Kuark
| Kuark | |
 İki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan oluşan bir proton. | |
| İçerik: | Temel tanecik |
|---|---|
| Ailesi: | Fermiyon |
| Kuşak: | 1., 2., 3. |
| Etkileşim: | Elektromanyetizma,Gravitasyon, Güçlü, Zayıf |
| Antiparçacık: | Antikuark |
| Teori: | Murray Gell-Mann (1964) George Zweig (1964) |
| Keşif: | SLAC (~1968) |
| Sembol: | q |
| Tip sayısı: | 6 (yukarı, aşağı, tılsım,acayip, üst ve alt) |
| Elektrik yükü: | +2⁄3 e, −1⁄3 e |
| Renk yükü: | Evet |
| Spin: | 1⁄2 |
Kuark, temel parçacık ve maddenin temel bileşenlerinden biridir. Kuarklar bir araya gelerek hadronlar olarak bilinen bileşik parçacıkları oluştururlar. Bunların en kararlı olanları atom çekirdeğinin bileşenleri proton ve nötrondur.[1] Renk hapsi denilen bir olgu sebebiyle kuarklar asla yalnız bir şekilde bulunmazlar; onlar sadece hadronlar dahilinde bulunabilirler.[2][3] Bu sebeple kuarklar hakkında bilinenlerin çoğu hadronların gözlenmesi sonucunda elde edilmiştir.
Çeşni olarak bilinen altı tip kuark bulunmaktadır: yukarı, aşağı, tılsım, acayip, üst ve alt.[4] Yukarı ve aşağı kuark bütün kuarklar içinde en düşük kütleliolanlardır. Daha ağır kuarklar parçacık bozunması yoluyla hızlıca aşağı ve yukarı kuarka dönüşürler: yüksek kütle durumundan daha düşük kütle durumuna dönüşüm. Bu sebeple yukarı ve aşağı kuarklar evrende en yaygın olanlardır, bununla birlikte tılsım, acayip, üst ve alt kuarklar sadece yüksek enerjili çarpışmalarda (kozmik ışınlar ve parçacık hızlandırıcılarda) oluşabilir.
Kuarklar elektrik yükü, renk yükü, spin ve kütle gibi çeşitli içkin özelliklere sahiptir. Kuarklar parçacık fiziğinin Standart Model'inde dört temel kuvvetin(elektromanyetizma, gravitasyon, güçlü etkileşim, zayıf etkileşim) tümüyle de etkileşen ve ayrıca elektrik yükü temel yükün tamsayı katı olmayan tek temel tanecik ailesidir. Her kuark çeşnisi için ona karşılık gelen bir tane de antiparçacık bulunur. Antikuark denilen bu parçacık kuarktan, sadece bazı özelliklerinin aynı büyüklükte fakat ters işaretli olması ile ayrılır.
Kuark modeli 1964'te Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından birbirlerinden bağımsız olarak ortaya atıldı.[5] Kuarklar hadronlar için oluşturulan bir düzenlenim şemasının parçaları olarak tanıtıldı ve 1968 yılına kadar onların varlığı ile ilgili çok az fiziksel kanıt bulunuyordu.[6][7] Altı kuarkın tamamı hızlandırıcı deneylerinde gözlemlendi, keşfedilen son kuark olan üst kuark ilk kez 1995'de Fermilab'da gözlendi.[5]
Sınıflandırma
Standart Model şimdiye kadar bilinen tüm temel parçacıkları ve henüz gözlemlenmemiş[nb 1] Higgs bozonunu açıklayan bir kuramdır.[8] Bu model kuarkların (q), yukarı (u), aşağı (d), tılsım (c), acayip (s), üst (t) ve alt (b) isimlerindeki altı çeşnisini kapsar.[4] Kuarkların antiparçacıklarına antikuarkdenir ve karşılık gelen kuarkın sembolünün üzerine çizgi eklenerek gösterilir (örneğin yukarı kuark için anti kuark u ile gösterilir). Genellikle bütünantimaddelerde olduğu gibi, antikuarklar da kendi kuarkı ile aynı kütleye, ortalama ömür süresine ve spine sahiptir ancak elektrik yükü ve diğeryükleri ters işaretlidir.[9]
Kuarklar spin-1⁄2 parçacıklarıdır. Yani spin-istatistik kuramına göre onlar fermiyondur. Dolayısı ile, aynı iki fermiyonun aynı anda aynı kuantum durumunda bulunamayacağını söyleyen Pauli dışlama ilkesine tabiidirler. Bu aynı kuantum durumunda çoklu sayılarda bulunabilen bozonların(tamsayı spinli parçacıklar) tersidir.[10] Leptonlardan farklı olarak kuarklar, güçlü etkileşime girmelerini sağlayan renk yüküne sahiptirler. Farklı kuarklar arasındaki etkileşim hadronlar olarak bilinen kompozit parçacıkların oluşmasını sağlar.
Hadronların kuantum sayısını belirleyen kuarklara değerlik kuarklar denir bundan ayrı olarak hadronlar kuantum sayısına etki etmeyen sonsuz sayıda sanal (veya deniz) kuark, antikuark ve gluon barındırabilir.[11] İki farklı hadron ailesi vardır: üç değerlik (valans) kuarklıbaryonlar ve bir değerlik kuarklı ve bir antikuarklı mezonlar.[12] En büyük sayıdaki baryonlar atom çekirdeğini oluşturan proton venötrondur.[13] Hadronların büyük bir bölümü bilinmektedir (bkz. baryonlar listesi, mezonlar listesi), bunların çoğu kuark bileşenleri ve yapıtaşını oluşturan kuarkların kazandırdığı özelliklerle ayırt edilirler.[nb 2][14] Tetrakuarklar (qqqq) ve pentakuarklar (qqqqq) gibi daha fazla değerlik kuarka sahip olan "egzotik" hadronların varlığı da tahmin edilmektedir[15] ancak henüz kanıtlanamamıştır.[nb 3][15][16]
Temel fermiyonlar her biri iki lepton ve iki kuarkı kapsayan üç nesilden oluşur. Birinci nesilde yukarı ve aşağı kuark, ikinci nesilde tılsım ve acayip kuark, üçüncü nesilde üst ve alt kuark yer alır. Kuarkların ve diğer temel fermiyonların dördüncü nesli ile ilgili araştırmaların tamamı başarısızlıkla sonuçlanmıştır[17] ve üç nesilden fazlası olmadığına dair güçlü ve doğrudan olmayan kanıtlar mevcuttur.[nb 4][18] Daha yüksek nesillerde yer alan parçacıklar genellikle daha büyük kütleye ve daha az kararlılığa sahiptirler. Bu da onların zayıf etkileşimler vasıtasıylabozunarak daha küçük nesilli parçacıklara dönüşmesine sebep olur. Sadece birinci nesildeki (yukarı ve aşağı) kuarklar doğada yaygın olarak bulunur. Daha ağır kuarklar sadece yüksek enerjili çarpışmalarda (kozmik ışınları içerenler gibi) yaratılabilirler ve hemen ardından çabucak bozunurlar. Yine de onların evrenin son derece sıcak ve yoğun fazda olduğu Büyük Patlama'dan sonraki bir saniyenin ilk kesirlerin de bulundukları düşünülmektedir (kuark dönemi). Ağır kuarklar üzerine çalışmalar parçacık hızlandırıcılar gibi yapay olarak yaratılmış koşullarda yürütülmektedir.[19]
Elektrik yükü, kütle, renk yükü ve çeşniye sahip olan kuarklar çağdaş fiziğin dört temel kuvvetinin tamamıyla (elektromanyetizma, gravitasyon, zayıf etkileşme ve güçlü etkileşme) etkileştiği bilinen tek parçacık ailesidir.[13] Ancak gravitasyon genellikle atomik skalada etkisizdir ve Standart Model ile açıklanamaz.
Tarih
Kuark modeli 1964'te Murray Gell-Mann[20] ve George Zweig[21][22] tarafından birbirlerinden bağımsız olarak ortaya atıldı. Öneri Gell-Mann'ın 1961'de hazırladığı Sekiz Katlı Yol—ya da daha teknik bir ifadeyle SU(3) çeşni simetrisi—olarak bilinen bir parçacık sınıflandırma sistemi formülasyonundan kısa bir süre sonra geldi.[23] Fizikçi Yuval Ne'eman aynı yıl bağımsız bir şekilde Sekiz Katlı Yol'a benzer bir şema geliştirdi.[24][25]
Kuark kuramı ortaya çıktığında, diğer parçacıklarla birlikte çok sayıda hadron da "particle zoo" dahilindeydi. Gell-Mann ve Zweig hadronların temel tanecik olmadıklarını onun yerine kuarklar ve antikuarklardan oluşan kompozit parçacıklar olduklarını ortaya attılar. Modelleri spin ve elektrik yüklerini tanımladıkları üç çeşniyi—yukarı, aşağı ve acayip kuarkı—kapsıyordu.[20][21][22] Önermeye fizik camiasından gelen ilk tepkiler karışıktı. Kuarkların fiziksel bir varlık mı yoksa o zaman için tam olarak anlaşılmayan bazı kavramların açıklanabilmesi için kullanılan bir soyutlama mı olduğu konusunda bir çekişme vardı.[26]
Bir yıl geçmeden Gell-Mann–Zweig modeline yeni eklemeler önerildi. Sheldon Lee Glashow ve James Bjorken tılsım (charm) adını verdikleri kuarkların dördüncü çeşnisinin varlığını tahmin ettiler. Bu ekleme önerildi çünkü dördüncü çeşni zayıf etkileşimin daha iyi açıklanabilmesine olanak sağlıyordu (bu mekanizma kuarkların bozunmasına izin verir).
1968'de Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi (SLAC)'da yapılan derin inelastik saçılma deneyleri protonun daha küçük nokta benzeri parçacıklardan oluştuğunu böylece bir temel tanecik olmadığını gösterdi.[6][7][27] O dönemde fizikçiler bu nesneleri kuarklar ile ilişkilendirmek konusunda tereddütlüydüler bunun yerine onlara "partonlar" —Richard Feynman tarafından türetilmiş bir terim— dediler.[28][29][30] SLAC'ta gözlemlenen cisimler, diğer çeşnilerin de keşfedilmesiyle daha sonra yukarı ve aşağı kuark olarak tanımlanacaktı.[31] Buna rağmen parton, hadronların bileşenlerini (kuarklar, antikuarklar ve gluonlar) tarif eden ortak bir terim olarak kullanımda kaldı.
Acayip kuarkın varlığı SLAC'ın saçılma deneyleri ile doğrudan olmayan yöntemlerle kanıtlandı. Bu sadece Gell-Mann ve Zweig'ın üç kuark modelinin gerekli bileşeni değildi aynı zamanda 1947'de kozmik ışınlarda keşfedilen kaon (K) ve pion (π) hadronları için de açıklama getiriyordu.[32]
1970'deki bir yazılarında Glashow, John Iliopoulos ve Luciano Maiani henüz keşfedilmemiş tılsım kuarkın varlığına dair yeni kanıtlar sundular.[33][34] Varolduğu varsayılan kuark çeşnisi sayısı 1973 yılında, Makoto Kobayashi ve Toshihide Maskawa başka bir kuark çifti varsa bunun CP ihlalinin[nb 5][35] deneysel gözlemiyle açıklanabileceğine dikkati çektiklerinde, altıya yükseldi.
Tılsım kuarklar 1974'ün kasımında (bkz. Kasım Devrimi) iki takım tarafından neredeyse aynı anda üretildi—biri Burton Richter önderliğinde SLAC'ta diğeri Samuel Ting önderliğindeBrookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda. Tılsım kuarklar, mezonlarda tılsım antikuarklara bağlı bir şekilde gözlendi. Gözlemi yapan iki taraf keşfedilen mezon için biri J ve diğeri ψ olmak üzere iki farklı sembol belirlediler. Böylece mezonun resmi adı J/ψ mezonu oldu. Bu keşif nihayetinde fizik camiasını kuark modelinin geçerliliği konusunda ikna etti.[30]
Takip eden yıllarda, kuark modelinin altı kuarka genişletilmesi için bir takım öneriler getirildi. Bunlardan Haim Harari 1975'teki makalesinde[36] diğer kuarklar için üst ve alt terimlerini kullanan ilk kişi oldu.[37]
Alt kuark 1977'de Fermilab'da Leon Lederman'ın liderliğindeki bir takım tarafından gözlemlendi.[38][39] Bu üst kuarkın varlığına dair çok güçlü bir göstergeydi: üst kuarkın yokluğunda alt kuark eşsiz kalmış olacaktı. Ancak uzun bir süre boyunca kadar bu gözlem yapılamadı. Nihayetinde üst kuark 1995'te Fermilab'daki CDF[40] DØ[41] takımlarınca gözlemlendi.[5] Bu kuarkın kütlesi daha önce öngörülenden çok daha büyüktü.[42] Üst kuark neredeyse bir altın atomu kadar büyüktür.[43]
KAYNAK:VİKİPEDİ.COM
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder