Her şey neden yapılmıştır ve nasıl bir arada durmaktadır? Parçacık fiziğinin standart modeli size bu sorunun cevabını vermeye çalışır.
Etrafımızdaki dünyanın moleküllerden, moleküllerin de atomlardan oluştuğunu biliyoruz. Kimyager Dmitri Mendeleev, 1860’larda tüm atomları, periyodik tabloya nasıl yerleştireceğimizi buldu. Ancak fizikçiler basit şeyleri sever. Her şeyi özüne, yani birkaç temel yapı taşına indirgemek istiyoruz.
Fizikçiler evreni oluşturan parçacıkları, aralarındaki etkileşimleri ve bu etkileşimleri yöneten güçleri tek bir teori altında birleştirmek istiyorlardı. İşte bu teoriye bugün, Parçacık Fiziğinin Standart Modeli veya kısaca Standart Model diyoruz.
İlk olarak 1970’lerde tasarlanan Standart Model, 2012 yılında Higgs Bozonu’nun keşfiyle doğrulandı. Ancak Standart Model her ne kadar başarılı ve verimli bir teori olsa da, henüz her şeyi açıklayamıyor. Dört temel kuvvetten biri olan kütle çekimi halen Standart Model’deki yerini bulabilmiş değil. Fizikçiler kütle çekimini de modele dahil etmenin bir yolunu aramakla meşguller. Gelin bu arayış devam ederken biz de Standart Model’i oluşturan parçacık fiziği dünyasına bir bakış atalım.
Standart Model Temel Parçacıkları Nelerdir?
Günlük hayattan aşina olduğumuz her madde atomlardan oluşur. 1932’ye gelindiğinde bilim insanları tüm bu atomların yalnızca üç parçacıktan (nötron, proton ve elektron) oluştuğunu biliyorlardı. Nötronlar ve protonlar çekirdeğe sıkı bir şekilde bağlanır. Binlerce kat daha hafif olan elektronlar, çekirdeğin etrafında ışık hızına yaklaşan hızlarda dönerler.
Fakat atomlar da başka madde parçacıklarının bir araya gelmesiyle oluşurlar. Atomu oluşturan yapıtaşlarını iki ana başlığa ayırabiliriz: Fermiyonlar ve bozonlar. Fermiyonlar; leptonlar ve kuarklar olmak üzere iki ana sınıftan oluşur. Bu sınıfların her birinde, fizikçilerin nesiller olarak adlandırdığı üçer parçacıktan toplam altı parçacık bulunmaktadır.
Birinci nesil leptonlar ve kuarklar en hafif ve en kararlı parçacıklardan oluşur. Bunlar hepimizin aşina olduğu yıldızları, gezegenleri, ayları ve bizleri oluşturmaktan sorumlu parçacıklardır.
İkinci ve üçüncü nesiller giderek daha ağır ve daha az kararlı parçacıklardan oluşur. Bu parçacıklar kütle olarak ne kadar büyük olursa, daha hafif kuzenlerine o kadar hızlı bozunurlar. Yazımıza devam ederken maddenin özüne daha iyi nüfuz edebilmek adına öncelikle kuarkları inceleyeceğiz. Ardından daha büyük parçacıklara ve Standart Model’e yoğunlaşacağız.
Kuarklar
Bu parçacık ailesi 3 nesilden ve 6 kuarktan oluşmaktadır. Birinci nesil kuarkları yukarı (up) ve aşağı (down) kuarklar oluşturur. İkinci nesil kuarklar tılsım (charm) ve garip (strange) kuarklardan oluşur. Üçüncü ve son nesilse, üst (top) ve alt (bottom) kuarklar olarak bilinen en büyük parçacıkları içerir.
Kuarklar dört temel kuvvetten yani elektromanyetizma, güçlü/zayıf nükleer kuvvet ve kütle çekiminden etkilenirler. Elektromanyetik kuvveti kısaca farklı elektrik yükleri arasında oluşan kuvvet diye tanımlayabiliriz.
Atomik ölçekte bu kuvvet, atomun dış katmanlarında elektronların bulunmasından ötürü iki atomun birbirini itmesine neden olur. Güçlü nükleer kuvvet ise çekirdek parçacıklarındaki kuarkları birbirine bağlamakla görevlidir. Zayıf nükleer kuvvetin görevi de, bozunmalar esnasında kuarkların ve leptonların türlerini değiştirmektir.
Kuarklar, baryon adı verilen parçacıkları yapmak için güçlü nükleer kuvvet sayesinde bir araya gelirler. Bu olaya örnek olarak atomun çekirdeğinde bulunan proton ve nötronları verebiliriz. Birer baryon olan proton ve nötron sırasıyla 1 aşağı kuark ve 2 yukarı kuarktan; 2 aşağı kuark ve 1 yukarı kuarktan oluşur.
Temel parçacıkların dikkate alınması gereken bir başka önemli niteliği daha vardır: Türkçeye dönüş olarak çevirdiğimiz spin özelliği. Kuarklar da tüm fermiyonlar gibi eksi ya da artı 1/2 spinli parçacıklardır.
Spin kelimesini her ne kadar dönüş olarak çevirsek de bu özellik günlük hayatta karşılaştığımız dönme hareketinden çok farklıdır. Çünkü atom altı parçacıkların hiçbiri minicik birer top değildir (her ne kadar biz o şekilde modellesek de). Bu nedenle spin özellikleri de bildiğimiz dönme hareketi değildir. Spin daha çok parçacığın manyetik alana verdiği tepkinin bir açıklamasıdır.
Leptonlar
Fermiyonları oluşturan diğer bir grup da leptonlardır. Kuarklar gibi, leptonlar da 1/2 spinli parçacıklardır. Leptonların da tıpkı kuarklarda olduğu gibi 3 nesli bulunmaktadır. Ancak kuarkların aksine leptonlar bir araya gelip yeni bir parçacık oluşturmazlar; serbest halde bulunurlar. En ünlü lepton muhtemelen aynı zamanda en ünlü temel parçacık olan elektrondur.
Ayrıca leptonları iki gruba ayırabiliriz. Elektron, müon ve tau yüklü leptonlarken; bunların nötrinoları yüksüzdür. Yüklü leptonlar, yüksüz kuzenlerinden daha fazla kütleye sahiptir. Yüksüz leptonların bu kadar küçük kütleye sahip olmasının nedenini Standart Model ile henüz açıklayamıyoruz. Bunun için Standart Model’de eksik bir şeylerin olduğu düşünülüyor.
Nötrinoların bu tuhaf özelliği onları “hayalet parçacık” olarak adlandırmamıza neden oldu. Adlarına yakışır biçimde nötrinolar, siz bu yazıyı okurken bedeninizin içinden tıpkı hayalet Casper gibi geçip gidiyor. Ve bunu yaparken vücudunuzdaki atomlarla en ufak bir etkileşime dahi girmiyor.
Kuarklar gibi, leptonlar da kütle çekimi ve elektromanyetik kuvvetle etkileşime girer. Ancak kuarkların aksine leptonlar güçlü nükleer kuvvetle etkileşime girmezler. Bunun sebebiyse oldukça açıktır. Güçlü nükleer kuvvet baryon yani madde parçacığı oluşumunda görevlidir. En basit örnekle anlatacak olursak iki elektron bir araya gelip proton ya da nötron gibi bir baryon oluşturmadığından, leptonlar güçlü nükleer kuvvetle etkileşmez.
Leptonların bir başka özellikleri ise Pauli dışlama ilkesine uymalarıdır. Pauli dışlama ilkesine göre iki parçacık aynı kuantum sayılarını paylaşamaz. Çünkü dışlama ilkesi elektronları atom çekirdeğinin etrafında giderek daha enerjili kabuklarda bulunmaya zorlar. Bir atomun dış kabuğundaki değerlik elektronlarının sayısı, elementin sahip olacağı kimyasal özellikleri belirler. Bu ilke sonucunda evrende çok çeşitli kimyasal elementler oluşmuştur.
Kuvvet Taşıyıcıları ve Bozonlar
Evrende şu anda farkında olduğumuz dört temel kuvvet olduğundan bahsetmiştik. Tüm bu kuvvetler farklı güçlere sahiptir ve farklı mesafelerde çalışır. Örneğin, kütle çekimi kuvvetlerin en zayıfıdır ancak potansiyel olarak sonsuz menzile sahiptir. Kütle çekimi gibi elektromanyetik kuvvet de uzun bir menzile sahiptir ancak kütle çekiminden çok daha güçlüdür.
Güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler çok daha kısa menzile sahiptirler; atom altı mesafelerde etkilidirler. Adından da anlaşılacağı gibi, güçlü kuvvet dört kuvvetin en güçlüsüdür, zayıf nükleer kuvvet ise kütle çekiminden sonra en zayıf kuvvettir.
Dört temel kuvvetten üçü (elektromanyetizma, güçlü ve zayıf kuvvetler) bozon adı verilen taşıyıcı parçacıklar tarafından iletilmektedir. Parçacıklar bu kuvvetleri iletmek için bu bozonları kullanırlar. Elektromanyetik kuvvet, bu parçacıkların en tanıdık olanı olan foton tarafından taşınır.
Protonlardaki ve nötronlardaki kuarkları güçlü kuvvetin taşıyıcısı olan gluonlar yapıştırmaktadır. Kuarkların ve leptonların türlerini değiştiren zayıf kuvvetin taşıyıcı ise W ve Z bozonlarıdır. Ayrıca leptonların ve kuarkların (kısaca Fermiyonlar da diyebilirdik) aksine bozonlar tam tamsayılı spine sahiptir. Bu da Pauli dışlama ilkesine uymaları gerekmediği anlamına gelmektedir.
Standart Model’e Yapılan Son Dokunuş: Higgs Bozonu
Peter Higgs, 1964 ile 1966 yılları arasında bir dizi makalesinde Higgs bozonunu, temel parçacıklara kütle kazandırmaktan sorumlu mekanizmanın kaçınılmaz bir sonucu olarak öngörmüştü. Bazen Higgs parçacığı olarak da adlandırılan Higgs bozonu spini sıfır, yüksüz ve maddelere kütle kazandıran bir parçacıktır. Aynı zamanda çok kararsızdır, neredeyse anında diğer parçacıklara bozunur.
2013 Nobel Fizik Ödülü aslında Higgs bozonunun keşfine verildi. Peter Higgs ve François Englert, atom altı parçacıklara kütlelerini veren mekanizmayı önerdikleri için ödülü paylaştılar. Parçacık fiziği uzmanları için bu, onlarca yıl süren ve son derece zorlu bir yolculuğun sonuydu ve alanın tarihindeki tartışmasız en önemli sonuçtu. Ancak bu son aynı zamanda deneysel fizikte yeni bir çağın başlangıcına da işaret ediyordu.
Geçtiğimiz on yılda, Higgs bozonunun özelliklerine ilişkin ölçümler, parçacık fiziğinin standart modelinin öngörülerini doğruladı. Ancak aynı zamanda bu modelin sınırlamalarına ilişkin, örneğin daha temel bir doğa teorisinin olup olmadığı gibi soruları da gündeme getirdi. Ancak bu uyum ne yazık ki mükemmel bir uyum değildir.
Peki Ya Kütle Çekimi?
Fizikçiler, kütle çekiminin graviton adını verdikleri bir bozon tarafından iletildiğini düşünüyorlar. Ancak henüz, bu varsayımsal bozonun deneysel bir işareti yoktur. Bu nedenle gravitonu çizdiğimiz şemalarda pek göstermiyoruz.
Kütle çekiminin Standart Model’de bulunmaması parçacık fiziği için çok büyük bir sorun değildir. Çünkü model aslen çok küçük parçacıklarla ve kütle çekiminin çok zayıf olduğu alanlarla ilgilenir. Tahmin edebileceğiniz üzere kütle çekiminin atom altı dünya üzerinde çok fazla bir etkisi yoktur.
Ancak bu eksiğin bize söylediği şey; Standart Model’in tüm bu etkileyiciliği ve başarısına rağmen, hiçbir şekilde fiziksel dünyanın tam bir tanımı olmamasıdır. Bu da daha doğru bir açıklama elde etmek için bu modeli genişletmemize ihtiyacımız olduğu anlamına gelir. Sorun şu ki, hiç kimse bu genişlemeyi nasıl yapmamız gerektiği konusunda tam olarak hemfikir değildir.
Standart Model’in Yetersizlikleri
Kütle çekimi, fizikçilerin şu anda Standart Model’e sıkıştıramadıkları tek şey değildir. Standart Model atom altı parçacıkların harika bir tanımı olmasına rağmen, karanlık maddeyi açıklayamaz. Protonlar ve nötronlar gibi baryonlardan oluşmayan bu gizemli madde formu, bilinen evrendeki kütlenin yaklaşık % 85’ini oluşturduğundan, önemsiz bir eksiklik sayılmaz.
Aynı şekilde, model neden anti-madde yerine maddenin evrene hükmettiğini de açıklayamaz. Eğer evren başlangıçta eşit miktarda madde ve anti-madde ile oluşmuş olsaydı, bu iki madde türü bir araya gelir ve birbirlerini yok ederlerdi. Bu ise Standart Model’in ötesinde, evrenin başlangıçta bir şekilde maddeyi tercih etmesi demektir. Ve bu tercih sonucu oluşan dengesizlik evreninin günümüzdeki halini almasına yol açtı.
Sonuç Olarak;
Hala binlerce yıldır süren merakımızı gidermiş değiliz. Ancak çok iyi yol kat ettiğimizi rahatlıkla söyleyebiliriz. Eksikliklerine rağmen Standart Model, evreni açıklamak için elimizdeki en iyi yol. Fizikteki ve bilimdeki bilmeceler çözüldükçe evreni anlamamız daha da kolaylaşacaktır. Ve tabi ki Standart Model de bundan nasibini alacaktır. Sanırım her şeyin teorisine ulaşana kadar bize de bilimle kalmak düşüyor.
Kaynaklar ve İleri Okumalar
- What is the Standard Model of Particle Physics? ; Bağlantı: What is the Standard Model of Particle Physics? (zmescience.com) ; Yayınlanma tarihi: 14 Mayıs 2021
- The Most Successful Scientific Theory Ever: The Standard Model ; Bağlantı: https://youtu.be/Unl1jXFnzgo
Matematiksel
