

Proton ve Nötronun Dünyası

Doğada üç kuarkın birleşmesinden oluşan atom altı parçacıklara baryon, iki kuarkın birleşmesinden oluşan parçacıklara ise mezon denir. Baryonlara en iyi örnek proton ve nötrondur. Protonun içinde iki adet yukarı bir adet aşağı kuark bulunur. Nötronda ise tersi yani iki adet aşağı bir adet yukarı kuark vardır.

Peki yukarı ya da aşağı kuark tek başına var olabilir mi? Bu fizik yasalarına göre imkansız. Kuarklar doğada izole bir halde var olamazlar. Çünkü kuarklar doğanın en kuvvetli gücü ile yani “şiddetli nükleer (çekirdek) kuvvet” ile birbirlerine bağlıdır. Kütle çekim kuvveti iki kütle arasındaki mesafe arttıkça azalır, şiddetli nükleer kuvvet ise tam tersine mesafe arttıkça artar. Bu yüzden protonun içindeki iki kuark dip dibe iken şiddetli nükleer kuvvet onlara neredeyse etki etmez, ama elektromanyetik kuvvetin etkisi ile iki kuark birbirlerini ittiğinde, şiddetli kuvvet güçlü bir şekilde iki kuarkı yakalar ve birbirlerine geri yaklaştırır. Bu ileri geri salınım hareketi sonsuza kadar devam eder. Güçlü nükleer (çekirdek) kuvvetin bu kadar güçlü olması kuarkların doğada yalnız başlarına hareket etmesini de imkansız kılar.

Kütle Sorunu

Kuarklar hakkında kafa karıştırıcı konulardan biri de aşırı derecede hafif olmalarıdır. Yukarı (up) kuark proton kütlesinin yalnızca % 0.2’sini oluşturur. Partneri aşağı (down) kuark ise proton kütlesinin %0.5’ini meydana getirir. Peki kuarklar bu kadar hafifse ve bir proton yalnızca 3 kuarktan oluşuyorsa protonun kütlesi nereden geliyor?

Cevap güçlü nükleer kuvvette. Doğaya hükmeden 4 temel kuvvetin bir de kuvvet taşıyıcıları vardır. Güçlü çekirdek kuvvetin kuvvet taşıyıcısı ise gluonlardır. Bu kelime “glue” yani yapıştırıcıdan türetilmiştir. Proton ve nötronun içindeki gluonlar o kadar kuvvetli ve yoğundur ki proton dediğimiz şey aslında –içide 3 adet kuarkın çılgınca dans ettiği- çok çok yoğun bir enerji bulutudur. Ve Einstein’den bu yana biliyoruz ki enerji demek, kütle demektir!

Kuantum fiziğinde büyük kütleli olmak demek sorunu beraberinde taşımak demektir. Büyük kütleli bir atom altı parçacık çok uzun ve ince bir çubuğun üzerinde dengede durmaya çalışan koca bir bowling topuna benzer. En ufak bir harekette daha stabil alt parçacıklara bozunmanız yüksek olasılık dahilindedir.

Küçük Olan İyi Olandır

Kuantum fiziğinde stabil olan küçük olandır. Büyük kütleli bir atom altı parçacık görürseniz bilin ki saniyenin yüz milyonlarca ufak kesitinde o parçacık bozunur ve stabil olan daha hafif parçacıklara dönüşür.

Atom altı dünyanın bu özelliği evrenin up ve down yani yukarı ve aşağı kuarklar için bir cennet haline gelmesine sebep oluyor. Çünkü bu iki kuarkın kütlesi çok küçük. Kütle skalasında en altta yer aldıkları için bulundukları yerden manzaralarının çok iyi olduğu söylenemez ama güvenli bir yerde olduklarının da bilincindedirler. Bu yüzden doğada en çok bu iki türdeki kuarklar var. Kütle sıralamasında onları strange ve charm yani garip ve tılsım kuarkları izliyor. Kütleleri çok daha büyük olmakla birlikte evrende bilinen sayıları çok daha az.

temel parçacıklar ve kuvvet taşıyıcıları
temel parçacıklar ve kuvvet taşıyıcıları

Tılsım kuarkını taşıyan parçacıklara örnek olarak J/ψ mezonu (J/ψ), D mezonlarının bir kısmı (D), Sigma baryonlarını c) örnek gösterebiliriz. Garip kuarka sahip olan parçacıklar deyince ilk akla gelenler kaonlar (K), bazı D mezonları (Ds) ve Sigma baryonları (Σsc)

Üçüncü Nesil Kuarklar

Fizikçiler bir süre doğada yalnızca bu 4 kuark türünün var olduğunu düşündüler. Lakin 1970’lerin ortalarında Japon fizikçiler kaonlarda nadir görülen bir davranış kalıbı keşfettiler. Bu açıklanamayan yeni duruma ancak yeni bir çift kuarkın sebep olabileceğinden şüphelenen bilim insanları araştırmalarını derinleştirdi. Sonunda devasa kütleye sahip top ve bottom yani üst ve alt kuarkları keşfettiler.

Önce 1977 yılında bottom yani alt kuark keşfedildi. Bilim insanları hummalı bir şekilde grubun altıncı ve son halkasını bulmaya koyuldular. Ancak kimse grubun bu son üyesinin ne kadar büyük olabileceğini tahmin bile edemezdi. Top (üst) kuark ancak 1995 yılında Fermilab parçacık hızlandırıcısı vasıtasıyla keşfedilebildi.

Top (üst) kuarkın kütlesi o kadar büyüktür ki 74 proton ve 74 nötron taşıyan Tungsten atomunun ağırlığına denk bir kütlesi vardır. Kütlesi bu kadar büyük olduğu için de bilim insanlarının gözünden uzun süre kaçmayı başarmıştır.

Top (üst) kuark yukarı (up) kuarktan tam 100 trilyon kat daha ağırdır. Peki neden? Neden top (üst) kuark bu kadar masif?

Higgs Bozonu

İşte Higgs bozonunun denkleme dahil olduğu yer tam olarak burası. Kuantum teorisine göre her parçacık kendi alanı ile var olur (ya da onu var eder – aynı şey). Kuantum fiziği Standart Modeline göre alandan bağımsız bir parçacık düşünülemez. Yani bir elektronun varlığı uzay zamanda bir elektron alanını da var eder. Bu alanla etkileşime giren her parçacık elektronla etkileşime girmiş olur.

Higgs bozonu da kendi Higgs alanını oluşturur. Bu alanı tüm uzay-zamanı kaplayan ve tüm maddeye sirayet eden görünmez bir yapıştırıcı olarak düşünebilirsiniz. Elektron, nötrino ve kuarklar gibi tüm diğer temel parçacıklar bir noktadan diğer noktaya hareket etmek istediklerinde, bu Higgs alanının içinde yüzmeye mecburdurlar. Kütlesi olan hiçbir temel parçacık Higgs alanını ve bozonunu görmezden gelemez.

Maddeye kütlesini veren şey Higgs bozonuysa ve üst kuark da en büyük kütleye sahip kuark olduğuna göre, Higgs bozonu ile üst kuark çok iyi anlaşıyor olmalılar. Bilim insanlarının uzun süredir peşinde olduğu şey Higgs bozonunun keşfiydi. Tanrı parçacığı da denilen Higgs bozonu uzun uğraşlar sonucunda 2013 yılında keşfedildi. Bu bozonun maddeye nasıl kütle sağladığını anlamamız için en büyük ipucunu top (üst) kuark – Higgs bozonu etkileşiminde arayan bilim insanları, yoğunluğu bu alana vermiş durumdalar.

İnsan ırkı içinde yaşadığımız doğayı ve evreni anlama yoluna, değişim problemi üzerine kafa yorarak çıktı. O noktadan ilerleyerek incelemeye değer konuların saptandığı onlarca bilim dalı ve araştırılacak binlerce mesele ile yüzyüze geldik. Sorular ve arayışlar kuantum fiziğinde bizi üst kuark ile Higgs bozonunun etkileşim problemine kadar getirmiş durumda.

Alınacak daha çok yol var, çünkü evren bilinmezlerle dolu.

Bilim hakkında daha fazlası için Tıklayın.

Bir Cevap Yazın

%d blogcu bunu beğendi: