Parçacıkların Standart Modeli

Aşağıdaki yazının giriş kısmı ABD Enerji Bakanlığına bağlı çalışan FermiLab internet sitesinden özetlenerek çevrilmiştir.

Fizikçiler maddenin temel bileşenleri olan 12 yapı taşı tespit etmişlerdir. Günlük dünyamız bu yapı taşlarından sadece üçünden oluşmaktadır: yukarı kuark, aşağı kuark ve elektron. Protonları ve nötronları oluşturmak, atomları ve molekülleri meydana getirmek için gereken tek şey bu parçacık kümesidir. Diğer parçacıkların bozunmasında gözlemlenen elektron nötrinosu, dört yapı taşından oluşan ilk seti tamamlar.

Maddenin yapı taşları: altı kuark ve altı lepton.

Bazı nedenlerden dolayı doğa bu ilk kuark ve lepton neslini çoğaltmayı seçmiş ve artan kütleye sahip toplam altı kuark ve altı lepton üretmiştir. Tüm kuarklar gibi, top adı verilen altıncı kuark bir protondan çok daha küçüktür (aslında kimse kuarkların ne kadar küçük olduğunu bilmemektedir), ancak top bir altın atomu kadar ağırdır!

Daha fazla kuark ve lepton kümesi olmadığına inanmak için nedenler olsa da teorisyenler, astrofiziksel gözlemlerin ima ettiği karanlık maddeyi kısmen açıklayabilecek başka tür yapı taşları olabileceğini düşünmektedir. Tam olarak anlaşılamayan bu madde yerçekimi kuvvetleri uygulamakta ve galaksileri manipüle etmektedir. Yapısını tanımlamak için dünya tabanlı hızlandırıcı deneyleri gerekecektir.

Bilim insanları parçacıklar arasında etkili olan dört temel kuvvet türünü ayırt etmektedir: güçlü, zayıf, elektromanyetik ve kütleçekim kuvveti.

Güçlü kuvvet, kuarkların protonları, nötronları ve ilgili parçacıkları oluşturmak üzere birbirine “yapışmasından” sorumludur.
Elektromanyetik kuvvet elektronları atom çekirdeklerine (proton ve nötron kümeleri) bağlayarak atomları oluşturur.
Zayıf kuvvet, ağır parçacıkların daha küçük kardeşlerine ayrışmasını kolaylaştırır.
Kütleçekim kuvveti büyük kütleli nesneler arasında etki eder. Mikroskobik düzeyde hiçbir rolü olmamasına rağmen, günlük yaşamımızda ve evrende baskın kuvvettir.
Parçacıklar, bozon adı verilen kuvvet taşıyıcı parçacıkları değiş tokuş ederek kuvvetleri birbirleri arasında iletirler. Bu kuvvet aracıları, kuanta adı verilen ayrık enerji miktarlarını bir parçacıktan diğerine taşır. Bozon alışverişinden kaynaklanan enerji transferini, bir basketbol topunun iki oyuncu arasında paslaşması gibi düşünebilirsiniz.

Her kuvvetin kendi karakteristik bozonları vardır:

Gluon güçlü kuvvete aracılık eder; kuarkları birbirine “yapıştırır”.
Foton elektromanyetik kuvveti taşır; aynı zamanda ışığı iletir.
W ve Z bozonları zayıf kuvveti temsil eder; farklı bozunma türleri ortaya koyarlar.
Fizikçiler yerçekimi kuvvetinin de bir bozon parçacığı ile ilişkili olabileceğini düşünüyor. Graviton olarak adlandırılan bu varsayımsal bozonun gözlemlenmesi son derece zordur çünkü atom altı düzeyde yerçekimi kuvveti diğer üç temel kuvvetten çok daha zayıftır.

Her ne kadar bilim kurgunun bir parçası olsa da, antimadde de madde kadar gerçektir. Fizikçiler her parçacık için, hemen hemen aynı şekilde görünen ve davranan karşılık gelen bir antiparçacık keşfetmişlerdir. Ancak antiparçacıklar, kendilerine karşılık gelen parçacıkların tam tersi özelliklere sahiptir. Örneğin bir antiproton negatif elektrik yüküne sahipken, bir proton pozitif yüklüdür.

10 yıldan kısa bir süre önce, CERN (1995) ve Fermilab’daki (1996) fizikçiler ilk anti-atomları oluşturdular. “Ayna Dünya “nın özellikleri hakkında daha fazla bilgi edinmek için, bir antiprotona dikkatlice bir pozitron (elektronun karşıt parçacığı) eklemişlerdir. Sonuç: antihidrojen.

Antimaddeyi depolamak zor bir iştir. Bir antiparçacık ve bir parçacık bir araya gelir gelmez yok olurlar ve bir enerji parlamasıyla yok olurlar. Fizikçiler elektromanyetik kuvvet alanlarını kullanarak antimaddeyi vakum kaplarının içinde sınırlı bir süre için saklayabilmektedir.

Standart Model, kuvvet taşıyıcıları ile yapı taşları arasındaki karmaşık etkileşimi açıklar.
Fizikçiler, temel yapı taşları (kuarklar ve leptonlar) ile kuvvet taşıyıcıları (bozonlar) arasındaki etkileşimleri açıklayan teorik çerçeveye Standart Model adını vermektedir. Kütleçekimi henüz bu çerçevenin bir parçası değildir ve 21. yüzyıl parçacık fiziğinin temel sorularından biri, Standart Model’e dahil edilebilecek bir kuantum kütleçekimi formülasyonu arayışıdır.

Her ne kadar hala bir model olarak adlandırılsa da, Standart Model temel ve iyi test edilmiş bir fizik teorisidir. Fizikçiler onu çok çeşitli parçacık etkileşimlerini ve kuantum olaylarını açıklamak ve hesaplamak için kullanmaktadır. Yüksek hassasiyetli deneyler Standart Model tarafından öngörülen ince etkileri defalarca doğrulamıştır.

Standart Model’in şimdiye kadarki en büyük başarısı elektromanyetik ve zayıf kuvvetlerin elektrozayıf kuvvet olarak adlandırılan kuvvette birleştirilmesidir. Bu birleştirme, 19. yüzyılda J.C. Maxwell tarafından elektrik ve manyetik kuvvetlerin tek bir elektromanyetik teoride birleştirilmesiyle kıyaslanabilecek bir dönüm noktasıdır. Fizikçiler tüm kuvvetleri Büyük Birleşik Teori ile tanımlamanın mümkün olduğunu düşünmektedir.

Fizikçiler ilk olarak 1960’larda Higgs alanı teorisini oluşturmuş ve 1964 yılında Higgs bozonunun varlığını öngörmüşlerdir. 4 Temmuz 2012’de CERN laboratuvarındaki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda iki uluslararası deneyde çalışan bilim insanları, keşfedilen bozonun farklı bozunum türlerinde görülen sinyalleri birleştirerek Higgs bozonunun keşfedildiğini duyurmuştur. Keşif, binlerce fizikçi ve mühendisin yaklaşık elli yıllık çalışmalarının bir sonucudur ve LHC, Fermilab’ın Tevatron hızlandırıcısı ve CERN’in Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı’ndaki araştırmaları içermektedir.

Standart Model’in teorik olarak kendi içinde tutarlı olduğuna inanılmasına ve deneysel tahminler sağlamada bazı başarılar göstermesine rağmen, bazı fiziksel olayları açıklamasız bırakmakta ve bu nedenle temel etkileşimlerin eksiksiz bir teorisi olmaktan uzak kalmaktadır. Örneğin, baryon asimetrisini tam olarak açıklayamamakta, genel görelilik tarafından tanımlanan kütle çekim teorisini tam olarak içermemekte veya muhtemelen karanlık enerji tarafından tanımlanan evrenin hızlanan genişlemesini hesaba katmamaktadır. Model, gözlemsel kozmolojiden çıkarılan gerekli tüm özelliklere sahip, uygulanabilir herhangi bir karanlık madde parçacığı içermemektedir. Ayrıca nötrino salınımlarını ve bunların sıfır olmayan kütlelerini de içermemektedir.

Standart Model’in geliştirilmesi hem teorik hem de deneysel parçacık fizikçileri tarafından yönlendirilmiştir. Standart Model teorisyenler için bir kuantum alan teorisi paradigmasıdır ve kendiliğinden simetri kırılması, anomaliler ve pertürbatif olmayan davranış da dahil olmak üzere çok çeşitli fenomenler sergiler. Karanlık maddenin varlığı ve nötrino salınımları gibi Standart Model ile çelişen deneysel sonuçları açıklamak için varsayımsal parçacıklar, ekstra boyutlar ve ayrıntılı simetriler (süpersimetri gibi) içeren daha egzotik modeller oluşturmak için bir temel olarak kullanılır.

Fermiyonlar

Standart Model, fermiyon olarak bilinen 12 adet spin 1⁄2 temel parçacık içerir. Spin-istatistik teoremine* göre, fermiyonlar Pauli dışlama ilkesine** uyar. Her fermiyonun karşılık gelen bir antiparçacığı vardır.

* Kuantum mekaniğinde spin-istatistik teoremi, bir parçacığın içsel spinini (yörünge hareketinden kaynaklanmayan açısal momentum) uyduğu parçacık istatistiği ile ilişkilendirir. İndirgenmiş Planck sabiti ħ birimlerinde, 3 boyutta hareket eden tüm parçacıklar ya tam sayı spine ya da yarım tam sayı spine sahiptir

** Kuantum mekaniğinde Pauli dışlama ilkesi, yarı tamsayı spinli iki veya daha fazla özdeş parçacığın (yani fermiyonların) bir kuantum sistemi içinde aynı kuantum durumunu aynı anda işgal edemeyeceğini belirtir. Bu ilke Avusturyalı fizikçi Wolfgang Pauli tarafından 1925 yılında elektronlar için formüle edilmiş ve daha sonra 1940 tarihli spin-istatistik teoremi ile tüm fermiyonlara genişletilmiştir.

Fermiyonlar nasıl etkileştiklerine (ya da eşdeğer olarak hangi yükleri taşıdıklarına) göre sınıflandırılırlar. Altı kuark (yukarı, aşağı, tılsım, garip, üst, alt) ve altı lepton (elektron, elektron nötrinosu, müon, müon nötrinosu, tau, tau nötrinosu) vardır. Her sınıf, kuşak adı verilen benzer bir fiziksel davranış sergileyen parçacık çiftlerine ayrılır (tabloya bakınız).

Kuarkların belirleyici özelliği renk yükü taşımaları ve dolayısıyla güçlü etkileşim yoluyla etkileşime girmeleridir. Renk kapanması olgusu, kuarkların birbirlerine çok güçlü bir şekilde bağlanarak hadron adı verilen ve ya bir kuark ve bir antikuark (mezonlar) ya da üç kuark (baryonlar) içeren renk açısından nötr bileşik parçacıklar oluşturmasıyla sonuçlanır. En hafif baryonlar proton ve nötrondur. Kuarklar ayrıca elektrik yükü ve zayıf izospin taşırlar. Bu nedenle elektromanyetizma ve zayıf etkileşim yoluyla diğer fermiyonlarla etkileşime girerler. Kalan altı fermiyon renk yükü taşımaz ve lepton olarak adlandırılır. Üç nötrino da elektrik yükü taşımaz, bu nedenle hareketleri yalnızca zayıf nükleer kuvvet ve kütleçekiminden doğrudan etkilenir, bu da tespit edilmelerini zorlaştırır. Buna karşın elektron, müon ve tau elektrik yükü taşımaları nedeniyle elektromanyetik olarak etkileşirler.

Bir neslin her bir üyesi, kendisinden önceki herhangi bir neslin karşılık gelen parçacığından daha büyük kütleye sahiptir. Birinci nesil yüklü parçacıklar bozunmaz, dolayısıyla tüm sıradan (baryonik) madde bu tür parçacıklardan oluşur. Spesifik olarak, tüm atomlar atom çekirdeklerinin etrafında dönen elektronlardan oluşur ve sonuçta yukarı ve aşağı kuarklardan meydana gelir. Öte yandan, ikinci ve üçüncü nesil yüklü parçacıklar çok kısa yarı ömürlerle bozunurlar ve sadece çok yüksek enerjili ortamlarda gözlemlenirler. Tüm nesillerden nötrinolar da bozunmaz ve evrenin her yerine yayılır, ancak nadiren baryonik madde ile etkileşime girer.

Kuark

Kuark, bir tür temel parçacık ve maddenin temel bir bileşenidir. Kuarklar birleşerek hadron adı verilen bileşik parçacıkları oluştururlar; bunların en kararlıları atom çekirdeğinin bileşenleri olan proton ve nötronlardır. Yaygın olarak gözlemlenebilen tüm maddeler yukarı kuarklar, aşağı kuarklar ve elektronlardan oluşur. Renk hapsi olarak bilinen bir olgu nedeniyle, kuarklar asla tek başlarına bulunmazlar; yalnızca baryonları (protonlar ve nötronlar gibi) ve mezonları içeren hadronların içinde veya kuark-gluon plazmalarında bulunabilirler. Bu nedenle, kuarklar hakkında bilinenlerin çoğu hadronların gözlemlerinden elde edilmiştir.

Kuarklar elektrik yükü, kütle, renk yükü ve spin gibi çeşitli içsel özelliklere sahiptir. Parçacık fiziğinin Standart Modeli’nde temel kuvvetler olarak da bilinen dört temel etkileşimin (elektromanyetizma, kütle çekimi, güçlü etkileşim ve zayıf etkileşim) tümünü deneyimleyen tek temel parçacıklar olmalarının yanı sıra elektrik yükleri temel yükün tam sayı katları olmayan bilinen tek parçacıklardır.

Kuarkların çeşidi olarak bilinen altı türü vardır: yukarı, aşağı, charm, garip, üst ve alt. Yukarı ve aşağı kuarklar tüm kuarklar arasında en düşük kütleye sahiptir. Daha ağır kuarklar, bir parçacık bozunumu süreciyle hızla yukarı ve aşağı kuarklara dönüşür: daha yüksek kütleli bir durumdan daha düşük kütleli bir duruma dönüşüm. Bu nedenle, yukarı ve aşağı kuarklar genellikle kararlıdır ve evrende en yaygın olanlarıdır, oysa garip, tılsım, alt ve üst kuarklar yalnızca yüksek enerjili çarpışmalarda (kozmik ışınları içeren ve parçacık hızlandırıcılarında olduğu gibi) üretilebilir. Her kuark çeşidi için, kuarktan yalnızca bazı özelliklerinin (elektrik yükü gibi) eşit büyüklükte ancak zıt işaretli olmasıyla ayrılan ve antikuark olarak bilinen karşılık gelen bir antiparçacık türü vardır.

Lepton

Parçacık fiziğinde bir lepton, güçlü etkileşimlere girmeyen yarım tamsayı spinli (spin 1⁄2) temel bir parçacıktır.[1] İki ana lepton sınıfı mevcuttur: yüklü leptonlar (elektron benzeri leptonlar veya müonlar olarak da bilinir) ve nötr leptonlar (daha çok nötrinolar olarak bilinir). Yüklü leptonlar diğer parçacıklarla birleşerek atom ve pozitronyum gibi çeşitli bileşik parçacıklar oluşturabilirken, nötrinolar nadiren herhangi bir şeyle etkileşime girer ve sonuç olarak nadiren gözlemlenir. Tüm leptonlar arasında en iyi bilineni elektrondur.

Üç nesil olarak gruplandırılmış, flavor olarak bilinen altı tür lepton vardır.[2] Elektronik leptonlar olarak da adlandırılan birinci nesil leptonlar elektronu ( e- ) ve elektron nötrinosu ( ν e); ikincisi müonik leptonlardır ve müon ( μ- ) ve müon nötrinosu ( ν μ); ve üçüncüsü tauonik leptonlar olup, tau ( τ- ) ve tau nötrinosu ( ν τ). Elektronlar tüm yüklü leptonlar arasında en az kütleye sahip olanlardır. Daha ağır olan müonlar ve taular, parçacık bozunumu süreciyle hızla elektronlara ve nötrinolara dönüşecektir: daha yüksek kütleli bir durumdan daha düşük kütleli bir duruma dönüşüm. Bu nedenle elektronlar kararlıdır ve evrendeki en yaygın yüklü lepton iken, müonlar ve taular yalnızca yüksek enerjili çarpışmalarda (kozmik ışınları içeren ve parçacık hızlandırıcılarında gerçekleştirilenler gibi) üretilebilir.

Leptonlar elektrik yükü, spin ve kütle gibi çeşitli içsel özelliklere sahiptir. Ancak kuarklardan farklı olarak leptonlar güçlü etkileşime tabi değildir, ancak diğer üç temel etkileşime tabidirler: yerçekimi, zayıf etkileşim ve elektromanyetizma, bunlardan ikincisi yükle orantılıdır ve bu nedenle elektriksel olarak nötr nötrinolar için sıfırdır.

Bozon

Parçacık fiziğinde, bir ayar bozonu, temel fermiyonlar için kuvvet taşıyıcısı olarak işlev gören bozonik bir temel parçacıktır. Etkileşimleri bir gauge teorisi tarafından tanımlanan temel parçacıklar, genellikle sanal parçacıklar olarak gauge bozonlarının değişimi yoluyla birbirleriyle etkileşirler.

Fotonlar, W ve Z bozonları ve gluonlar gauge bozonlarıdır. Bilinen tüm ayar bozonlarının spini 1’dir; karşılaştırma için Higgs bozonunun spini sıfırdır ve varsayımsal gravitonun spini 2’dir.

Gauge bozonları diğer bozon türlerinden farklıdır: birincisi, temel skaler bozonlar (Higgs bozonu); ikincisi, kuarklardan oluşan bileşik bozonlar olan mezonlar; üçüncüsü, bazı atomlar gibi daha büyük bileşik, kuvvet taşımayan bozonlar.

Higgs Bozonu

Bazen Higgs parçacığı olarak da adlandırılan Higgs bozonu, parçacık fiziği teorisindeki alanlardan biri olan Higgs alanının kuantum uyarılmasıyla üretilen parçacık fiziğinin Standart Modelindeki temel bir parçacıktır. Standart Model’de Higgs parçacığı, sıfır spinli, çift (pozitif) pariteli, elektrik yükü olmayan ve kütleyle eşlenen (etkileşen) renk yükü olmayan büyük bir skaler bozondur. Ayrıca çok kararsızdır, oluştuktan hemen sonra başka parçacıklara bozunur.

Higgs alanı, zayıf izospin SU(2) simetrisinin karmaşık bir çiftini oluşturan iki nötr ve iki elektrik yüklü bileşene sahip skaler bir alandır. “Meksika şapkası şeklindeki”*** potansiyeli, elektrozayıf etkileşimin zayıf izospin simetrisini kıran ve Higgs mekanizması yoluyla birçok parçacığa kütle veren her yerde (aksi takdirde boş uzay dahil) sıfır olmayan bir değer almasına yol açar.

*** Tabanında bir çukur bulunan yukarı doğru simetrik bir kubbe düşünün. Kubbenin en tepe noktasına bir top yerleştirilirse, sistem merkez eksen etrafındaki dönüşe göre simetrik olur. Ancak top kubbeden aşağıya, en düşük enerjili nokta olan çukura yuvarlanarak bu simetriyi kendiliğinden bozabilir. Daha sonra top, çevre üzerindeki sabit bir noktada durur. Kubbe ve top bireysel simetrilerini korurlar, ancak sistem korumaz.

En basit idealize rölativistik modelde, kendiliğinden kırılan simetri açıklayıcı bir skaler alan teorisi ile özetlenmiştir.