bilim: Haziran 2015

Kuarklar: Yapılan ince ve titiz araştırmalar atom çekirdeğinin temeli olan protonların dolaysıyla nötronların kuark, gluon ve lepton adı verilen daha alt parçacıklardan oluştuklarını göstermektedir. Burada kuarklar en dikkat çekici parçacıklardır.

Yapılan titiz ve ince hesapların sonucunda protonları oluşturan kuarklardan birinin boyutunun sadece 10üzeri eksi18 (0,000000000000000001) metre olduğu bulunmuştur.

İlginç olan ise elektronların kuarklardan çok daha küçük oldukları geçeğidir.

Elektronlar kütle olarak diğer atom içi parçacıklardan olan nötron ve protonlarla kıyaslanırsa ancak iki binde biri kadardır.

Diğer ifade ile iki bin elektron bir araya gelip bir grup oluştursa bir protonunun kütlesine ancak eşit hâle gelebilir.
* * * * *
image

Kuarklar atom içi parçacılarını gruplar halinde oluştururlar. Bu parçacıklara kuark grupları adı verilir.

Bu grupta:

Proton ve nötronlar. (Üç kuarklı gruplardan oluşmuştur. Atom çekirdeğinin temelleridir.)

Hadronlar da denilen baryonlar ve mezonlar; (Baryonların yüz yirmi çeşit üyesi vardır. Baryonlar üç, mezonlar iki kuarklı gruplardan oluşur. Mezonların yüz kırka yakın çeşidinin bulunduğu tespit edilmiştir. Pion ve Müonlar mezonlar grubundandır.)

Leptonlar (Elektronlardan daha ağır müon, tau gibi atom içi parçacıkların bozunum, dönüşüm ya da yok edilme süreçleri sonunda ortaya çıkan, kısa ömürlü önce hafif leptonlara sonra elektronlara dönüşen atom içi parçacıklar grubudur.

Spin denilen Fermionlar ve Bozonlar bulunur. (Bir cismin kendi etrafında dönmesinden kaynaklanan açısal momentuma spin denir. Kuarkların birleşerek çeşitli atom içi parçacıklar oluşturması sırasında spin farklılıkları çok büyük önem taşır.)

* * * * *

Altı kuark, anti kuarkları ile birlikte üç guruba ayrılır.
Kuarkları tek başlarına asla gözlemleyemeyiz. Kuarklar hadron olarak bilinen parçacıklar içerisinde hapis olmuştur diyebiliriz.

Kuarklar protonlar ve elektronlar gibi elektrik yüklerine sahiptir.

Bununla beraber elektrik yükleri kuarklarda + (artı)1/3, + 2/3 anti kuarklarda eksi (-) şeklinde kesirlidir.

Fakat parçacıkları oluştururlarken birbirleriyle birleştiklerinden yükleri daima tamsayıdır.

Üç kuarkın bir araya gelmesi ile baryonlar, bir kuark ve bir anti kuarkın bir araya gelmesi ile mezonlar oluşur. Baryonlara iki örnek proton ve nötrondur.

Proton iki üst (up) kuark ve bir alt (down) kuarkın bir araya gelmesi ile oluşur. Şekilde görüldüğü gibi her bir kuarkın yükü toplanıp proton için yük +1 elde edilir.
Doğanın gözlememize izin verdiği tüm parçacıklar renksizdir ve kuarklarda renkli olduğu için yalnız başlarına görülemezler. Kuarkları renkli ve görünür yapmak için bunları bir araya getirerek hadronları oluşturmak gerekir.

Protonları oluşturan kuarklar ikili ya da üçlü sayılardadır ve hiçbir şekilde birbirlerinden çok fazla uzaklaştırılamazlar.
Bunun nedeni de çekirdek içindeki parçacıkları bir arada tutan güçlü nükleer kuvvettir. Bu kuvvet, kuarklar arasında adeta bir lastik bant gibi görev yapar.
Kuarkların arası açıldıkça bu kuvvet büyür ve iki kuark birbirinden en fazla 1 metrenin katrilyonda biri kadar uzaklaşabilir.

Kuarklar arasındaki bu lastik bağlar, güçlü nükleer kuvveti taşıyan gluonlar sayesinde oluşur.

Kuarklarla gluonlar birbirleriyle son derece güçlü bir iletişim halindedirler. Ancak, bilim adamları bu iletişimin nasıl gerçekleştiğini hâlen keşfedememişlerdir.

= = = =

Nötron iki alt (down) kuark ve bir üst (up) kuarktan meydana gelir. Kuarkların yüklerini tekrar toplarsak 0 olan nötronun yüküne ulaşırız.
= = = =

Mezon için bir örnek piondur. Pion bir üst (up) bir de alt (down) kuarkın bir araya gelmesi ile oluşur. Mezonlar parçacık ve anti parçacık kombinasyonu olduğundan kararsız bir yapı gösterirler ve çok hızlı bozulurlar.
= = = =

Şüphesiz ki parçacık fiziği var oluşun temellerini aydınlatma bakımından çok önemlidir. Bilim insanları bu konuda yoğun çalışmalar içindedir.

Atomlar son derece küçük oldukları halde kütlesel ve elektriksel dengeler içeren kompleks hareket ve yapılar içerir.

Bu yapıyı oluşturan birbirine benzer parçacıkların en önemlisi kuarklardır.

Kuarklarda değişik yön, açı ve hızlarda birleşip gruplar oluşturarak protonları meydana getirirler. Hareketleri elektronların çekirdek etrafındaki dönüşlerine benzer.

Kuarklar çeşitli yön, açı ve hızlarda değil de aynı açı, hız ve yönde birleşip hareket etselerdi ne olurdu?

Bu soruya verilecek tek cevap vardır ki o da; kuarklar aynı yön, hız ve açıda bir araya gelselerdi birleşip tek bir kuark haline alırlar, bu nedenle de protonlar meydana gelemezdi. Bunun nedeni de aynı hız ve yönde üç enerjinin ayrı ayrı bulunmasının mümkün olmadığıdır.

Kuarklar ise pozitif elektrik yüklü enerji parçacıklarıdır.

Protonların oluşabilmesi için kuarkların ayrı, ayrı bulunması gereklidir.

Bunun tek yolu da kuarkların ayrı yön, hız ve açılarda hareket etmeleridir.

Ayrı yön, hız ve açılarda hareket ettikleri takdirde protonları oluşturma yönünden birbirleriyle kaynaşıp birleşemezler.

Kuarklar üçerli gruplar halinde birleşerek protonları, protonlar elektronlarla birleşerek nötronları, proton ve nötronlar birleşerek çekirdekleri meydana getirdiklerini düşünürsek bu oluşumun (spin hareketinin) var oluşun en önemli temellerinden biri olduğunu görürüz.

Stephen Hawking bu durumu şöyle ifade etmiştir:

-Eğer dünya, dışlama ilkesi olmadan yaratılsaydı kuarklar, birbirinden ayrı ve kesin tanımlı proton ve nötronları oluşturamazdı. Proton ve nötronlar da elektronlarla birlikte atomları oluşturamazlardı.
Hepsi, oldukça düzgün, yoğun bir çorba oluşturmak üzere bir araya çöker ve öylece kalırdı.
= = = =
image
Atom içi parçacıkların parçacıkları olarak tanımlayabileceğimiz kuarklar gibi oluşumlarla ilgili tanımış ve muteber zannettiğimiz bir ansiklopedi şunları yazmaktadır.

Protonlar, atom çekirdeğini oluşturan parçacıkların en önemlisidir. Protonlarda kuarklardan meydana gelmektedir. Kuarklar ise, kimse tarafından görülmeyen ve genleşme değerinin sıfır olduğu kabul edilen küçük enerji yapılarıdır.

Fizikçiler var oluşun temelini ya da çekirdeğini bulmaya yönelik yüzyıllar süren çalışmalarında maddenin derinliklerini ulaşmayı çabaladılar.

Önce atomları, sonra atom çekirdeğini, ardından da atom çekirdeğindeki alt yapılar olan protonları, nötronları ve diğer yüzlerce elementer parçacıkları keşfettiler.

En sonunda zengin bir hayvanat bahçesini andıran bu parçacıklar dünyasını Standart Teori adını taşıyan oldukça karmaşık bir teoriyle düzenlediler.

Bu teori çekirdeği, kuark, gluon ve lepton gibi bazen madde, bazen enerji yapısında olan ve şüpheli durumlarda aniden kaybolan tuhaf davranışlı parçacıklar olarak tanımlanan yapı taşlarından oluşan hareketli diğer ifade ile kaçmaya, kaybolmaya hevesli bir yapı olarak tanımlanmaktadır.

Bu gün belki de en iyi bildiğimiz hiçbir şeyin bildiklerimizle sınırlı olmadığıdır.

Kuarklar sadece ikili ya da üçlü gruplar halinde bulunuyor ve bünyelerinde gizemli renkler taşıyorlar.

Gluonlar ise proton ve nötron gibi parçacıkların içinde yaşıyorlar.

Bütün hepsi bir araya geldiğinde aşırı çekingen bir yapı sergiliyor, gözlendiğini fark edince yapısını değiştiriyorlar.

Aslında bu teori, daha çok mistik bir etki yaratıyor.

İleri sürülenler, herkes tarafından kavranamayacağı için, bazı bölümleri gizli tutulan özel bir bilgi görüntüsü çiziyor. Ancak teorinin maddenin standart modeli diye verilen ismi sanki her şey kontrol altındaymış izlenimini veriyor.

Teori var oluşun en merkezde sadece iki parçacık grubundan yani altı farklı yapıdaki kuarklar ve akrabalarıyla birlikte elektronlardan oluştuğunu ileri sürüyor.

Dünya, çeşitli kuvvet parçacıklarının meydana getirdiği dört temel kuvvet sayesinde bir arada kalıyor.

Bunlardan birincisi, elektronları atom çekirdeğine bağlayan, elektrik akışını sağlayan ve bütün kimyasal olayların temelinde yer alan elektromanyetik kuvvet. (Geniş bilgi için elektromanyetik kuvvet bölümüne bakınız)

İkincisi, günlük yaşamda kesinlikle fark edilmemekle birlikte radyoaktif parçalanma ve güneş üzerindeki olaylarda rol oynayan zayıf nükleer kuvvet. (Geniş bilgi için zayıf nükleer kuvvet bölümüne bakınız)

Üçüncüsü, atom çekirdeğinin dağılmasını önleyen ve atom bombasının patlaması sırasında açığa çıkan güçlü nükleer kuvvet. (Geniş bilgi için güçlü nükleer kuvvet bölümüne bakınız)

Dördüncüsü ise, elmanın ağaçtan düşmesini sağlayan, yeryüzünün dağılmasını önleyen ve yıldızlar, gökadalar ve gökada yığınlarının şekillenmesini sağlayan kütle çekim kuvveti. (Geniş bilgi için kütle çekim kuvveti bölümüne bakınız)

Ancak, fizikçiler standart model konusunda sıkıntılar yaşıyorlar.

Karşı parçacıklar, farklı renkteki kuarklar ve kuvvet parçacıklarının hepsi dâhil edildiğinde model, 61'den fazla parçacığı kapsıyor.

Ama, modelde yer alan kuarkların birbirinden çok farklı kütlelere sahip olmalarının nasıl açıklanması gerektiğini, ayrıca bu parçacıkların birçoğuna neden ihtiyaç duyduğumuzu kimse açıklayamıyor.

Günlük dünyamız iki kuark ve bir elektronla şekilleniyor. Öyleyse geri kalanlar ne işe yarıyor?
Bilim dünyasını en çok meşgul eden konulardan biride var oluşun en küçük parçalarından biri olan kuarklarında bileşik olup olmadığıdır.

Daha net ifade ile kuarkları meydana getiren daha küçük parçacıklar gerçekten var mıdır?

Bu konuda bir üniversitemizde yapılan çalışmalarla ilgili yazıyı özetle alıyoruz.

….Araştırmacıların kesin olarak bildikleri bir şey var. Kuarkların içinde gerçekten daha küçük parçacıklar bulunuyorsa, bu parçacıklar aşırı derecede yüksek enerjiye sahip olmalıdırlar.

Çünkü, kuark milimetrenin milyarda birinin milyonda biri büyüklüğe sahip.

Bu kadar küçük bir alanda hareket edebilen bir parçacığın, Heisenber’in Belirsizlik Teorisine göre, yüksek bir hıza ve onunla birlikte de yüksek bir enerjiye sahip olması gerekiyor.

Bu nedenle elementer parçacık fiziği uzmanları, Chicago kentinin kenarına kurulmuş Tevatron dairesel hızlandırıcıyı çalıştırıp, içine o güne kadar kullanılan en yüksek enerji olan 900 milyar elektron voltluk enerjiyi pompaladıklarında çok heyecanlanmışlardı.

Deneyleri için, saniyeler süren bir zaman diliminde, Chicago’nun bir yıllık elektrik tüketimine karşılık gelecek kadar enerji kullanılmıştı.

Proton paketleri artan bir hızla yeraltındaki tünelin içinde uçuyor ve tünel duvarında yer alan dev elektromıknatıslarla yönlendiriliyordu.

Proton paketleri en yüksek hıza ulaştığı anda bir karşı madde paketine çarptı.

Parçalanması mümkün olmayan parçacıkların bozulması da söz konusu olamaz. Ancak tuhaf bir şekilde milyonlarca dolar değerindeki dev ölçüm cihazları, paketlerin her milyarıncı karşılaşmalarında, çarpışmanın gerçekleştiği noktanın sağ köşesinden fırlatılan parçacık yağmurları kaydettiler.

Sanki parçacıklar, kuarkların içinde bulunan çok yoğun bir şeyle çarpışmışlardı.

Aslında bu, gerçekleşmesi mümkün olmayan bir şeydi.

Bilim insanları deneyi tekrarladılar. Bu esrarengiz parçacık yağmuru yeniden oluştu. Fizikçiler bir sorunla karşı karşıyaydılar.

Fermi Laboratuarı araştırmacısı William Carithers, altı yıl önce “Öyle görünüyor ki, kuarklar maddenin temel parçacıkları değiller ve başka bir tür içyapıya sahipler” demişti.

Böylece, standart model proton paketlerinin yağmurları altında erimeye başlamıştı.

Var oluşta kuarktan daha küçük yapı taşları mevcut olabilirdi. Bunlara preonlar ya da sade basit anlamına gelen haplonlar adı veriliyor.

Şu anda bu parçacıklarla ilgili bilinen tek şey de bu zaten.

Preonlar sadece, kuarkları parçalamak için çok fazla enerji kullanıldığında kendilerini gösteriyorlar.

Fizikçilerin deneyinde ortaya çıkan bu şaşırtıcı bulgunun, kuarkların parçalanması mı, yoksa bir hesap hatası nedeniyle ortaya çıkan bir sonuç mu olduğu tam anlamıyla bilinmiyor.

Çünkü, Chicago'da bulunan ve adı Dzero olan bir diğer araştırma grubu, deneyi tekrarlamış ve preonlara ulaşamamıştı. Ancak bu, onların olmadığı anlamına gelmiyor. Belki de deneylerinde daha çok
enerji kullanmaları gerekiyor.

Bu yüzden bilim insanları, atom çekirdeğinin daha derinliklerindeki bilinmeyenlere ulaşabilmek için hükümetlerinden, yeni ve daha dev boyutlarda dairesel hızlandırıcılar talep ediyorlar.

Ancak, böyle tesisler o kadar maliyetli ki, bunu tek başına bir devletin karşılaması mümkün değil.

Yukarıdaki sorulara verilecek yanıtlar var oluşun temellerini oluşturan yanıtlar olacaktır.

Yapılacak buluşlar insanlığın içinde bulunduğu sis perdesinin aralanmasına büyük katkılar sağlayacak, gerçekler daha net ortaya konulabilecek, belki de insanoğlu nice bin yıllardır bocalayıp durduğu şüpheler denizinden kurtulacak, inkâr edilemez bir şekilde gerçekleri bulacak, bu gerçeklere göre yolunu çizecektir.
Bugün bilim adamları bu konu ile ilgili çeşitli tezler öne sürerler ama görülen odur ki bu sınır fiziksel evrenin son noktasıdır. Bunun altında bulunacak olan her şey madde ile değil, ancak enerji ya da henüz bilmediğimiz daha farklı bir şey ile ifade edilebilir.

Şüphesiz ki insanoğlu zaman alsa da bu sis perdesini de aralayacak, gerçeklerin en azından bir kısmını görebilecektir.

Unutmaması gereken şudur ki teknolojinin desteklediği çok uzun, yoğun ve yorucu çalışmalar sonucunda ancak bir kısmına ulaşabildiği bu gerçeklerin var oluşun ilk anlarından beri var olduğudur.

bilim

4 Haziran 2015 Perşembe

İKİ GÜNEŞLİ DÜNYAYA DOĞRU... BETELGEUSE YILDIZI PATLAYACAK

KUARKLAR

Büyütme sağlayan kontakt lens