5 Soruda Kuarklar Nedir ve Nasıl Çalışır?

En küçük temel parçacıklardan biri olan kuarklar atomların çekirdeğinde yer alıyor. Atom çekirdeklerini oluşturan proton ve nötronlar birbirine güçlü nükleer kuvvetle bağlanan üçer kuarktan meydana geliyor. Biz de yukarı, aşağı, alt, üst, tılsım ve garip olmak üzere evrendeki altı kuark türünü tanıyalım. Nükleer fizik ve kuantum renk dinamiğinin temeli olan kuarkların standart modeldeki yerini görerek kuarklarla ilgili en ilginç 5 nükleer soruyu yanıtlayalım.

Kuarklar, protonlar ve nötronlar

Evrendeki altı kuark türünü standart modelin parçacık tablosunda görebilirsiniz. Yukarı, üst ve tılsım kuarkların pozitif elektrik yükü vardır ve bu da protonun elektrik yükünün üçte ikisine eşittir. Aşağı, garip ve alt kuarkların elektrik yükü negatif olup elektronun üçte birine eşittir. Pozitif yüklü elektronlar ve net elektrik yükü sıfır olan nötronlar atomların çekirdeğinde oluşturur dedik ya, protonlar iki yukarı ve bir aşağı kuarktan; nötronlar ise iki aşağı, bir yukarı kuarktan meydana gelir.

Kuarkların kısmi yük sahibi olmasının özel bir sebebi yoktur. Yalnızca elektronlarla protonları daha önce keşfettik ve bunların yükünü 1 ile tanımlayınca kuarkların daha düşük seviyedeki yükünü üçte iki ve üçte bir olarak tanımlamak zorunda kaldık. Peki ya diğer kuarklar? Tılsım, üst, alt ve garip kuarklar doğada nadir olup oda sıcaklığında bulunmaz. Biz de bunları CERN LHC gibi büyük çarpıştırıcılarda protonları birbiriyle çarpıştırarak üretiriz. Neden nadir olduklarına gelince:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

En garip kuarklar

ÜST KUARK evrendeki en kütleli parçacık olup enerji eşdeğeri 173 gigaelektronvolt (GeV)/c²’dir. Öyle ki birçok parçacığa baz kütlesini kazandıran Higgs alanında bulunan Higgs parçacığının kütlesi bile yalnızca 125 GeV’dir. Üst kuark iri cüsseli olmasının bedelini istikrarsız olarak öder ki boş uzayda ortalama ömrü 5 × 10⁻²⁵ saniyedir! Üst kuark yalnızca radyoaktiviteden sorumlu olan zayıf nükleer kuvvetle bozunur. Bu kadar kısa sürede zayıf kuvveti taşıyan parçacıklardan biri olan W bozonuna ve üç kuarktan birine dönüşür. Bunlar da genellikle alt kuark, bazen garip kuark ve nadiren aşağı kuarktır. TILSIM KUARK ortalama ömrü 1,1 x 10^-12 saniyedir ve genellikle garip kuarkla W⁺ bozonlarına bozunur.

Kütlesi ~95 megaelektronvolt (MeV) olup garip maddeyi oluşturan parçacıklar içinde en egzotiği olan GARİP KUARK ise 1,24 x 10^-8 saniyede birer yukarı kuark, elektron ve elektron antinötrinoya bozunur. 4,18 ila 4,65 GeV kütlesi olan alt kuark da yaklaşık 10^-12 saniyede tılsım veya yukarı kuarka bozunur. Kısacası bu kuarklar kararsız olduğu için hızla başka parçacıklara dönüştüğünden doğada nadirdir. Dolayısıyla bildiğimiz madde daha çok yukarı-aşağı kuarklar, proton, nötron ve elektronlardan oluşur. Yalnızca yukarı kuark genellikle bozunmaz ama bunu yeni elektrozayıf kuvvet yazısında anlatacağım.

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Kuarkların kısa tarihi

Proton ve nötronların hangi parçacıklardan oluştuğunu merak eden Murray Gell-mann 1964 yılında üç kuark öngördü: yukarı, aşağı ve garip kuark. Böylece 1940 ve 50’lerde ABD’nin nükleer silah programında keşfedilen çok sayıda parçacığın kökenini açıklayabildi. Oysa temel parçacıkların standart modelinde başka parçacıklar da öngörülüyordu. Nitekim alt kuark 1977’de ABD’nin en ünlü parçacık laboratuarı olan Fermilab’in o zamanki direktörü Leon Lederman ve ekibi tarafından keşfedildi. Fermilab iri cüsseli üst kuarkı ise ancak 1995 Martında gözlemleyebildi.

1. Renk dinamiği nedir?

Neden kuarklar atomlar gibi üst üste yığılarak kuark atomları, kuark molekülleri ve kuark taşı (?) gibi materyaller üretmiyor? Kuarklarla ilgili bu birinci sonucun yanıtı atom çekirdeklerini bir arada tutan güçlü nükleer kuvvetin kuantum fiziğindeki açıklaması olan renk dinamiğinde yatıyor. Bunun için güçlü kuvveti elektrik akımıyla manyetik alandan sorumlu elektromanyetik kuvvetle karşılaştıralım:

Elektromanyetizmada pozitif ve negatif olmak üzere iki yük vardır. Bunlar da birbirini sıfırladığında nötr atomları oluşturur (proton ve elektron sayısı eşit olan atomlar). Güçlü kuvvette ise üç yük vardır. Bu yüzden ancak üç yük bir araya gelerek nötr nötronları oluşturabilir. Örneğin protonların net yükü pozitiftir ve pozitif yüklü iki yukarı kuarka ek olarak negatif yüklü olan bir aşağı kuark içerirler. Nötronlar nötrdür; çünkü iki negatif yüklü aşağı kuark ve bir pozitif yüklü yukarı kuark içerir.

Peki ya renk dinamiği? Klasik fizikten örnek verirsek: Kırmızı, mavi ve yeşil ışığı birleştirirseniz beyaz ışık olur. Bu nedenle güçlü kuvveti oluşturan yüklere renk yükü deriz ve güçlü kuvvete tabi kuarkların etkileşimlerini de kuantum renk dinamiğiyle açıklarız. Dolayısıyla her kuarkın kırmızı, mavi veya yeşil olmak üzere kendi rengi vardır fakat bunların gerçek renklerle ilgisi yoktur. Yalnızca proton ve nötron gibi kararlı parçacıklar üretmek için bunları renk yükü nötr olacak şekilde toplarsınız.

2. Kuarkların elektrik yükü

Demek istiyorum ki kuarkların elektrik yükü ile renk yükünü birbirine karıştırmayın. Protonların istikrarlı olması için toplam renk yükü nötr olan üç kuark gerekir ama protonların pozitif net elektrik yükü vardır. Oysa kuarklar protonlardan küçüktür ve atom çekirdeğindeki protonlarla nötronlar gibi üst üste yığılsalardı protonlarla nötronların da küçücük olması gerekirdi. Bu da bildiğimiz maddenin oluşmasını önlerdi. Peki neden gruplanıyor da yığılmıyorlar? Bunun için kısaca gluonlara bakalım:

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

3. Kuarklar ve gluonlar

Kuarklar neden uzayda serbest dolaşamaz ve hep üçerli olarak gruplanırlar? Öğrencilerim bunu merak ediyor. Atomlardan elektron kopararak elektrik üretir gibi protonlardan kuark koparıp koparamayacağımızı öğrenmek istiyor. Güçlü kuvvetin elastikiyeti yüzünden bu imkansızdır. Güçlü kuvvet protonların içinde nispeten zayıftır. Bu yüzden küçücük kuarkların proton çapı kadar büyük bir alanda birbirine resimdeki gibi uzak durarak gruplanmasına izin verir. Öte yandan güçlü kuvvet proton çapını aşan ama en iri atom çekirdeğinden geniş olmayan mesafelerde çok güçlüdür.

Bu da kuarklar için kalın bir lastik şeridi çekiştirmeye benzer. Kuarklar birbirine güçlü nükleer kuvveti taşıyan gluonlarla bağlanır ve aralarında sürekli gluon alışverişi yapar.  Kauçuk bantı ilk başta kolayca gerersiniz ama gerilim sınırına ulaştığında onu daha fazla germek çok zor olacaktır. Aynı sebeple kuarklar üçerli gruplandıktan sonra grubu terk edemezler. Güçlü kuvvet geri çeker. Ayrıca kuarklar boş uzayda genellikle kararsızdır ve hemen bozunarak başka parçacıklara dönüşür.

Dönüşür derken: Güçlü kuvvetin güçlenmesi demek enerjinin artması demektir ve kütle enerjiden türeyen bir özelliktir. Siz de CERN’de protonları kafa kafaya çarpıştırarak parçalarsanız hızla artan enerjinin yeni kuark ve antikuark çiftleri oluşturduğunu görürsünüz. Bu yüzden kuarklar hep parçacık gruplarıyla uzaya saçılır ve hiçbir kuark uzayda tek başına bulunmaz.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

4. Tetra ve pentakuarklar

Proton ve nötronların üçer kuarktan oluştuğunu biliyoruz. Peki dört ve beş kuarklı gruplar var mı? Öncelikle proton ve nötronlar en kararlı kuark gruplarıdır. Protonlar sonsuza kadar bozulmadan var olabilir (?). Bugüne kadar tek bir protonun bile bozunduğunu görmedik. Serbest nötronların yarı ömrü 15 dakikadır ama atom çekirdeklerinde sonsuza dek var olabilirler. Nötronlar yalnızca atom çekirdekleri bozunursa yok olacaktır.

Kuarklardan oluşan parçacıklara baryon deriz ki en iyi bilinen baryonlar protonlarla nötronlardır ancak kuark ve antikuark çifti olan mezonlar da vardır. Kısa süreli olarak tetrakuark (dörtlü kuark) ve pentakuark (beşli kuark: dört kuark ve bir antikuark) parçacıkları da olabilir. Kısa ömürlü bu parçacıklar farklı kuark kombinezonlarından oluşabilir.

İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?

 

5. Elektron ve antikuark birbirini yok eder mi?

Kısaca hayır. Ancak aynı türden parçacık ve antiparçacıklar birbirini yok edebilir. Örneğin elektron ve pozitron, kuark ve antikuark birbirini yok edebilir ama bir elektron ile antikuark yok edemez. Böylece antimaddeyle ilgili yanlış bilinen bir noktayı düzeltmiş olduk. BONUS olarak: Proton spininin (kendi çevresinde dönmesini sağlayan açısal momentum) yüzde 50’sinin protonların içindeki kuarkları birbirine bağlayan gluonlardan geldiğini de belirtelim.

Peki güçlü nükleer kuvvet ile elektrozayıf kuvvet nedir ve nasıl çalışır? Onu da şimdi okuyabilir ve dünyanın en ağır elementi olan Oganesson atomuna periyodik tabloda bakabilirsiniz. Nükleer reaktörlerin ürettiği Çerenkov radyasyonuna göz attıktan sonra dünyanın bilinen tek doğal nükleer reaktörü Oklo’yu inceleyip radyoaktif atıkların lazer ışınlarıyla nasıl temizlenebileceğini görebilirsiniz. Yağmurlu havalarda temponuzu koruduğunuz güzel bir hafta dilerim. 😊

Kuarklar nasıl birbirine dönüşüyor?

¹Properties of the Top Quark
²Properties of strange quark stars with isovector interactions
³Multi-stage evolution of heavy quarks in the quark-gluon plasma