Standart Model

Standart model

Doğada bilinen dört temel etkileşim vardır: kütleçekimi, elektromanyetik etkileşim, güçlü etkileşim ve zayıf etkileşim. Bunlardan ikisi (kütleçekimi ve elektromanyetik etkileşim) hepimizin günlük hayatta aşina olduğu etkileşimlerdir. Güçlü ve zayıf etkileşim ise atomaltı ölçekte etkindir. Kuarkların bir arada durarak parçacıklar oluşturmasını sağlayan güçlü kuvvettir. Zayıf kuvvet ise özellikle parçacıkların bozunma sürecinde etkindir. Bu dört etkileşimin üçünü (elektromanyetik, güçlü ve zayıf etkileşim) tek bir çatı altında bir araya getiren kurama standart model denir.

Standart model çok sayıda bilim insanının katkılarıyla 20. yüzyılın ikinci yarısında oluşturuldu. Önce 1961'de Shelden Glashow elektromanyetik ve zayıf etkileşimleri birleştirmeyi başardı. Daha sonra 1967'de Steven Weinberg ve Abdus Salam parçacıklara kütle kazandıran Higgs mekanizmasını Glashow'un kuramı ile birleştirerek elektrozayıf kuramı bugünkü haline getirdi. Glashow, Weinberg ve Salam bu çalışmaları için 1979 yılında Nobel Fizik Ödülü ile onurlandırıldı. Güçlü etkileşim ise 1970'lerde kuarkların varlığının doğrulanmasından sonra pek çok bilim insanının katkılarıyla son halini aldı. Standart modelin yaptığı pek çok tahmin yıllar içinde doğrulandı. Örneğin 1995'te bulunan üst kuarkın ve 2000'de bulunan tau nötrinosunun varlıkları standart model tarafından öngörülmüştü.

Standart model, çok başarılı ve kendi içinde tutarlı bir kuram olmasına rağmen hâlâ geliştirilmesi gerektiği düşünülüyor. Örneğin kütleçekiminin standart model ile nasıl birleştirileceği henüz bilinmiyor. Ayrıca neden madde miktarının antimadde miktarından fazla olduğunun açıklanabilmesi için de standart modelin genişletilmesi gerekebilir. Çünkü bilinen hiçbir mekanizma ile bu durumun nedenleri -en azından şimdilik- açıklanamıyor. Benzer bir durum karanlık madde problemi için de söz konusu. Karanlık maddenin kaynağı, henüz bilinmeyen ve standart modelde yer almayan parçacıklar olabilir.

Atomun içini inceledikten sonra bulduğumuz bu nesnelerin bazılarına "atom altı parçacıklar" ya da "temel parçacıklar" adı verilir. Bu nesnelerin boyutu olmadığı için, onları oluşturan alt yapılar da bulunmamaktadır. Yani atomun bölünemeyeceğini iddia etmemizin fiziksel bir nedeni yoktu; ancak atom altı parçacıkların nihai sınır olduğu hakkında en azından şu anda bildiğimiz fizik dahilinde tutarlı bir nedenimiz var. Şimdiki işimiz ise bu parçacıkların özelliklerini araştırmak ve evreni meydana getiren maddeleri bulmak için onlardan faydalanmaya çalışmak. İki tür temel parçacık vardır: madde parçacıkları ve kuvvet parçacıkları. Madde parçacıklarından bazıları etrafımızdaki dünyayı oluşturacak şekilde birleşirler. Kuvvet parçacıklarından biri olan foton ise elektromanyetik yayılımdan sorumludur. Bu temel parçacıklar, maddenin temel yapı taşlarının temel kuvvetler tarafından yönetilerek, birbirleri ile nasıl etkileştiklerini kuramlayan Parçacık Fiziği'nin Standart Modeli içinde sınıflandırılmıştır. Madde parçacıklarına fermiyon adı verilirken, kuvvet parçacıklarına bozon denir. 

Madde Parçacıkları: Kuarklar ve Leptonlar

Madde parçacıkları iki gruba ayrılır: kuarklar ve leptonlar. Bunlar 6 tanedir ve her birinin karşılığı olan eşleri vardır. Leptonlar 3 çifte ayrılır. Her çift, yüklü ve yüksüz temel bir parçacığa sahiptir. Yüksüz parçacık daha hafiftir ve tespit etmesi son derece zordur. Bu çiftlerin en hafifi, elektron ve elektron-nötrino çiftidir. Yüklü bir parçacık olan elektron, elektrik akımından sorumludur. Yüklü elektronun, elektron-nötrino olarak bilinen, yüksüz eşi, Güneş'in içinde bol miktarda üretilir ve çevrelerindeki maddeyle çok az etkileşim içinde olduklarından Dünya'nın içinden hiç bir engele takılmadan geçer. Bunların milyonlarcası, vücudumuzun her santimetre karesinden, her saniye, gündüz ve gece geçip gider! 

Süpernova patlamaları sırasında, elektron-nötrinolar hayal edilemeyecek kadar çok üretilir ve bu parçacıklar, evrene çekirdek tepkimeleri sonucu üretilen elementleri dağıtır. Bu elementler, bizleri oluşturan karbonu, soluduğumuz oksijeni ve Dünya üzerindeki neredeyse her şeyi içerir. Bu nedenle nötrinolar, diğer temel parçacıklarla etkileşme isteksizliklerine rağmen, varlığımız için son derece önemlidir. Diğer iki nötrino çifti (müon ve müon-nötrino, tau ve tau-nötrino) elektronun daha ağır örnekleri olarak bilinir.

Bir zamanlar elementlerin periyodik cetveli, evreni oluşturan temel yapı taşlarının tablosu olarak kabul ediliyordu. Bugün artık biliyoruz ki, element atomlarının da bir iç yapısı var. Yani onlar da çok daha küçük yapı taşlarından meydana geliyor. İşte Standart Model bu en temel yapı taşlarını betimleyen kuramdır. Üstelik sadece madde parçacıklarını değil, bu parçacıkların etkileşimlerini sağlayan kuvvet taşıyıcı parçacıkları da içerir. Ne yazık ki tek ve büyük bir eksiği var; o da kütleçekim kuvvetini kapsamına alamaması.

Standart Model'e baktığımızda oldukça tenha olduğunu görüyoruz. Maddenin yapı taşı olarak 6 tane kuark ve 6 tane leptondan başka bir şey yok. Bunların yanında madde etkileşimlerini sağlayan kuvvetlerin taşıyıcısı olarak foton (elektromanyetik kuvvet), gluon (güçlü çekirdeksel kuvvet) ve W ile Z bozonları (zayıf çekirdeksel kuvvet) yer alıyor. Tabi bir de ünlü Higgs bozonu var ki, onu ne madde parçacığı olarak ne de kuvvet taşıyıcı olarak sınıflandırmak mümkün değil; nevi şahsına münhasır bir varlık.

Evrendeki canlı ve cansız her şeyin yapısının en derininde bu küçük nesneler bulunuyor. Elektromanyetik kuvvet, güçlü çekirdeksel kuvvet, zayıf çekirdeksel kuvvet ve kütleçekim kuvveti olarak adlandırılan dört temel kuvvetin etkisiyle kuark ve leptonlar tüm evreni biçimlendiriyorlar. Kütleçekim, standart modele dahil edilememiş olan tek kuvvet. Fizikçileri meşgul etmeye devam eden bu problemden bilim camiasında kütleçekim kuvvetinin kuantum kuramının arayışı olarak söz ediliyor. Einstein'ın Genel Görelilik Kuramı, kütleçekim kuvvetinin uzay-zamanın geometrisinin sonucu olduğunu söylemişti. Bu düşünceyi kuantum mekaniği ile ifade edebilmeyi ise henüz başarabilen çıkmadı.Peki acaba proton, nötron ve elektron temel yapıtaşları mıydı? Yoksa onların da bir iç yapısı olabilir miydi? Bölünebilirler miydi? 1964 yılında Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından birbirlerinden bağımsız olarak "kuark modeli" ortaya atıldı. Buna göre proton ve nötron temel parçacık olmayıp, kuarklardan oluşan nesnelerdi. İlerleyen yıllarda yapılan hızlandırıcı deneylerinde 6 adet kuark deneysel olarak keşfedildi. Üç kuarkın bir araya gelmesi ile oluşan (proton ve nötronun da içinde bulunduğu) parçacıklar sınıfına baryon, bir kuark ile bir antikuark (antimadde kuark) bileşimi olan parçacıklara mezon adı verildi. Mezon ve baryonların tümü birden ise hadron olarak anılmaya başlandı. Uzunca bir süre kuarkların sadece bu iki biçimde bir arada kalabildikleri düşünülmüştü fakat geçtiğimiz yıllarda dört kuarklı ve beş kuarklı alışılmadık yapıların da varolabildiği anlaşıldı.

Elektrona gelirsek, nötrinosu ile birlikte şu an halen temel parçacık olarak kabul ediliyorlar. İçinde bulundukları parçacık sınıfı lepton olarak adlandırılıyor ve diğer iki nesil akrabalarını da kapsıyor.

Kuvvet Parçacıkları

Standart Model'de, madde parçacıkları arasındaki etkileşimi yaratan 6 tane kuvvet parçacığı vardır. Bunlar 4 temel kuvvete ayrılırlar: kütleçekimi, elektromanyetik, güçlü çekirdek kuvveti ve zayıf çekirdek kuvveti. Foton, bir ışık parçacığıdır ve yüklü bir nesneden diğerine geçen foton akışının oluşturduğu elektriksel ve manyetik alanlardan sorumludur. Gluon ise, kuarkları bir arada tutarak proton ve nötronu oluşturan ve sonraki aşamada bu proton ve nötronları da bir arada tutarak yapıca daha ağır çekirdeği oluşturan kuvveti üretir. Ara vektör bozonları olarak bilinen, "W pozitif", "W negatif" ve "Z sıfır" adlı üç parçacık radyoaktif bozunum ve Güneşin parlamasına neden olan süreçlerden sorumludur. Altıncı kuvvet parçacığı olan gravitonun kütle çekiminden sorumlu olduğuna inanılır ama henüz gözlemlenememiştir. 

Bilimkurgunun Gerçekliği: Anti-madde

Anti-maddenin varlığından haberdarız. Bilimkurgu yazarlarının çok sevdiği bir konu olmasına karşın anti-madde gerçekten de vardır ve sıklıkla gözlemlenmiştir. Örneğin pozitron (elektronun anti parçacığı), pozitron emisyon tomografisi (PET) ile iç organlarımızın görüntülenmesi için tıpta kullanılır. Bir parçacık, kendisinin anti parçacığı ile karşılaştığında birbirini yok eder ve bir enerji patlaması üretir. Bir PET tarama cihazı bu özelliği kullanarak görüntü üretir.

Her madde parçacığının aynı kütlede ama karşıt yükte bir eş parçacığı vardır. Bu yüzden, madde parçacıklarını iki katına çıkardığımızda, 24 sayısına ulaşırız (altı kuark ve altı lepton). Madde kuarklarına +1 sayı değerini ve anti-madde kuarklarına -1 sayı değerini veririz. Madde kuark sayısına anti-madde kuark sayısını eklersek, evrendeki net kuark sayısını elde ederiz. Bu sayı asla değişmez. Eğer yeteri kadar enerjiye sahipsek, bir anti-madde kuarkını üretebildiğimiz sürece aynı anda madde kuarklarından herhangi birini üretebiliriz. Evrenin ilk anlarında, bu parçacıklar aralıksız üretiliyordu; şimdiyse sadece, kozmik ışınların gezegen ve yıldızların atmosferleriyle çarpışması yoluyla oluşuyorlar.

Ünlü Higgs Bozonu: Sözde "Tanrı Parçacığı"

Parçacık fiziğinin standart modeli içinde şu ana kadar bahsettiğimiz listeye eklenecek son bir parçacık daha kaldı: Higgs Parçacığı, Tanrı Parçacığı ya da bilimsel adıyla Higgs Bozonu... 50 yıl önce Peter Higgs tarafından var olduğu tahmin edilen bu parçacığın 2012’de CERN’de keşfedilmesi Peter Higgs ve Francois Englert’a Nobel Ödülü kazandırmıştı. Bilim insanları yıllar yılı, olması gerektiğinden emin oldukları bu parçacığa "Tanrı'nın Laneti Parçacık" ya da "Lanet Olası Parçacık" (God Damned Particle) lakabını takmışlardı. Ancak makale editörleri bu isimlendirmeyi saldırgan bularak reddetmişti ve yumuşatılmasını istemişti. Bunun üzerine, İngilizcede bir nevi argo olarak görülen "damned" (lanet) sözcüğü tanımdan çıkarıldı ve parçacık, "God Particle" (Tanrı Parçacığı) olarak popülerleşti.

Higgs Bozonu tuhaf bir parçacıktır. Standart Model parçacıklarının ikinci en ağırıdır ve tarifi de hiç kolay değildir. Cisimlerin kütle sahibi olmasının nedeninin genelde Higgs Bozonu olduğu söylenir. Bu ifade hem doğru, hem de yanıltıcıdır. Higgs'in kuarklara kütle kazandırdığı doğrudur. Kuarklar da, proton ve nötronları meydana getirir. Ancak proton ve nötronun toplam kütlesinin sadece %2'si kuarklar tarafından sağlanır. Geri kalanı oluşturan, gluonların enerjisidir. 

Buraya kadar, Standart Model için gerekli olan tüm parçacıkları saydık: 6 adet kuvvet parçacığı, 24 adet madde parçacığı ve 1 adet Higgs parçacığı: toplamda 31 temel parçacık. Bunlar hakkında edindiğimiz bilgiye karşın, tam olarak ölçemediğimiz özelliklerinden dolayı, tüm bu parçacıkların çevremizde gördüğümüz evreni inşa etmek için gerekli olan her şey olduklarını henüz söyleyemiyoruz ve sorularımızın karşılıklarına henüz sahip değiliz. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndan elde edeceğimiz veriler, bu özelliklerin bazılarıyla ilgili ölçümlerimizi geliştirmemize izin verecek. Ama başka bir şey daha var...

Kuram Hala Yanlış!

Oldukça güzel ve işlevsel bir kuram olan Standart Model, 20 yıldan fazladır tekrar tekrar test edildi ve hala tahminlerimizle çelişen bir ölçümle karşılaşmadık. Ama Standart Model'in yanlış olması gerektiğini biliyoruz! 2 temel parçacığı çarpıştırdığımızda, bir dizi olası sonuç ortaya çıkar. Kuramımız herhangi bir sonucun oluşabileceğini şu anda hesaplamamıza izin veriyor; ancak, şimdiye kadar ulaşabildiğimiz enerji seviyelerinin ötesinde bazı sonuçların oluşma olasılığının %100'den büyük olduğunu öngörüyor. Ki bu, fark edebileceğiniz gibi, açık bir biçimde anlamsızdır!

Kuramsal fizikçiler, tüm enerji seviyelerinde anlamlı cevaplar veren bir kuram oluşturmak için çok fazla uğraştılar. Ama Standart Model test edildiği her durumda aynı cevapları verdi. Kuramdaki en genel değişiklik, henüz keşfedilmemiş çok ağır parçacıkların varlığına işaret ediyor. Ağır olmaları, onları üretmek için çok fazla enerjinin gerekli olacağı anlamına gelir. Oluşturulacak yeni kuramın tüm enerji seviyelerinde anlamlı cevaplar verdiğini garantilemek için bu ekstra parçacıkların özellikleri seçilebilir; ancak bunların Standart Model ile çok iyi uzlaşan ölçümler üzerinde pek de etkisi olmayacaktır. 

Keşfedilmemiş ve henüz gözlemlenmemiş parçacıkların sayısı, hangi kuramı doğru varsaydığınıza bağlıdır. Bu kuramların en popüler sınıfına Süpersimetri Kuramı denir. Tüm gördüğümüz parçacıkların, çok daha ağır birer eşleri olduğunu öngörür. Ancak bunlar çok ağır olursa, o zaman bu parçacıkları bulmak için üretmemiz gereken enerji seviyelerine ulaşmakta sorun yaşayacağız. Yine de Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın ulaşabildiği enerji seviyesi o kadar yüksek olacaktır ki, keşfi beklenen yeni parçacıkların ortaya çıkmaması tüm Süpersimetri Kuramları'na derin bir darbe vurabilir.

Bekleyip göreceğiz...

Teşekkür: Bu yazıyı hazırlayan Gizem Görünmez'e, düzenleyen Hakan Ersöz'e teşekkür ederiz.

Kaynaklar:

https://bilimfili.com/standart-model

https://evrimagaci.org/parcacik-fizigi-standart-model-nedir-temel-parcaciklar-nelerdir-3733