|
HadronlarKuarklar üçlüler
halinde bir araya gelerek, daha pek çok diğer
parçacık oluşturuyor. Baryonlar ailesinin bilinen,
yaklaşık 120 çeşit üyesi var. Bazılarında üç
kuarkın spini de aynı yönde oluyor ve bu durum,
toplam spini 3/2 olan, daha ağır veya yüksek
enerjili baryonlara vücut veriyor. Dolayısıyla,
parçacıkların hepsinde; elektrik yükü e'nin
tamsayı katları halinde iken, renk yükü nötür,
spin ise 1/2 veya 3/2 oluyor.
Dikkat edilecek
olursa, protonlarla nötronlar, birinci nesile ait
kuark üçlülerinden oluşuyor. Bu hafif kuarkların
pek çok farklı dizilimleri var. Örneğin (y-y-y)
veya (a-a-a), Δ++ veya çok kısa ömürlü
Δ parçacıklarına vücut veriyor. İkinci veya üçüncü
nesil kuark üçlülerinden oluşan, daha ağır
baryonlar da var. Bunlara 'hiperon'lar deniyor ve
bunların ömürleri çok kısa oluyor.
İkili kuark sistemlerinden oluşan mezonlar
ailesi ise, sayıca 140 civarında. Hep; bir kuarkla,
herhangi bir karşıtkuarktan oluşuyorlar. Örneğin
pion parçacığı (π+), bir 'yukarı kuark'
ile bir 'aşağı karşıtkuarktan' oluşan bir (y-ak)
mezon. Yukarı kuarkın elektrik yükü +2/3, aşağı
karşıtkuarkınki +1/3 olduğundan, pionun net yükü
+1 oluyor. Renk yükü ise; sözkonusu yukarı kuark
ile aşağı karşıtkuark, örneğin 'mavi ve karşıt
mavi' gibi birbirinin karşıtı olan renk yüklerine
sahip olduklarından; nötür. Spine gelince,
bileşimdeki iki parçacığın 1/2 olan spinleri zıt
yönlerde eşleştiklerinden, 0 oluyor. Spinlerden
birinin diğerine paralel hale getirilmesi halinde
bu parçacık, spini 1 olan daha ağır veya yüksek
enerjili ro mezonuna (ro+) dönüşüyor. Çünkü
atomlardaki elektronların spinlerinin yönlerini
paralel hale getirmek birkaç elektron voltluk az
miktarda enerji gerektirirken, kuark gruplarında
bu işlem MeV'ler düzeyinde enerji gerektiriyor.
Pionun karşıt parçacığı (π-) ise, pionu
oluşturan temel parçacıkların karşıtlarından, yani
bir aşağı kuark ile bir yukarı karşıtkuarktan (a-yk)
oluşuyor. Aşağı kuarkın elektrik yükü -1/3, yukarı
karşıt kuarkınki -2/3 olduğundan, karşıt pionun
toplam veya net yükü -1 oluyor. Aşağı kuark ile
yukarı karşıtkuarkın renk yükleri birbirinin
karşıtı olduğundan, renk yükü nötür. Spin ise,
bileşimdeki iki parçacığın ½ olan spinleri zıt
yönlerde eşleştiklerinden, keza 0 oluyor.
Mezonlar bir temel
parçacıkla bir karşıt parçacıktan
oluştuklarından dolayı, genelde çok kararsızdır
ve hızla diğer parçacıklara bozunurlar. Ancak,
bir garip ve yukarı karşıtkuarktan (g-yk) oluşan
kaon (K-) mezonu, bu açıdan bir
istisna oluşturuyor ve diğer mezonlardan çok
daha uzun bir ömre sahip. Bu yüzden bir bakıma
'garip' davranıyor ve 'garip kuark'a adını veren
de kaonun bu özelliği.
Baryonlarla
mezonlar birlikte, 'hadronlar' olarak
anılıyor. Aynı kuark bileşimi, uyarılmış
farklı enerji durumlarında olabiliyor ve
yandaki şekilde görüldüğü gibi; çok kısa
ömürlü, daha ağır parçacıklara vücut
verebiliyor.
Bazı mezonlar,
örneğin ηc mezonunu oluşturan cc'
ikilisinde olduğu gibi, birbirinin karşıtı
olan kuarklardan oluşuyor. Bu durumda mezon,
kendi kendisinin karşıt parçacığı oluyor.
Üstteki şekil baryon ve mezon ailelerini
temsil ediyor. Baryonların üst kısmını
oluşturan altıgenin ortasında iki baryon daha
var. Nötron ve protonu içeren bu 8'li ailenin
üyeleri için spin 1/2 iken, alttaki 10'lu
baryon ailesinin üyeleri 3/2 spine sahip.
Mezonlar için benzer şekilde, üstteki 8'li
aile için spin 0, alttaki 10'lu aile için ise
1. Türk kuramsal fizikçisi Feza Gürsey'in,
İtalyan meslektaşı L. Radicati ile birlikte
önerdikleri SU(6) grup simetrisi bu spin
değerlerini doğal bir şekilde açıkladığı gibi,
örneğin 8 ve 10'lu baryon ailelerini bir
süperaile içinde başarıyla birleştirerek,
deneylerle de kanıtlanan birçok yeni ilişki
ortaya koyuyor.
Bu aşamada dikkat
edilecek olursa; baryon veya mezon aileleri
farklı spin değerleri alabilirken, elektrik
yükleri hep e'nin tamsayı katları oluyor. Renk
yükü ise, hepsinde nötür. Bu son husus, yani
renk yükünün nötür olması, aslında gözlemlenen
bütün parçacıklar için geçerli. Yani
gözlemlenebilir parçacıkların hepsinin nötür
renk yüküne sahip bulunması veya nötürden
başka renk yükününün 'gözlenemez' olması
gerekiyor. Bu durum kuarkların; oluşturdukları
parçacıkların içinde, diğer kuarklarla
birlikte hapis olmalarından, yalnız başlarına
dışarı çıkamamalarından kaynaklanıyor.
Halbuki, örneğin nötron veya proton gibi bir
hadronun içindeki kuarklar, çok yüksek
potansiyel ve kinetik enerjilere sahipler.
Hatta, hadronun kütlesinin %98'den fazlası,
kuarkların bu enerjisinden oluşuyor...
Nasıl oluyor da
kaçamıyorlar?...
Çünkü; nötron
veya proton gibi bir hadronun içindeki
kuarklar, sürekli gluon alışverişinde
bulunuyorlar ve bu alışveriş, aralarında çok
şiddetli bir güçlü kuvvet çekimine yol açıyor.
Kuarklardan biri
diğerlerinden uzaklaşmaya kalkıştığında,
diğerleriyle arasındaki güçlü kuvvet alanı,
tıpkı lastik bir bant gibi geriliyor. Aradaki
uzaklık arttıkça, kuvvet alanında, giderek
artan miktarda potansiyel enerji birikiyor ve
bu birikim belli bir düzeye ulaştığında; güçlü
kuvvet alanının koparak, bir kuarkla bunun
kaşıtından oluşan yeni bir kuark çiftine vücut
vermesi, enerji açısından daha ekonomik
oluyor. Çünkü alanda depolanmış olan
potansiyel enerjinin bir kısmı, yeni
kuarkların kütlelerine dönüşüyor ve
böylelikle, aşırı gerilmiş olan güçlü kuvvet
alanı, önceki durumuna göre rahatlıyor. Bu
süreç sırasında enerji korunuyor ve sonunda,
her iki kuarkın da yanında, birer başka kuark
belirmiş olduğundan; kuarklar asla tek
başlarına kalamıyor ve dolayısıyla, herhangi
birinin taşıdığı renk yükü, yalın olarak
gözlenemiyor.
Buna karşılık,
güçlü kuvvet kuarklar birbirine yaklaştıkça
zayıflayarak bildiğimiz 1/r2
kuvvetinden çok farklı davranıyor ve Gürsey-Radicati
SU(6) simetisinin altında da zaten, güçlü
kuvvetin bu garip özelliği yatıyor
Bu durum,
kuarkların tek başlarına bulunamamalarını
gerektirdiği gibi; bir araya gelip parçacık
oluşturan kuark gruplarının da, toplam renk
yükü sıfır olan sistemlerle sınırlı
kalmasını gerektiriyor. Örneğin nötür renk
yükü ancak; ya üç farklı renk yükünün bir
araya gelmesiyle, ya da herhangi bir renkle
karşıtının birbirini nötürlemesiyle mümkün
olabiliyor. Bu gruplaşmalar gördüğümüz gibi,
baryonlarla mezonlara vücut veriyor. Fakat
Standart Model, toplam renk yükü sıfır
olduğu sürece, daha kalabalık kuark
gruplarına da izin veriyor; örneğin 4'lü,
5'li ve hatta daha fazla sayıda kuark
barındıran grupların varlığını mümkün
kılıyor. Nitekim 2003 yılında, dörtlü ve
beşli kuark sistemleri (tetrakuark ve
pentakuark) gözlemlenmiş durumda. Fakat
toplam renk yükünün nötürlüğünü
sağlayamayan; örneğin k, k-k, k-k-kk ve pek
çok diğer kuark kombinasyonuna sahip
parçacık, doğada görülmüyor.
Peki; kuarklar
üçlü diziler halinde baryonları, ikililer
halinde mezonları, dolayısıyla tüm
hadronları oluşturuyor:
Hadronlar(Yunaca güçlü, kuvvetli) güçlü
kuvveti hissederler. Bu yüzden
yakınlarındaki bir hadrona karşı
duyarlıdırlar. Denebilir ki hadronlar,leptonlardan
çok “büyüktür”. Aralarındaki uzaklık bir
fermiden (10
“Acayiplik” terimi tam yerinde bir sözcük:
proton,nötron ve pion gibi “sıradan”
parçacıkların acayiplikleri sıfırdır. Kaon
ve lambda gibi parçacıklara birer sayı
verilebileceğini ve bunların toplamının
parçacıklar çarpıştıklarında korunacağını
Gell-Mann keşfetti ve bu sayılar için
“acayiplik” sözcüğünü önerdi.
-13
cm) daha küçük olan iki hadron birbirinin
hareketini etkiler;yani etkileşirler. Bu
söylenenler leptonlar için hiç de doğru değil.
1970’e gelindiğinde hadronların iç yapılarının
oldukça karmaşık olduğu yeterince açıktı. Oysa
leptonlar, “noktasal parçacık” olarak
algılanıyordu. Bir hadron bir bakıma bazı gizemli
maddelerden yapılmış bir top gibidir.Hadronların
mezonlar ve baryonlar (Yunanca ağır) olarak alt
kısımlara ayrılması başlangıçta bunlar arasındaki
kütle farkına dayanıyordu: Mezonların kütleleri
genellikle leptonlarla baryonların kütleleri
arasında bulunmaktadır. Kütle tek başına bu
parçacıkların doğası hakkında her şeyi belirtmez;spine
de bakmak gerekir. Spin tam sayı ise parçacık bir
mezondur; spin tam sayı artı yarım ise bu takdirde
bir baryonumuz( ya da bir karşıbaryon) var
demektir. Bununla birlikte,daha da önemlisi,temel
parçacıklar arasındaki tüm olaylarda baryon sayısı
eksi karşıbaryon sayısı daima sabit kalır. Bir
şekilde “ baryon sayısının” korunmuş olduğunu
söyleriz.Hadronlar birbirleriyle çarpıştıkları
zaman başka cins “yüklerin” de sabit kalacağı
düşünülebilir. Bu durumda bir “korunum yasasından”
söz ederiz. Bu tür yüklerden birisi,”acayiplik”
yüküdür. Çoğu parçacığın sabit bir acayiplik yükü
vardır. A ve B parçacıkları çarpıştıktan sonra
ortaya C ve D parçacıkları çıkmışsa,böyle bir
çarpışma olayı yalnızca,A ve B’nin acayiplik
yüklerinin toplamının,C ve D’nin acayiplik
yüklerinin toplamına eşit olduğu zaman gözlenir.
Aynı şekilde A ve B’nin toplam enerjisi C ve D’nin
toplam enerjisine eşittir ve her parçacığın
momentumu (kütlexhız) da birbirine eşittir.
Enerjinin korunumu,momentumun korunumu ve
acayipliğin korunumu gibi korunum yasaları
parçacık fiziğinde hayati bir rol oynar.3
sembolü ile gösterdiğimiz “izospin” denilen bir
büyüklük daha var. “İzospin terimi garip
gelebilir;aslında bu terim dönme hareketinin ya da
“spinin” korunumunu hatırlatan korunum yasasının
matematiksel yapısından (s: 50) kaynaklanmaktadır.
İzospine göre proton ve nötron “nükleon” adı
verilen tek bir parçacık gibi ele alınır. Ancak
proton ve nötron “izospin uzayı” denilen bir “iç”
uzayda zıt yönlerde dönmektedir. Size bunlar
gizemli gelebilir,ancak bu benzetme bir
matematikçiye bu parçacıkların simetrileri
hakkında yeni anlayışlar kazandırır. Nükleonu
izospin uzayında değişik eksenler etrafında
döndürebilir ve buradan başka ilk korunum yasası,
elde edebilirsiniz. Acayiplik ve izospin sayıları,
her zaman aynı kalmaz. Çünkü çoğu bozunma
olayından zayıf kuvvet sorumludur ve zayıf kuvvet
bu korunum yasalarına uymaz. Elektromanyetik
kuvvet de izospini korumaz.
|