Madde alanındaki elektron bozuntusu (ripple).
(Kaynak: David Butler)
[Atomaltı Parçacık (subatomic particles) dünyası ayrı bir dünya…! Bu dünyaya biraz yaklaşınca, “madde/kuvvet alanları” nasıl meydana gelir/ortaya çıkar…” sorusu hemen akla takılıyor… Bu noktada, David Butler hızır gibi yetişti… Butler’in “You Tube” deki video-anlatımı bu konulara ilgi duyanlar (ve duyacaklar) için tam da doğru bir adres…Henüz keşfettiğimiz bu kaynağı bir solukta izledik, takiben de ayrıntılı okuduk…sizin için özetledik… Orijinal kaynakları inceleyebilecek okuyucuya, bu yazının sonunda belirtilen kaynakları “şiddetle” öneririz…! ]
Kuvvet Alanları (Force Fields) son zamanlarda ilgimizi daha fazla çekmekte… İnsan, bazı şeyleri öğrendikçe, içindeki öğrenme isteği ivmelenerek artıyor…! Bunun yaşla da bir ilgisi olsa gerek…!
Bu sitede daha önce yayımlanan yazılarda, “yüklü” parçacıkların, ivmelendiğinde elektromanyetik alanlar yarattığından bahsetmiştik… İlişkili olarak, bir alandaki “bozuntu” (disturbance) da, ışık taneciği olarak bildiğimiz, “foton” (photon) adı verilen parçacığın ortaya çıkmasını sağlayabilmekte…!
Bilim insanları elektromanyetik kuvvetin iletiminde gerçekte parçacık olmayan “sanal fotonları” (virtual photons) devreye sokmakta… Kuvvet alanını oluşturan “kuvvet parçacığı” konsepti genişletilerek, “madde alanı”nı (matter field) oluşturan madde parçacığına ulaşılmakta… Elektromanyetik Kuantum Alan Teorisinde bu parçacık: elektron…
Elektromanyetik kuvvet proton ve nötronlardaki kuarklar (quark) ile atom çekirdeğindeki proton ve nötronları bir arada tutan kuvvet “güçlü nükleer kuvveti” (strong nuclear force) moddellemek için elektromanyetik kuvvet kullanılmakta…
Tüm bunlar yetmezmiş gibi, bilim insanları bir de “renk şarjı”nı (color charge) tanımladı…! Tabiattaki renklerin görünmesini / algılanmasını da açıklayan bir kuantum olayı… Tabi, “gloun”dan bahsedince sanalını da tanımlamak gerekli…tek başına olamıyor…! Pionlar…nükleonlar (nucleon), kalıcı güçlü kevvetin sebeb olan nükleonlar arası etkileşim…
Protonun maddesinin kaynağının açıklanması nemli… Paracık fiziğinin Standart Modelini tamamlamak için “zayıf nükleer kuvvet” (weak nuclear force) ile onun taşıyıcıları olan “W” ve “Z” bozunları da açıklamak gerekli…Beta Bozunumu (Beta Decay) süreci kullanılarak bu kuvvetin gerçek bir parçacığı sadece ivmelendirmeyip nasıl değiştirebildiği açıklanmakta…
Bir Higgs Alanına ve Higgs Mekanizmasına geçişte, bir elementer parçacığın kütlesinin orijininin anlaşılmasında “spin osilasyonunun” (spin oscillation) da anlaşılması gerekli…Tüm diğer alanlar gibi, Higss Alanındaki bir bozuntu (durgun suya atılan taş…) da Higgs Bozonunu yaratıyor…
“Kuvvet Alanı” sözcüğü, ilk defa, manyetik alanları inceleyen Michael Faraday tarafından 1894’te kullanıldı…Birkaç yıl sonra, Maxwell elektrik ve manyetik alanların fiziğini geliştirdi… Kuantum Alanı Teorisi (Kuantum Field Theory), yakın zamana kadar boş olduğu düşünülen uzayda nelerin olup-bittiğini araştıran bir teori… Bir parçacıktan uzaktaki bir uzayda ortaya çıkan (veya varlığını sürdüren) kuvvetin tabiatını anlayabilmek için Higgs Bozonunu anlamak gerekli…!
Elektrik yüklü parçacıklar her yöne doğru uzanan elektromanyetik alan üretirler… Bu alan parçacığa bağlıdır… Parçacık, gideceği her yere bu alanı birlikte taşır… Kuantum Alanı Teorisinde, bunun gibi alanlar sürekli olmayıp, taneciklidir (quantized)… Küçük kütlesiz, enerjisiz “alan parçacıkları”dır…(Hayal edilmesi hiç de kolay değil…)
Bilim insanları fotonu elektrik alanındaki belirli bir çeşit “bozuntu” (excitation, vibration) olarak düşünmekte… Buna “mahalli olarak titreyen dalga” (localized vibrating ripple) gözüyle bakılmakta…Kendisini ve alanı ortaya çıkaran bir yaratıcı-parçacığa (ve enerji kaynağına) bağlı olmayan bu foton serbestçe yol almakta…
Potonun dalga denklemine göre kütlesinin, elektrik yükünün mevcut olmadığı, spin’inin “1” olduğu ve uzayda erişilebilen en yüksek hızla hareket ettiği biliniyor… Bilim insanları Enerji Parçacığı (Quanta) enerjisinin Plank Sabiti ile Kuanta’nın titreşim frekansının çarpımı kadar olduğunu belirledi…
Eğer bir foton parçacıklı elektromanyetik alanda lokalize titreşim dalgası (vibrating ripple) ise, elektronun da, evrendeki tüm uzaya yayılan kuantize madde alanında bir lokalize titreşim dalgası olabileceğini düşünüyor…
Foton gibi elektronun da, Schrödinger Dalga Denklemi (Schrödinger Wave Equation) ile tanımlanan dalga özellikleri mevcut… Elektronlar ve pozitronlar uzayın herhangi bir yeride ortaya çıkabilir (materialize)…! Bir foton elektron alanını (electron field) belirli bir dereceye kadar tetiklerse (disturb) elektronları temsil eden dalgalar ortaya çıkar…
Elementer parçacık etkileşimini göstermenin en uygun yolu, Nobel Ödüllü, Richard Feynman’ın 1948’de önerdiği Feynman Diyagramlarıdır…
Modern fizikte “boş uzay”ın mevcut olmadığı kabul edilmektedir… Kuvvet Alanları uzayı (her zaman) doldurur… B alanlar uzayın şartları veya özelliğidir…Kısaca, alanı mevcut olmayan bir uzay yoktur…!
Elektromanyetik kuvvet nasıl ortaya çıkar…
İki elektron birbirine yaklaştığında, bunların yükü (charge) elektromanyetik alanda bir bozuntuya yol açar… Bu bozuntu onların birbirinden uzaklaştıracak şekilde iter… Benzer durum bir elektron için pozitronun birbirine yaklaşması durumunda da geçerlidir…Bu cisimler birbirine doğru itilir…
Bir parçacık alandaki bir dalgalanmadır, uzayda düzgün bir şekilde ve efor gerektirmeden hareket eder… Bu bozuntu (disturbance) bir foton değildir… Uzayda iyi oluşmuş bir dalga olarak hareket edebilecek enerjiye sahip değildir…! Alandaki bu “sanal parçacık” (virtual particle) kendi kendine var olamayan, ancak, diğer parçacıkların (veya alanların) varolmasıyla ortaya çıkabilen, bir bozuntudur… Bu şekilde bir bozuntu, onu ortaya çıkmasına sebep olan şey yok olunca bozunur (decay) veya parçalanır…
Elektromanyetik alan ile elektron alanı (elektrik alanı) arasındaki bu çeşit bir etkileşme önemlidir,çünkü, iki şarjlı parçacığın birbirine uyguladığı kuvvet bu etkileşimden doğar…Bu diğer nükleer kuvvetler için de model oldu… Bu sahada neler olup bittiği hususu QED’nin (Quantum Electro Dynamics) konusu olup, halen, aktif şekilde araştırılan bir sahadır… Nobel Ödüllü teorik fizikçi Steven Weinberg’e göre, elektromanyetik alanın enerjsi ve momentumu foton adı verilen örgülere (bundle) dönüşür… Ayrıca, enerjisi, momentumu ve elektrik yükü örgüler halinde bulunan ve bu örgüsüne “elektron” denen, “elektron alanı” da mevcuttur… Bu durum elementer parçacıkların tümü için geçerlidir… Tabiatın temel bileşenleri alanlardır…Parçacıklar alanlar tarafından türetilir (dervative) …!
QED, bir model olarak kullanılarak ve yirmi yılda gerçekleştirilen binlerce yüksek enerjili parçacık çarpıştırmalarıdan toplanan verilerden, kuarkların anlaşılmasında şu noktaya gelindi..: Kuarklar elektronların “güçlü kuvvet” alanındaki eşdeğerleridir… Bunları bir arada tutan “gluon”lar fotonun “güçlü kuvvet” alanındaki eşdeğeridir…Bir kuark, uzayda yayılan “elektron alanı” içindeki titreşen bir bozuntu (vibrating ripple) ise, bir kuark ta, uzayda yayılan “quark alanı”nın titreşen bozuntusudur…
Elektronlar elektromanyetik kuvvet alanı yaratan elektrik yükü taşır… Kuarklar da elektrik yükü taşır ve elektromanyetik kuvvet yaratır…Ancak, kuarkların taşıdığı yük elektronun taşıdığı yükün 1/3 ve 2/3 katı olduğundan, onların sebep oldukları elektromanyetik alan elektronun sebep olduğundan zayıftır…
Kuarklar,meseleyi biraz daha renklendirecek şekilde, “renk yükü” (color charge) adı verilen başka bir yükü daha taşır… Bilim insanları bu şarjın “gluon kuvvet alanı”nı oluşturduğunu düşünüyor… Araştırmalar gösterdi ki, ivmelenen bir elektron elektromanyetik alanda, foton adı verilen, titreşen bozuntular yaratır… Benzer şekilde, ivmelenen bir kuark ta, gluon alanında, gluon adı verilen titreşen bir bozuntu yaratır…! Fotonlar gibi, gluonlar da, spin 1 tipinde kütlesiz parçacıklardır… Bunların tümüne “bozonlar” adı verilmiştir…
Fotonlar elektronları ivmelendirebilirken, gluonlar da kuarkları ivmelendirebilir…Enerjili bir foton elektron ve anti-elektronu yaratabilirken, enerjili bir gluon da kuark-antikuark çiftini yaratabilir… (Burada, neyin neyi yaratabildiği hususu, göründüğü kadarıyla, iki yönlü bir yetenek/durum gibi…!)
Etkileşen elektronların, elektromanyetik alanın kuvvetini iletmesini sağlayacak sanal fotonları yaratmak üzere, elektrik alanı etkilediği (disturb) şekilde, etkileşen kuarklar da, sanal gluonları yaratacak şekilde gluon alanında bozuntuya sebep olur…! Bunun sonunda ortaya çıkan gluonlar, gluon alanının çekim kuvvetini uygular ki, buna “güçlü nükleer kuvvet” (strong nuclear force) adı verilmiştir…!
Görüldüğü gibi, elektromanyetik kuvvet ile Güçlü Kuvvet arasında pek çok benzerlik bulunmaktadır…Aralarındaki temel farklardan biri elektromanyetik kuvvetin tek bir versiyonunun mevcut olmasıdır… Renk şarjının üç versiyonu mevcuttur… Fakat, renk şarjı hadron kuark kombinasyonlarında asla görünmez…! Bu durum kırmızı, yeşil ve mavi rengin kullanılma düşüncesine yol açtı… Çünkü, bu üç renk birleştiğinde baryonlar için beyazı oluşturur…Mezonlar için, renk-antirenk kombinasyonları doğal beyazı oluşturur… Üç versiyon düşüncesi “Omega” parçacığından gelir… Kuarklar fermiyonlardır ve Pauli Dışta Tutma (Exclusion) Prensibine uyarlar…Ancak, Omega parçacığı, aynı durumda (state) oldu anlaşılan üç adet kuarka sahiptir… Bunun üzerine, dışta tutma prensibine uyum gösterebilmek için, her üç değeri de barındıran bir kuantum numarasının mevcut olması gerektiği sonucuna varıldı…
İzin verilen kuark kombinayonları için kural, tamamının toplamının elektrik şarjı birimine eşit olmasıdır… Yeni kurala göre, bunların toplamının “renksiz” (no color) şarja da eşit olması gerekir…
Foton ve gluonlar arasındaki daha dramatik diğer bir fark, gluonların kuarklarla aynı renk şarjını taşımalarıdır… Oysa, fotonlar elektrik şarjı taşımaz…! Bu durum sadece gluonların kuarklarla etkileşimini mümkün kılmakla kalmaz, birbiri ile etkileşimini de mümkün kılar…Bir örnek olarak, yeşil ve “karşı-mavi” (anti-blue) şarjı uzaklaştıran bir gluon, kuarkın şarjının yeşilden maviye dönmesini sağlar… Bu kombinasyonu mavi şarjı yeşile döndürülen bir kuarka taşır…Renk şarjı geçekleşmesi bir şimşeğin çakmasından daha kısa süren süreç boyunca muhafaza edilir…
Anlaşıldığı kadarıyla, nükleonlar (proton ve nötronlar) uzayda saniyenin milyonda biri kadar zamanda ortaya çıkan ve yok olan, protonun çok küçük hacmine sıkışmış enerji küresi içine sıkışmış olan ve ışık hızıyla hareket eden parçacıklar ve duran dalgalar olarak, gluonlar, sanal gluonlar, fotonlar, kuarklar, kuark-antikuark çiftleri bir deniz ortamı sağlar…
Proton hakkındaki görüşümüz bir nokta parçacıktan üç parçalı parçacığa, sonra da, elementer parçacıkların devindiği bir kasırga aktivitesine dönüştü…Bunun gibi bir plazma-benzeri yapıda sanal parçacıkları temsil eden bozuntular ile, gerçek parçacıkları temsil eden bozuntuları ayırt etmek çok zordur… Fakat, buradaki anlatım kolaylığı için, bir protonu üç kuarkı bir arada tutan bir gluon bulutu olarak dikkate almak mümkündür…
Proton “kütlenin orijinini” anlamak için anahtar bir araçtır… Protonun içinde, bir kütleye sahip olup kararlı (stable) olan parçacıklar sadece iki ”up” kuark ile, bir “down” kuarktır… Bunların çok küçük kütleleri protonun kütlesinin sadece yüzde birini oluşturur… Protonun kütlesinin yüzde doksandokuzu alanların enerjisiyle hareket eden parçacıkların E = m.c2 ile hesaplanan enerjisinden gelir…Bu sebeple, hapsedilmiş (confined) enerjinin kütlenin kaynağı olduğunu söylemek oldukça doğru bir görüştür… Higgs Bozonunu açıklarken bu konuya tekrar döneceğiz…
Burada hatırlanması gereken önemli bir nokta, elementer parçacıkların kütlesi mevcut olmasa da, Dünyanın maddesini sağlayan proton ve nötronlar çok az miktarda azalmaya maruz kalır…
Elektromanyetik Kuvvet ile Güçlü Kuvvet arasındaki bir başka kritik fark, Güçlü Kuvvetin gücünün çok büyük seviyede olması, protonların ve nötronların içinde, Elektromanyetik Kuvvetten 130 kat daha güçlü olması…! Kuarkların arasındaki mesafe protonun çapı kadar büyürken, bu kuvvetin gücü 18 tona yaklaşır…! Onsekiz tonluk bir kuvvetin böyle bir çok-küçük noktada ortaya çıktığını düşünün… Bu durum, kuarkların birbirinden ayrılmasını neredeyse imkansız kılar…! Gerçekte, bu büyüklükteki bir kuvvetin gerektiği ortamda, hadron ortamında, bu kuarkları birbirinden ayırmak için gereken enerji bu kuarkları yaratmak için gereken enerjiden daha büyüktür…! Kısaca, kuarkların birbirinden ayrılma enerjisine ulaşılmadan yeni kuarklar yaratılır…Bu yeni kuarklar yeni hadronları oluşturmak üzere derhal birleşir…
Bunun nasıl gerçekleştiğini görmek için proton-proton çarpışmasına bakalım… Bir protonda üç kuark ile bu kuarklarla etkileşen ve onları bir arada tutan gluon bulutu mevcuttu… Çarpışacak protonlar birbirine yaklaştığında, bunlar üst üste gelir (overlap)… Enerjili gluon diğer protonun kuarkına erişecek bir yol bulur… Protonlar ayrılırken, yüksek enerjili gluon değişimi yapan kuarklar ait oldukları protonlardan dışarı çekilir…!
Oluşan gluon trenine gluon akı tübü (gluon flux tube) de denmektedir… Bu tübün enerjisi kuarkları yaratmak için gerekli olan miktara ulaştığında, gluon alanı parçalanır ve, kuarkların birbirinden daha fazla uzaklaşması yerine, kuark-antiquark çifti yaratılır…! Gluon alan enerjisi tamamen kullanılıp bitinceye ve ayrılma duruncaya kadar, gerilmeli-parçalanmalı-çit üretme süreci devam eder… Bu arada, yaratılan kuark-antikuark çiftleri kendi hadronlarını oluşturmak üzere birleşmektedir…
Bu sürecin nihai sonuçları, dışarıya doğru uçuşan dört veya daha fazla hadron jeti ile, çarpışan ancak kuark yakalayan veya yakalayamayan protonların kalıntılarıdır… Bu süreçte, kendi başına hareket edecek ve belirlenecek şekilde herhangi bir kuark serbest bırakılmaz…Kuark Sınırlandırması (Quark Confainment) veya Renk Sınırlandırması (Color Confainment) olarak adlandırılan bu süreç bir kuarkın, gluonun veya renk şarjının neden tek başına gözlenemeyeceğini açıklar…
Bir atom çekirdeğinde protonları bir arada tutan nedir…?
Japon fizikçi Hideki Yukawa, 1934’te, nükleer gücün doğasını açıklamaya teşebbüs eden ilk kişi oldu… Onun teorisine göre, moleküllerin birleşmek için atomlararası elektronları ortak kullanması gibi, nükleonlar aralarında parçacık paylaşımı yapmaktaydı… Bu bilim insanı, bugün “pion” olarak bilinen parçacığın kütlesini dahi hesapladı… İki protonlu bu sürecin işleyişine bir örnek: Öncelikle, bu protonların birinde enerjili gluon spontane olarak, “down quark-antidown quark çiftini yaratır… Bu nötr bir “pion”dur… (Bu pion 1947’de keşfedildi…!) Daha sonra, bu pion diğer protona yönelir (drift)… “Antidown quark”, diğer “down quark” kendi yerini alacak şekilde, diğer “down quark”ı yok eder (annihilate)…
Kuarkları, gluonları ve diğer renk şarjlarını araştıran fizik dalına “Kuantum Kromodinamiği” (Quantum Chromodynamics-QCD) adı verilmiştir…
Zayıf Nükleer Güç veya “zayıf etkileşim” elektron ve nötrinoları açığa çıkaran “Beta Radyasyonu” gibi radyoaktiviteden sorumludur… Bu kuvvet nötronu protona dönüştürür… QED ve QCD’den farklı olarak, Zayıf Kuvvet Şarjı (Weak Force Charge; weak isospin; weak hypercharge) ile parçacık yaratan ayrı bir madde alanı mevcut değildir…! Bunun yerine, elektronlar, kuarklar ve nötrinolar gibi tüm leptonlar halihazırda bu şarja sahip…!
Bu sebeple, elektromanyetik kuvvet Steven Weinberg, Abdus Salam ve Sheldon Glashow’a Nobel Ödülü kazandıran “elektro-zayıf etkileşim” teorisiyle birleştirilir…
Ait oldukları kuvvet alanlarında, foton ve gluon adı verilen, titreşen bozuntuları yaratan ivmelenmiş elektronlar ve kuarklar gibi, ivmelenmiş elektronlar, kuarklar ve nötrinolar, “zayıf çok yüksek şarjlı alanlarda” da (weak hypercharge field) W+, W- ve Z parçacığı adı verilen, titreşen bozuntular yaratırlar… W+ pozitif, W- ise negatif şarja sahiptir… Z parçacığının şarjı yoktur… Bunlar, “Spin1” (tip) parçacıklar olduğundan “bozon”lar ailesinin üyeleridir… Bunlar “zayıf etkileşim”in kuvvet taşıyıcılarıdır… Fotonların elektronları ivmelendirdiği, gluonların kuarkları ivmelendirdiği yerlerde Z parçacıkları nötrinoları, elektronları ve kuarkları ivmelendirebilir…Çünkü, tümü zayıf şarjı taşır… Etkileşen elektronların ve gluonların kendi alanlarını tetikleyerek, sanal fotonların ve glounların yaratılmasına sebep olması gibi, zayıf “hypercharge” ile etkileşen parçacıklar da zayıf “hypercharge” alanını tetikleyerek (disturb) sanal W ve Z bozonlarının yaratılmasını sağlarlar…
Bu kuvvete “zayıf kuvvet” denmesinin sebebi “Güçlü Kuvvet”e kıyasla “coupling” sabitinin 3.3 milyonda bir (1/3.3 milyon) kadar olmasındandır… Kütlesiz fotonlardan ve gluonlardan farklı olarak, bu parçacıklar “up quark”ın 53 katı ve elektronun 160 000 katı bir kütleye sahiptir… Bu durum onun etki menzilinin protonun çapının sadece binde biri kadar, çok küçük bir mesafe, olmasına sebep olur…
Elektromanyetik ve “güçlü” etkileşimler parçacıklar üzerine gerçekten kuvvet uygular…Zayıf etkileşim kuarkın veya leptonun bir tipinin (flavor) diğerine dönüştürülmesini sağlayabilir… Bir görüş olarak, bir alan bir parçacığın yeni bir parçacık oluşturmak üzere, bir parçacığın başka bir parçacığa bozunmasına (decay) sebep olabilir… Bu durumu Radyumun Polonyuma dönüşmesini sağlayan “Beta Bozunması” (enerji deneyi) üzerinde inceleyelim… Bu süreç iki safhadan ibarettir… İlk safhası, bir atom içinde, enerji kaybeden bir elektronun daha düşük enerji seviyesine inerken foton yayımlamasının benzeridir… Burada, bir “down quark”, düşük enerjili bir “up quark”a dönüşürken “W” bozonu yayımlar…
Ancak, zayıf alan kuantumunun kütlesi çok büyük olduğundan, tamamen bağımsız bir bozonunun yaratılabilmesi amacıyla, “down quark” kuantumunun “up quark” kuantumuna atlayabilmesi (leap) için yeterli enerji mevcut olamadığından, “Sanal” bir W bozonu yaratılır…
Ancak, ikinci safhada, bir sanal bozonun elektron ve nütrino yaratabilmesi için yeterli enerji mevcut olduğundan bu parçacıklara çözünür… Elektron ve nötrinonun her ikisi de zayıf “hypercharge” taşıdıklarından bunun gerçekleşmesi mümkündür… Bu durum radyumun plutonyuma nasıl dönüştüğünü de açıklar…
Doğal “Z” bozonu bizim son kuvvet parçacığımız… Kuarkların “flavor”larının değişmesinde rol oynamaz…Bu sebeple etkileşimlerinin belirlenmesi zordur… Fakat, nötrinolarla etkileşir…
Elektrik yükü taşımadığından, bir nötrino deney odasında iz bırakmaz… Daha önce gözlenen nötrino olaylarından farklı olarak, bir nötrino-elektron çarpışması çarpışan nötrinonun başka bir parçacığa dönüşmesini sağlamaz…
Bunun yerine, nötrino bütünlüğünü koruyarak yoluna devam eder… Ancak, çarpan elektron yüksek hızla ileriye itilir… Sıvı içine yönlendirilen elektron yavaşlarken güçlü bir foton yayımlar… Bu foton, sırayla, başlangıçtaki elektronun belirlenmesini sağlayacak şekilde, elektron-pozitron çifti yaratır…! Bunu yaratılan başka parçacık çiftleri takip eder…
Bir nötrino ile elektronun arasındaki etkileşim şarjlı “W” bozonunu ihtiva etmez… Bu sebeple, bu olayın şarjsız “zayıf kuvvet bozonu” tarafından gerçekleştirilmiş olmalı… Bu deney sonuçları zayıf nötr akım ile “Z” bozonunun varlığını ileri süren matematiksel yapının doğruluğunu ortaya koydu… Bu matematiksel yapı parçacık fiziğinin Standart Modelinin ana yapısıdır (framework) …
Özet olarak, tüm uzay, ilişkili alanlarında, elementlerde fermiyon parçacıklarını dalgalar halinde doğuran madde alanlarıyla doludur…Bu tüm Leptonları ve Kuarkları kapsar…
Bu parçacıklar Renk Şarjı, Elektromanyetik Şarj ve Zayıf “Aşırıyük”ün (Hypercharge) bir veya birkaçını taşır…Şarjlı parçacıklar etraflarındaki uzayı “kuvvet alanı” ile doldurur…Bu alan, şarj taşıyan parçacıklar tarafından tetiklendiğinde “kuvvet parçacıklarını” (force particles) doğurabilir…
Bunlar bozonlardır… Bozonlar, tüm fermiyon etkileşmelerinde, kuvvet taşıyıcıları veya aracı maddelerdir (mediator)…!
Bu model, kuantum seviyesinde gözlenen doğal davranışın açıklanmasında büyük başarı sağladı…Ancak, parçacıkların kütlesinin açıklanmasında, hala, bir başka ciddi problem daha vardı… “Elementer parçacıklar kütlesini nasıl kazanıyordu…? Hapsedilmiş (confined) enerji kütle yaratıyordu…ama… neden fotonların kütlesi yoktu…?
Klasik fizikte kütle bir gövdenin ataletinin (harekete karşı gösterdiği direncin) ölçüsüdür… Bir objenin kütlesi, onun hızının veya hareket yönündeki değişime direnç göstermesine sebep olur… Kütle ne kadar büyükse, gösterilen direnç de o kadar büyüktür… Bu durum (özellik), Kuvvet = Kütle x ivme (F=M.a) eşitliğiyle ifade edilir…
QFT’de, başka bir ifadeyle, bir kuantumun enerjisi kendi alanı içindeki titreşimiyle ifade edilir… Kütle ve enerji alan içindeki titreşimlerle ilişkili olduğundan, Einstein’in kütle-enerjisi için olan denklemini, Plank’ın dalga-enerjisi için olan denklemiyle birleştirerek, bir dalganın kütlesini hesaplayabiliriz…! Bir dalga ne kada hızlı olarak titreşiyorsa (salınıyorsa) onun hızını veya hareket yönünü değiştirmek o kadar zordur… Bu bakış açısı kütle için yaygın anlayışa uyar…!
Paul Dirac, parçacığın “sağ-el vücut bulmasını” (right-hand incarnation) ve “sol-el vücut bulmasını” (left-hand incarnatin) fermiyon kütlesi için bir mekanizma olarak, belirledi…
Salınım ne kadar hızlı ise parçacık o kadar enerjili (energetic), o kadar (büyük) kütlelidir… Bu salınımlar bir parçacığın ne kadar kütleli olduğu hususunda bir anahtar (parametre) olunca, sağ-el spin’lere ve sol-el spin’lere yakından bakmak gerekiyor… Bir parçacığın hareket halindeyken (fly) spin’ini değiştirmesi acayip görünebilir… Ancak, parçacıkların bir dalga olarak hareket ettikleri kabul edildiğinde ve “spin”in dalgada oluşan bir “faz kayması” (phase shift) olarak düşünüldüğünde, bunu gözde canlandırmak çok zor değildir… Konuyu daha iyi anlayabilmek için, örnek olarak elektronu dikkate alalım… “Sol el yönünde dönen” (Sol-El Spin) bir elektron ½ Spin’e sahiptir ve “zayıf yüksek şarj” taşır… Sağ-el yönünde dönen” bir elektron “-1/2 Spin”e sahip olup, ”0” zayıf aşırıyük (weak hypercharge) taşır…
Bir elektronun soldan sağa dönmesi (switch) için zayıf şarjın bir quantumunu ışıması (emit) ve tam bir spin birimini kaybetmesi gerekir… Tekrar geri dönebilmesi (switch back) için, zayıf şarjın bir kuantumunu absorblayıp, tam bir spin birimini kazanması gerekir…
Bu aşamada, parçacık fiziğinin çok büyük bir problemi ortaya çıkıyor… Anlaşıldı ki, “Z” bozonunun türevi olan elektronun spin ve şarj geçişini sağlayan uygun bir aday…Ancak,”Mavi”den zayıf yüksekşarjı dışarı atmak ve absorblamak için, Standart Modelin bir mekanizması yoktu… Bu şarj nereye gitti…nereden geldi…?
Bu problemi çözmek için, 1964’te, François Englert, Robert Brout ve Peter Higgs yeni bir alan önerdi… Higgs Alanı… Bu alanın “yoğuşmuş zayıf şarj” (condensate weak charge) taşıdığını ileri sürdüler… “Yoğuşmuş” bir alan, ona bir ilave yapıldığında veya çıkarıldığında özelliği değişmeyen bir ortam olarak tanımlandı… Zayıf şarj taşıyan bir parçacık, şarjı bu yoğuşma ortamında, alanda farkedilebilir bir değişime sebep olmadan hareket ettirmek için, zayıf şarjlı “Z” bozonunu kullanabilir… Benzer şekilde, alanda hissedilebilir bir değişime sebep olmadan, zayıf şarjı absorblamak için, aynı “Z” bozonu mekanizmasını kullanabilir… Buna Higgs mekanizması adı verildi… Higgs mekanizmasıyla, zayıf aşırışarj (hypercharge) taşıyan bir elementer parçacık titreşebilir ve, bu sebeple, kütleye sahiptir… Elektronların, Nötrinoların ve Kuarkların tümü bu şarjı taşır ve Higgs Alanıyla etkileşir…Bu sebeple titreşebilirler ve kütleleri mevcuttur…
Fotonlar zayıf aşırıyük taşımadıklarından Higgs Alanıyla etkileşmez… Bu sebeple, titreşmezler… Titreşmedikleri için ne kadar yüksek enerjiye sahip olurlarsa olsun kütleleri yoktur…!
Bu süreç parçacıktan parçacığa biraz fark eder…Ancak, farklı durumları tanımlamak için “ayna simetrisi” (chirality), “gauge symmetry” ve “symmetry breaking” gibi incelikli (subtler) konsepler kullansalar da, ana fikir budur…!
Daha önceki aşamada “hapsedilmiş” enerjinin kütlenin kaynağı olduğunu ifade etmiştik… Bir bakış açısıyla, Higgs mekanizmasının, elementer parçacıkların kütle kazanmaları amacıyla, sahip olmaları gereken enerjiyi belirlemek için Standard Modeli sağladığını görebiliriz… Fakat, başka bir bakış açısından, Higgs, ne kadar enerjili olurlarsa olsunlar fotonların neden bir kütleye sahip olamayacağı hususundaki daha gizemli soruyu da cevaplamış oldu…!
Dikkat edeceğiniz gibi, Higgs alanıyla etkileşen parçacıklar yavaşlamaz…Higgs Alanı bir yoğun akışkan gibi değildir… Eğer Higgs Alanı parçacıkları-bir şekilde- yavaşlatsaydı, onların hareketinin (bir süre sonra) sonlanması gerekirdi… “Gerçek dünyada” gözlenen bu değildir… !
Kütle hakkında bir başka önemli görüş: Farklı parçacıkların kütlelerinin farklı olmasının sebebi bazı parçacıkların Higgs Alanıyla etkileşim gücünün (coupling strength) bazı parçacıklarda diğerlerine nazaran daha güçlü olmasıdır… “Coupling Strength”in artırılması harmonik titreştiricideki (oscillator) yayın rijitliğinin artırılması gibidir… Bu durum titreştiricinin frekansının artmasına yol açar…Halihazırda belirlediğimiz gibi, bir parçacığın titreşim frekansını (oscillation frequency) artırırsak, onun kütlesini artırmış oluruz…!
Şimdi, “Higgs Bozonunun ne olduğunu” sorabiliriz…! Öğrendik ki, belirli doğru durumlarda tetiklenmiş alanlar parçacık yaratır… Bu kural Higgs Alanına da uygulanabilir… Eğer mevcutsa, ilişkili parçacık da mevcuttu, ki, bu Higgs Bozonuydu…!
Tersine düşünüldüğünde, Eğer Higgs Bozonu mevcut ise, Higgs Alanının mevcut olduğı, Higgs mekanizmasının gerçek olduğu ve Parçacık Fiziğinin Standart Modelinin doğru olduğu hususunda kuvvetli bir delil teşkil edecekti… Eğer Higgs Alanının yeterince güçlü olarak sarsabilirsek, Higgs Parçacığını yaratabilir ve onun bozunma komponentlerini belirleyebilirdik… Fakat bunları yapabilmek biraz zor görünüyordu… Çünkü, Higgs Parçacığı tüm protondan 133 kat daha büyük bir kütleye sahipti…Bir tanesini bile yaratabilmek için çok büyük miktarda enerji gerekliydi… Higgs Bozonu önerildiğinde, mevcut hızlandırıcılardan hiç biri bu işi yapabilecek güçte değildi… CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcı (Large Hadron Collider) bunun için inşa edildi… LHC’de, yüksek enerjili parçacıklar çarpıştırılmadan önce, uzay ortamına yakın vakum tüplerinde ve dış uzaydan daha soğuk ( – 271°C) bir ortamda tutulan mıknatıslarla, ışık hızına yakın bir hızla hızlandırılırlar… (Toplam hızları, hâlâ, ışık hızına ulaşamaz…!)
Elektronu koparılmış milyarlarca Hidrojen iyonu (protonlar) kullanılarak, bu protonların hızı kademeli olarak artırılır…Ulaşılan en yüksek enerji seviyesi 7+7, yani, 14 trilyon elektronvolt (eV), erişilen (toplam) hız da ışık hızının %99.999999’udur… Bu enerji seviyesi Higgs Alanının Higgs Bozonu yaratabilmesi için yeterlidir…
Gerçek bir çarpışmada yüzlerce parçacık yaratılır ve bu parçacıklar tüm yönlerde saçılır…Bu parçacıkların belirlenmesi, yörüngelerinin, momentumunun ve enerjilerinin ölçülmesi ise deneyin bir sonraki büyük adımdır…
Çapraz teyid amacıyla CERN iki ayrı dedektör kullanmakta… Bunlardan biri CMS (Compound Muon Selenoid)… CMS, Higgs Bozonu ve Kara Madde araştırması için tasarlandı… 21.6X15 metre boyundaki CMS’in kütlesi 14 000 ton…! İkinci dedektör ATLAS farklı elementer parçacıkları belirlemek için farklı kademeler halinde tasarlandı…
Bu aygıtta elektronlar elektromağnetik kalorimetrede durdurulmadan önce iç dedektörde belirgin bir iz bırakır… Fotonlar da kalorimetrede aynı şekilde davranır, ancak, iç dedektörde herhangi bir iz bırakmaz… Protonlar iz bırakır, fakat, büyük bir olasılıkla, elektromanyetik kalorimetreden hadronik kalorimetreye geçer… Nötron benzer şekilde davransa da, iç dedektörde iz bırakmaz… Muonlar ATLAS’ın her kademesinde iz bırakarak geçer… Nötrino ATLAS’ın her kademesini geçmekle birlikte, bu geçişi belirlenemez (iz bırakmaz)…
LHC’de saniyede 600 milyon çarpışma gerçekleşir… Bunlardan sadece birkaçında, araştırmacıların ilgisini çekecek kadar büyük parçacık üretilir… Büyük kütleli parçacıklar daha küçük kütlelilere o kadar hızla bozunur ki, bu bozunma olayı doğrudan görüntülenemez… Ancak, bu bozunma olayının sonucu olarak ortaya çıkan hafif parçacıklar belirlenebilir… Dağ tepelerinde gerçekleştirilen “bulut odaları” (cloud chambers) deneylerinde gerçekleştirildiği gibi, ozunmanın ortaya çıkardığı hafif parçacıklar izlenerek, bunların doğmasını sağlayan ana (doğuran) parçacığa ulaşılabilir…
Peter Higgs’in varlığını ileri sürmesinden 45 yıl sonra, 4 Temmuz 2012’de, CERN ekibi, 2011 yılında gerçekleştirilen bir çarpışmada ortaya çıkan izlerin Higgs Bozonu için öngörülen bozunma iziyle (decay signature) uyuştuğunun belirlendiği açıklandı…!
Bir Higgs parçacığının bozunması için birçok yol mevcuttur…Atlas dedektöründe gözlenen bunlardan biridir…İki proton, birbiriyle çarpışmak üzere yaklaştığında, üst üste gelirler (overlap)… Takiben, iki yüksek enerjili gluon çarpışır ve daha sonra Higgs Bozonuna bozunacak “top quark” ve “anti-top quark” yaratır…Ortaya çıkan Higgs Bozonu, daha sonra, “top quark” ve “anti-top quark”a bozunur… Bu kuark’lar da hızla yüksek enerjili iki fotona bozunur…Atlas’ın belirlediği işte bu fotonlardır…!
Bu noktaya kadar “boş (sanılan) uzayın” gerçekte karmaşık bir yapısının olduğunu öğrendik… Şişen Evren Teorisinde açıklandığı gibi, şişebilir (genleşebilir)… Genel Görecelik Teorisinden anlaşıldığı gibi, bükülebilir…Kuvvet Alanları ve (Standard Modelin) Higgs Alanı gibi farklı tipte madde alanlarıyla doludur… Bu alanların elemanları tanecikli (quantized), kütlesiz ve neredeyse enerjisizdir…!
Yine biliyoruz ki, bu “boş uzay” (!) bu alanlardaki değişime direnç gösterir (permittivity, permeability)…
Yeterli enerjiyle, alanın elementleri kütle, spin ve farklı şarjlı gibi özellikleri olan ve bu özelliklerini etrafındaki boş uzaya, kendi alan özellikleri olarak uygulayan (spew out), lokalize parçacıklar yaratabilir (bunch up)…
Fakat, ne kadar keşfedersek keşfedelim, sadece yüzeyi “çizebildiğimizi” kabul etmeliyiz… Elementlerin Periyodik Tablosundaki olduğu gibi, Standart Modeldeki düzeni de halen keşfedilecek bir temel yapının mevcut olması gerektiğini söylüyor…
Kara Madde…Kara Enerji…Genel Görecelik Teorisinde hala mevcut olan doğal uyumsuzluklar (fundamental incompatibilities)… gerçeğin daha da derinde olabileceğini düşündürüyor…! Sicim Teorisi (String Theory), Süper Simetri ve “Loop Quantum Gravity” araştırılmakta olan aday teorilerden sadece birkaçı…
Kuantum Mekaniğinde, adına Plank Uzunluğu (Planck length) denilen bir “minimum uzunluk” mevcut… Bu uzunluk bir nötrinonun boyunun 62 trilyonda biri kadar… Varlığı kabul edilen en küçük elementer parçacık… Bu “büyüklüğü” anlamak için şöyle bir benzetme yapılabilir…: Bu yazıda yer alan bir nokta (.) Evrenden ne kadar küçükse, Plank Uzunluğu da, bu noktadan (.) o kadar küçük…!
Teorik olarak, birbirinden Plank Uzunluğundan daha küçük bir mesafe kadar ayrılmış iki lokasyon arasındaki farkı belirlemek mümkün değil… Optik mikroskoplarda gözlenen ışık kırınımı (light diffraction) problemi bu durumla ilgili…
Bir kum tanesi parmak kalınlığındaki bir propla incelenemez… Kuantize alan elemanlarının nasıl çalıştığını (davrandığını) inceleyebilmek için fizikçilerin gelecekte epey kafa yormaları gerekecek…!
Yararlanılan Kaynaklar:
https://www.youtube.com/watch?v=xG_YtASz7gY
http://howfarawayisit.com/documents/
http://howfarawayisit.com/wp-content/uploads/2014/12/The-Higgs-Boson.pdf
