Christine Sutton (Oxford Üniversitesi Fizik Bölümü)

Acaba maddenin temel yapıtaşları nelerdir? Bir zamanlar bilimciler, atomun bölünemez olduğunu kabul ediyorlardı fakat, 20. yüzyılın ilk birkaç on yılı içinde, atomların, nötron, proton ve elektronlardan müteşekkil olduğu keşfedildi. Elektronlar başlangıçta gerçekten de  “temel” gibi gözükseler de, 1960’larda fizikçiler, proton ve nötronların, kuark denen daha küçük parçacıklardan kurulu olduğunu fark ettiler.

Parçacık fizikçileri şimdilerde, temel yapı taşlarını iki grupta tarif ediyorlar- kuarklar ve leptonlar (elektronlar da bunlara dahildir). Her grup, altı çeşit kuark ve altı çeşit lepton içerecek şekilde, altışar adet üyeye sahiptir. Sadece, “aşağı”(down) ve “yukarı”(up) olarak isimlendirilen iki çeşit kuark, proton ve nötronu oluşturmak için gerekliyken, diğer dört cins kuarkın, kozmik ışınlarda ve yüksek enerjili parçacık çarpıştırma deneylerinde görülen daha egzotik ve kısa ömürlü parçacıkların meydana gelmesinde kullanıldığı sanılıyor.

Kuarklar, leptonlardan oldukça farklıdır. Aralarındaki esas farklılık, kuarkların, “güçlü kuvvet" denen bir temel kuvvete bağımlıyken, leptonların bundan etkilenmemeleridir. Güçlü kuvvet, şaşırtıcı derecede karmaşık bir dünyanın parçaları haline gelmek üzere, proton gibi daha karmaşık parçacıkların oluşabilmesi için kuarkları birbirlerine bağlar.

KUARKI BULMAK

“Finnegan’ın Uyanışı” 

Kuark fikrinin temeli, protonla ilişkili kısa ömürlü parçacıkların özellikleri üzerine yapılan çalışmalardan doğmuştur. Elementlerin özellikleri üzerine benzer bir çalışma, 1896 yılında Dimitri Mendelev’in periodik cetveli oluşturmasına yol açmıştır. Daha sonra atom çekirdeğinin ve elektronların keşfi, Mendelev’in tablosundaki düzenliliğin, atomların iç yapısını yansıttığını ortaya koymuştur. Şimdi, bir yüzyıl kadar sonra, atom altı parçacıkların arasındaki ilişki kalıplarının, bunların iç yapılarını yansıttığını biliyoruz.

Protonun, atomik çekirdeğin çapı veya daha küçük mesafe aralıklarında etkili iki temel kuvvetten biri olan güçlü kuvvet yoluyla birbirleriyle etkileşebilen bir çok akrabası vardır. Birbirleriyle kuvvetli bir biçimde etkileşen bu parçacıklara toplu olarak hadronlar adı verilir (Yunanca “kuvvetli” anlamında). Oldukça kararlı olan protondan ayrıyken, hadronların tümü kararsızdır. Ayrıştırılmış bir nötron yaklaşık 15 dakika kadar var olabilirken, diğer hadronların oldukça kısa yarı-ömürleri vardır.

Kısa ömürlü hadronlar, sadece laboratuvardaki deneyler sonucu üretilen yapay ürünler değildirler. Bunlar aynı zamanda, atmosferin yüksek tabakalarında, atomlarının çekirdeklerine -uzaydan gelen (genellikle protondan oluşan) yüksek enerjili parçacıklar olan- kozmik ışınların çarpması sonucu, doğal olarak da meydana gelirler. Kozmik ışın çarpışma deneyleri, pion, kaon ve lambda gibi, yarı ömürleri 10^-8 ile 10^-10 sn arasında değişen (ve genellikle Yunan alfabesindeki harflerle isimlendirilen) hadronlara dair ilk kanıtları ortaya çıkarmıştır. Bunun yanında, parçacık hızlandırıcıları kullanılarak yapılan deneyler, kozmik ışın çarpışmalarının kontrollü koşullarda taklit edilebilmesini mümkün kılmış ve ortaya çıkan parçacıklar hakkında fizikçilerin daha sistematik çalışmalar yapabilmelerine imkan sağlamıştır.

Hadronlara dair bu tip çalışmalar sonucunda ortaya çıkarılan ilk bulgular, bazı hadronların diğerlerinden farklı olduğunu gösteren ve makroskobik dünyada benzeri bulunmayan yeni bir  özellikti. Bu özellik, esasen garip gözüken davranışlara neden olduğundan, gariplik (strangeness) olarak adlandırılmaya başlandı ve bu özelliğe sahip parçacıklara da garip parçacıklar adı verildi. Buraya kadar bahsedilen parçacıklardan ne proton ve nötron, ne de pion garipliğe sahiptir. Fakat, kaon ve lambda 1 birimlik garipliğe sahipken, sigma denen bir parçacık 2 birim garipliğe sahiptir.

1960’ların başlarında, Amerikalı Murray Gell-Mann ve İsrailli Yuval Ne’eman, birbirlerinden bağımsız olarak, bilinen hadroları, yüklerine, garipliklerine ve spinlerine (parçacığın içkin açısal momentumu) göre sınıflandırma üzerine çalıştılar. Sonuçta, sekiz parçacıklı (oktet) ve on parçacıklı (dekuplet) kalıpların bulunduğunu fakat bu kalıplar arasında boşluklar olduğunu buldular. Daha sonraları, bu parçacık gruplarının, SU(3) (Üç boyutta özel bileşik grup (special unitary group in three dimension)’un kısaltması) olarak bilinen matematiksel simetri grubu teorisiyle ilişkilendirebilecekleri anlaşıldı.

Sınıflandırmada kullanılan SU(3) şemasındaki boşluklardan biri, negatif yüklü ve üç birimlik tuhaflığa sahip olan yeni bir parçacığa karşılık geldi. Fizikçiler bu parçacığa omega-eksi (omega-minus) adını verdiler. Daha sonraları, 1964 yılında, New York’daki Brookhaven Ulusal Laboratuarı’ndaki bir araştırma grubu, bu teorinin tahminler yürütmek için kullanılabileceğini onayladı; bu aynı zamanda kuark kavramına giden yolu da açmış oldu.

SU(3) matematiği, büyük grupların (oktet ve dekupletlerin), sadece 3 üyeden oluşan basit bir gruptan yapılı olması gerektiğini gösterdi. Dolayısıyla, gözlenen hadron gruplarının, üç parçacıklı gruplardan oluşup oluşmadığı sorusu gündeme geldi. Gell-Mann ve bağımsız olarak bir başka Amerikalı George Zweig, hadronların gerçekten de bu tip temel yapılardan oluştuğunu öne sürdüler. Gell-Mann, James Joyce’un Finnegan'ın Uyanışı (Finnegans Wake) isimli kitabından bir alıntıyla, bunlara kuark adını verdi.

Bununla beraber, gözlenen hadronları gruplandırmak için kuarkların, elektronun sahip olduğu yükün (e) 1/3 ve 1/4'ü kadar kesirli elektrik yüklerine sahip olması zorunluluğu ortaya çıktı.

Ondokuzuncu yüzyılın başlarında Michael Faraday, elektroliz üzerine çalışmalarında, elektrik yükünün daima bir “birim” yükün tam katları şeklinde olması gerektiğini ortaya koymuştu. J.J. Thomson’un, 1897 yılında, tüm maddenlerin bilinen ilk temel parçacığı olan elektronu keşfetmesi, bu yükün, elektronun yükünden başka bir şey olmadığı fikrini uyandırdı. Dolayısıyla ilk başta, kuarkların böyle kesirli yüklere sahip olması yepyeni bir bulgu olarak ortaya çıktı ve bazı fizikçilerin, kuarkların gerçek parçacıklardan ziyade, matematiksel artefaktlar olabileceğini düşünmelerine bile neden oldu.

1964 yılında bilinen tüm hadronları yapabilmek için, üç tane kuark gerekliydi. Biz bunlara, yükleri sırasıyla (2/3)e, -(1/3)e ve  -(1/3)e olan, yukarı (up, u), aşağı (down, d) ve tuhaf (strange, s) kuarklar diyoruz. Yukarı ve aşağı kuarkların sıfır tuhaflığı varken, tuhaf kuark –1 tuhaflık değerine sahiptir. Kuarkları bir araya toplayarak, ½ spinli (duu olan proton, ddu olan nötron ve dus olan lambda gibi) veya 3/2 spinli (sss olan omega gibi) hadronları içeren baryonları elde ederiz. Alternatif olarak, bir kuark ve (yük ve tuhaflık bakımından tamamen ters değerlere sahip olan) karşı-kuarkı birleştirerek, mesonlar denen, 0 veya 1 spine sahip hadronları elde edebiliriz. Bunlar, yüklü pionları (u kuark ve d karşı-kuark, veya tersi) ve yüklü kaonları (u kuark ve s karşı-kuark, veya tersi) içerirler.

Kuarklar fikrini, özellikle alışılmışın dışındaki kesirli yükleri nedeniyle olduğu gibi kabul etmek zordu. O zamana kadar hiç kimse, 1/3e veya 1/2e yük taşıyan parçacıklar gözlemlememişti. Ayrıca, madem diğer parçacıkların içinde yer alıyorlardı, o halde neden proton ve nötronun çekirdekten fırlatılmaları gibi, yüksek enerjili çarpışmalarda fırlatılmıyorlardı?

PROTONUN İÇİNDE
Aktif Arı Kovanları

Kuarkların, proton ve nötronların (yani günlük hayatımızda karşılaştığımız maddeleri oluşturan hadronların) içinde bulunduğu fikri, parçacıkların iç yapılarının derinlemesine incelendiği deneysel çalışmalardan ortaya çıkmıştır. Temel prensip, leptonlar denen daha az karmaşıklıkta parçacıklar kullanarak, daha karmaşık olan protonun iç yapısının aydınlatılmasıdır. Bildiğimiz kadarıyla, leptonlar, belli bir yapıları olmadığından ve bir nokta gibi davrandıklarından karmaşık değillerdir. Güçlü kuvvetten etkilenmezler; dolayısıyla, meydana gelebilecek herhangi bir etkileşim, (yüklü parçacıklar arasındaki) elektromanyetik kuvvet ve (belli ışımaetkinlik biçimlerinin temelini oluşturan çekirdek kuvveti olan) zayıf kuvvete bağlı olarak değerlendirilebilir.

Bu deneylerin bir başka önemli özelliği, araştırmada kullanılan leptonların yüksek enerjiye sahip olmalarıdır. Kuantum teorisi bize bu “parçacıkların”aynı zamanda dalga tabiatına da sahip olduklarını söyler. Bir dalga parçacık yapısı söz konusu olduğunda, parçacığın enerjisi ne kadar yüksekse, ilişkili dalga boyu da o kadar kısadır. Dolayısıyla, bir parçacığın enerjisi ne kadar yüksekse, ilişkiye geçebileceği yapılar da o kadar küçük olacak, başka bir deyişle, çekirdek araştırması da o derecede derin olacaktır. İlginç olabilecek kadar büyük enerji düzeylerinde gerçekleşen çarpışmalar, genellikle protonun yeni parçacıklar oluşturmak üzere parçalanmasına neden olurlar. Bu tip çarpışmalar, bilardo toplarının çarpışmasına benzeyen “esnek” çarpışmalardan farklı, “esnek olmayan” çarpışmalardır. Bu iki etki beraber, derin esnek olmayan saçılma adıyla anılan ve leptonların protonun iç yapısını araştırmak üzere kullanıldığı yüksek enerji deneylerinin yapılmasını mümkün kılar.

1960’ların sonunda, California’daki Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi’nde (Stanford Linear Accelerator Center – SLAC) çalışan fizikçiler, protonun yapısını belirlemek üzere, 3 km uzunluğundaki bir araçtan elde ettikleri elektron huzmeleri ile deneyler yaptılar. Bu deneylerde elektron huzmeleri, negatif yüklü elektronların, hidrojende bulunan pozitif yüklü protonlar ile elektromanyetik kuvvet aracılığıyla etkileştiği, sıvı hidrojenden oluşan hedeflere yönlendirildi. Saptayıcılar, saçılan elektronların enerjilerini ve sapma açılarını ölçtüler. Bu ölçümlerin analizi sonucunda, protonun elektron açısından neye benzediği konusunda bir fikir sahibi oldular; bu fikir aynı zamanda, proton içindeki elektrik yüklerinin, yüksek enerjili elektronlarla nasıl etkileştiğini de göstermiş oluyordu.

Elde edilen sonuçlar, elektronların proton boyutundaki yük bulutları içinden geçmekten ziyade, çok küçük, noktamsı yük yoğunlaşmalarına çarptıklarını gösteriyordu. Aslında bu “yığınlar”, elektronları yollarından saptıracak ve elektrondan protona büyük miktarlarda enerji ve momentum aktarımına neden olacak kadar da yoğundular. Bu bulgular, protonun aslında daha küçük bölümler veya (Amerikalı teorisyen Richard Feynmann’ın deyişiyle) “parton”lar içerdiğine dair önemli kanıtlardı. Peki ama, bu partonlar, kuarklar mıydı acaba?

Bu bağlantıyı sağlayabilmek için, partonların yüklerinin bilinmesi gerekiyordu. Elektronlar partonlarla etkileştiklerinde, elektromanyetik kuvvet aracılığıyla saçılırlar. Bununla beraber, nötrinolar yüksüzdür ve sadece zayıf kuvvet yoluyla etkileşebilirler. Dolayısıyla, bu iki tip parçacığın saçılma miktarları karşılaştırıldığında, partonların yükü ortaya çıkarılabilirdi.

Bu konuda ilk sonuçlar, Cenevre’deki Avrupa parçacık fiziği araştırma merkezinde (CERN), Gargamelle denen büyük bir kabarcık odası ile deneyler yapan fizikçilerden geldi. Fizikçiler, Gargamelle’den elde ettikleri nötrino sonuçlarını, SLAC’dan gelen elektron sonuçları ile karşılaştırdıklarında, bu sonuçların, partonların 1/3e ve 2/3e yükler taşıdıklarını çok güzel bir biçimde ortaya koyduğunu gördüler. Artık, alışılmadık kesirli elektrik yüklerine sahip kuarkların, proton ve nötronların bileşenleri oldukları kanıtlanmıştı.

Çeviri: Sinan CANAN
New Scientist Inside Science, 10 Temmuz 1993

Devam edecek…

http://sinancanan.tripod.com/quark.htm ‘den alınmıştır.

İstanbul - 23.09.2003
http://gulizk.com