Parçacık fiziği

Parçacık fiziği (yüksek enerji fiziği olarak da bilinir), maddeyi ve ışınımı oluşturan parçacıkların doğasını araştıran bir fizik dalıdır. Parçacık kelimesi birçok küçük nesneyi andırsa da, parçacık fiziği genellikle gözlemlenebilen, indirgenemez en küçük parçacıkları ve onların davranışlarını anlamak için gerekli temel etkileşimleri araştırır. Şu anki anlayışımıza göre bu temel parçacıklar, onların etkileşimlerini de açıklayan kuantum alanlarının uyarımlarıdırlar. Günümüzde, bu temel parçacıkları ve alanları dinamikleriyle birlikte açıklayan en etkin teori Standart Model olarak adlandırılmaktadır. Bu yüzden günümüz parçacık fiziği genellikle Standart Modeli ve onun olası uzantılarını inceler.

Atomaltı parçacıklar bağımsız olarak ömürleri çok kısa olduğu için normal şartlar altında gözlemlenemezler. Bu amaçla oluşturulan parçacık hızlandırıcı denilen dev düzeneklerde, yüksek elektriksel alan etkisi ile hızlandırılmış parçacıkların manyetik alan etkisi ile odaklanarak çarpıştırılması ile ortaya çıkan farklı parçacıklar incelenebilir hale getirilmeye çalışılır. Bu işlemlerin yapılmasında ve yaratılan çarpışmalarda ortaya çıkan enerji miktarları çok büyük olduğundan parçacık fiziği yüksek enerji fiziği olarak da adlandırılır. Parçacıkları ve etkileşimlerini açıklayan en güncel kurama Standart Model adı verilir.

Temel parçacıklar

Leptonlar ve kuarklar görünen maddeyi oluşturan ve günümüz teknolojisine göre iç yapısında başka parçacıklar barındırmayan temel yapıtaşlarıdır. Fermiyonların, dönüş (spin) kuantum değerleri kesirlidir (½ gibi). Bu parçacıklar dönüş değerleri kesirsiz (0, 1 gibi) olan bozonlar sayesinde birbirleri ile etkileşirler. İki çeşidi vardır.

Leptonlar

Leptonların en çok bilineni elektrondur. Elektron günümüz teknolojisiyle temel parçacık olarak kabul edilmektedir, yani başka parçacıklardan oluşmayan bir yapısı vardır ve noktasal bir nesne gibi davranır. Leptonların spin'i (dönüş; parçacığın iç açısal momentumu) ½ ve elektrik yükleri (protonun elektrik yükünün katları olarak) -1 veya 0 dır. Yunanca lepton hafif temel parçacık anlamına gelmektedir. Şimdilik (2019'da) bilinen 6 lepton vardır:

e electron (Elektrik yükü=-1)
ν_e elektron-nötrino (Elektrik yükü=0)

τ tau (Elektrik yükü=-1)
ν_τ tau-nötrino (Elektrik yükü=0)

μ muon (Elektrik yükü=-1)
ν_μ muon-nötrino (Elektrik yükü=0)

Kuarklar

Temel parçacıklar içinde adını Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından alan parçacıklar kuarklardır. Kuarklarda spin ½ ve elektrik yükleri 2/3 veya -1/3 olan parçacıklardır. Şimdilik (2007'de) bilinen 6 kuark vardır:

u up (ap) (üst, elektrik yükü=2/3)
d down (davn) (alt, elektrik yükü=-1/3)

c charm (çarm) (çekici, elektrik yük=2/3)
s strange (streync) (tuhaf, elektrik yükü=-1/3)

t top (tap) (tavan, elektrik yükü=2/3)
b bottom (bat`ım] (taban, elektrik yükü=-1/3)

Temel kuvvetler

Doğada şimdilik varlığı bilinen dört temel kuvvet vardır. Bu kuvvetler belirli parçacıkların değiş-tokuşu ile etkilerini gösterirler ve şöyle sınıflandırılabilirler:

Elektromanyetik Kuvvet: Foton tarafından iletilir. Foton kütlesizdir. Foton, günlük hayatta iç içe yaşadığımız Isı, Işık, Radyo-TV sinyalleri, Mikrodalga sinyalleri, X-ışınları, Gama ışınları ve bunlara benzer enerji yayılımlarını taşımakla yükümlüdür. Elektromanyetik kuvvet yüklü parçacıklar arasındaki mesafenin karesiyle ters orantılı olarak iletilir.
Zayıf Çekirdek Kuvveti: Z adı verilen bozon ile W± adı verilen kütleli ve elektrik yüklü parçacıklar tarafından iletilir. Z ve W bozonlar radyoaktif bozunmalardan sorumludurlar. Zayıf bir kuvvettir ve yüklü parçacıklar arasındaki mesafe ile 'Exp(- M_Z * mesafe)/mesafe²)' şeklinde değişir ve yalnız 'mesafe ~ 1/ M_Z' civarında etkili olur.
Güçlü Çekirdek Kuvveti: Gluon (yani 'tutkal' parçacığı) tarafından iletilir. Güçlü kuvvet yüklü parçacıklar arasındaki mesafe ile 'mesafe' şeklinde değişir ve büyük mesafelerde güçlü bir etkileşme verirken, küçük mesafelerde oldukça zayıftır (Hook kuvveti gibi).
Kütleçekim Kuvveti: Graviton tarafından iletilir. Graviton henüz keşfedilmemiştir. Bu kuvvet hep çekimseldir ve yüklü (kütleli) parçacıklar arasındaki mesafe ile '1/mesafe²' şeklinde değişir.

Hadronlar

Kuarklar ve/veya antikuarklar gluon tarafından tutularak hadronları oluştururlar. Yeğin kuvvet gereğince kuarklar hadronlar içinde hapsolmuş olarak bulunurlar; hiçbir zaman serbest parçacık olarak gözlemlenemezler. 3 kuarktan (veya antikuarktan) oluşan kesir spinli hadronlara baryonlar (bu kelime Yunanca ağır anlamındadır), bir kuark ve bir antikuarktan oluşan spini tam sayı hadronlara ise mezonlar (bu kelime "mezzo" kelimesinden gelir) denir.

Atom çekirdeği

Atom çekirdeği, diğer adıyla nükleon, proton ve nötronlardan meydana gelir. Elektron ve çekirdeğin içindeki nötron ile proton kararlı parçacıklardır. Kuarklar bir araya gelerek nükleonları oluştururlar. Nötron u, d, d kuarklarından, proton ise u, u, d kuarklarından meydana gelir. Elektrik yükleri hesaplandığında nötronun yüksüz (2/3 - 1/3 - 1/3 = 0) ve protonun +1 yüklü (2/3 + 2/3 - 1/3 = 1) olduğu görülür.

Bir atom çekirdeğini oluşturan nükleonlar aradaki mezon alışverişi ile kararlı parçacıklar ortaya çıkar. Bu olay esnasındaki kuvvet güçlü etkileşimdir ve çekirdeği parçalanmadan bir arada tutar. Bu olgu ilk kez Hideki Yukava tarafından ortaya konulmuştur ve bu olayda en çok rol oynayan mezon pi mezondur. Ortalıkta fazla görülmeyen bu parçacıkların ömrü çok kısadır. Yüklü pi mezon $10^{-8}$ sn yaşar.

Bir atom çekirdeği her zaman kararlı değildir. Radyoaktif maddelerin çekirdekleri gibi kararsız atom çekirdeklerinde çekirdek parçalanması olur. Bunun nedeni zayıf etkileşim adlı kuvvettir.

Spin istatistiği

Bu parçacıkların Pauli yasası dahilinde spinleri göz önüne alındığında, ya tam sayılı (0,1,..) veya buçuklu (1/2, 3/2,...) olduğu görülür. Yarı tam sayılı spinli parçacıklar Fermi istatiklerine, tam sayılı spine sahip olanlar Bose-Einstein istatiklerine uyarlar.

Bu nedenle spinler göz önüne alındığında parçacıklar iki kısma ayrılırlar.

Fermiyonlar (Enrico Fermi'den)
Bozonlar (M. K. Bose'dan)

Fermi istatistiklerine uyan parçacıklar aynı anda aynı kuantum sayılarına sahip olamazlar (elektron gibi).

Bose istatiklerine uyanlar ise aynı anda aynı konumda olabilirler (fotonlar bu grupta oldukları için lazer ışını oluşabilir). Yukarıda bahsi geçen temel Kuvvetlerin etkileşim parçacıkları bozonlardır.

Tüm bahsedilen parçacıkların bir antiparçacığı da mevcuttur; bu parçacıkların tamamı antimadde olarak adlandırılır.