Temel Parçacıklar Nedir ve Nasıl Bozunur?
Fizikçiler şimdiye dek 25 temel parçacık keşfettiler. Standart modelde yer alan bu parçacıklar madde, enerji ve radyasyon olmak üzere evrende bildiğimiz hemen her şeyi oluşturuyor. Bir tek karanlık madde ve karanlık enerjinin ne olduğunu bilmiyoruz. Oysa 25 temel parçacığın büyük kısmı kararsız ve saniyenin çok ufak bir kesrinde daha hafif başka parçacıklara bozunuyor. Bozunmak dönüşmek değildir ve yazıda asıl bunu göreceğiz ama radyoaktif bozunumu anlatmış olduğum için buradaki sorumuz başka… Temel parçacıklar bozunuyorsa onların da daha küçük başka parçacıklardan oluşması gerekmez mi? Ayrıca parçacıklar nasıl bozunur? Hemen görelim.
Temel parçacıklar ve standart model
Standart model 25 temel parçacık içeriyor ama bizi oluşturan madde bunların yaklaşık yarısından oluşuyor. Geri kalanlar bildiğimiz maddeye dahil ama sadece kategorik olarak. Yoksa bunlar bizi meydana getirmiyor. En tanıdık madde parçacıklarından biri de elektronlardır. Bunlar atom çekirdeği yörüngesinde dönerek atomları oluşturur. Atom çekirdekleri ise proton ve nötronlardan meydana gelir. Onlar da yukarı ve aşağı kuarkların farklı bireşimleridir. Böylece elimizde üç temel parçacık oluyor. Bunları da fotonlar ve güçlü nükleer kuvvetin 8 gluonu birleştiriyor.
Oldu mu elimizde maddeyi oluşturan 12 temel parçacık? Peki ya diğer temel parçacıklar? Mesela tauya bakalım: Tau, elektrona çok benzer ama 4000 kat ağırdır. Bu yüzden de son derece kararsızdır ve sadece 3 x 10-13 saniyede bozunur; yani 3/10 trilyon saniyede… Mesela bir elektron, tau nötrino ve elektron antinötrinoya bozunur. Öyleyse tau bunlardan mı oluşuyor? Bozununca da onu oluşturan parçalar uzaya mı saçılıyor? Kısacası tau sandığımızın aksine temel parçacık değil mi? Hayır, hayır… Gözlemlediğimiz ve bildiğimiz kadarıyla tau başka parçacıklardan oluşmuyor. Öyleyse nasıl bozunuyor?
İlgili yazı: Dünya’daki En Eski Fosil Bulundu
Temel parçacıklar ve bozunum kuvveti
Fizikçilerin taunun daha küçüğe bölünmeyen temel bir parçacık olduğunu düşünmesinin sebepleri var. Bir kere taunun bileşenleri olsa bunları başka parçacıklarla bir arada tutmanız gerekir. Tıpkı protonları oluşturan kuarkları birbirine bağlayan gluonlar gibi… O zaman da yeni bir fizik kuvveti gerekir; çünkü gluonlar güçlü nükleer kuvvetin aktarıcı parçacıklarıdır. Her kuvvet kendi parçacığını ve her bağlayıcı etkileşim parçacığı da kendi kuvvetini gerektirir. Mesela elektronları iten fotonlar elektromanyetik kuvvetin aktarıcısıdır. Özetle olası tau bileşenlerini birleştiren beşinci kuvvet görmedik.
İkinci olarak bunu açıklayan beşinci bir kuvvet uydursanız bile işe yaramaz; çünkü tau farklı şekillerde de bozunur. Mesela muon, tau nötrino ve muon antinötrinoya da bozunabilir. Aslında kuantum parçacıklar pratikte gerçekleşmesi çok zor olsa da sonsuz sayıda farklı şekilde bozunabilir. Sonsuz sayıda fizik kuvveti icat edemeyeceğimize göre bunlar temel parçacıklardır. Unutmayın ki nötron gibi parçacıklar da sonsuz şekilde bozunabilir ama bozunumları tek bir kuvvet açıklar: Zayıf nükleer kuvvet. Kısacası doğa bize düz mantık yürütsek bile sonsuz kuvvet olmadığını gösteriyor.
Nitekim tau, tau nötrino ve piona da bozunabilir. Pionlar iki kuarktan oluşur. Hatta taumuz hızını alamayarak tau nötrino ve rho’ya da bozunabilir. Rho da iki kuarktan ama piondan farklı kuarklardan oluşur. Dolayısıyla üçüncü olarak sonsuz farklı şekilde bozunma olasılığına sahip olsa da taunun illa bileşenleri olmasını istiyorsanız her taunun diğerinden farklı olması gerekir. Örneğin pionlu tau nötrinolu tau, tau nötrino ve rho’lu taudan farklı olacaktır. Oysa gözlemler gösteriyor ki bütün taular aynıdır. Tıpkı elektronlar gibi hepsi aynı fiziksel özelliklere sahiptir. Peki nereden biliyoruz?
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Temel parçacıklar nasıl bozunur?
Taular farklı fiziksel özelliklere sahip olsa parçacık hızlandırıcısında çarpıştırdığımız uygun parçacıkların daha çok sayıda tau üretmesi gerekirdi. Öyle ki farklı şekilde bozunsa bile tek bir kuvvetle bozunan parçacıklar, farklı kuvvetlerle bozunan parçacıklardan daha nadir bozunacaktır. Dilerseniz cümleyi tekrar okunun ama bunun bir sebebi var ve birazdan açıklayacağım. Oysa önden önce bunun “evren bilinçli bir varlıktır” inancını çürüttüğünü belirteyim; çünkü bilinç, bilinç üreten şeyin (örneğin beynin) farklı fiziksel iç durum kombinezonlarına sahip olmasını gerektirir.
Tau temel parçacık olduğu ve bileşeni olmadığından iç durumu da yoktur. Öyleyse bilinci yoktur. Bizi oluşturan madde ve enerji de temel parçacıklardan oluştuğundan beynimizin bilinci vardır ama evrenin kendi başına bilinci yoktur. Ha, evrende insan türü gibi bilinçli canlılar var. Öyleyse evren bir anlamda bilinçli sayılır diye kasacaksanız bilemem. Panfizisizm yönünde bir kanıt yoktur. İşin felsefi açılımına değindikten sonra temel parçacıkların neden bozunduğu sorusuna geri dönebiliriz.
Hakikaten neden bozunuyor bunlar? Biri tavuğuna kışt mı diyor? Öncelikle bozunum dediğimiz şey bir fiziksel etkileşimdir. Bu sebeple parçacıklar farklı sıra ve şekillerde bozunabilir. Madem yazının başından beri tauyla kanka olduk onunla devam edelim. En basitinden: Taunun iki nötrino ve bir elektrona bozunması demek, bu dört parçacığın birbiriyle etkileşime girmesi demektir. Tabii ki beşinci bir parçacık yoluyla etkileşim kurarlar. Bu da zayıf nükleer kuvvetin (teknik olarak etkileşimin) vektör bozonlarından biridir. Gerçi detaylar önemli değil. Konunun mantığını kavramamız yeterli.
İşin mantık ve semantik tarafı
Zaten radyoaktif bozunumun farklı şekillerde olabildiğini bilmemiz yeterli olacaktır. Örneğin tersten bakarsak yüksek enerjili bir elektron bir tau nötrinoya çarparsa bir tau ve elektron nötrino üretebilir. Bu durumda tau bozunurken ortaya çıkan tau nötrinonun da başka parçacıklardan oluştuğunu mu söyleyeceksiniz? Demek ki bozunan bir parçacık başka parçacıklara dönüşmez, başka parçacıkları üreterek bozunur. Bunun sebebi de bozunduğu parçacıkların bazılarının madde değil enerji parçacıkları olmasıdır. Nitekim gama bozunumu diye bir şey var. Bazı kararsız (radyoaktif) atomlar gama ışınları yoluyla enerji saçarak bozunur. Bu yüzden temel parçacıklar diyoruz.
Temel parçacıkların bozunmasının sebebi Heisenberg’in belirsizlik ilkesi ve rastlantısallıkla işleyen kuantum entropidir. Entropiyi zaten anlattım ama hem entropinin hem de rastlantısallığın istatistiksel olduğunu anımsayın. Bunu da Lagrangian yazısında ayrıca anlatacağım minimum aksiyon ilkesiyle gösteririz. Kısacası evrende parçacıklar en az enerjiyle en çok işi yapmaya çalışır. Öyle ki az enerji gerektiren bir şeyin rastlantısal olarak gerçekleşme olasılığı daha yüksektir. Termodinamik yasalarına göre böyledir. Oysa termodinamik enerji tasarrufunu yanlış anlamayın.
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Temel parçacıklar ve entropi
Mesela parçacıkların bozunma sebebi bozundukları parçacıkların özgün parçacıktan daha hafif olması, dolayısıyla onlara bozunmanın daha kolay olması değildir. Sonuçta toplam enerji korunur. Mesela bozunum ürünlerinin toplam kütlesi bozunan parçacıktan az olabilir. Oysa bunu telafi etmek için bozunum sırasında enerji açığa çıkar. Nitekim E=mc2, yani kütle enerjiden türeyen bir özelliktir. Evet, yine döndük dolaştık ve Einstein’a geldik. Ağır parçacıkların daha hafif parçacıklara bozunma olasılığı daha yüksektir; çünkü minimum enerjiyle maksimum iş yapmak açısından bu daha kolaydır.
Bozunum sırasında enerji açığa çıkar derken, toplam enerjiyi korumak için illa foton gibi ek parçacıklar türemesi de gerekmez. Bunun yerine bozunum ürünleri daha hızlı gidebilir; yani ek enerji onların artan momentumu ve kinetik enerjisiyle karşılanır. Peki madem her şey rastlantı öyleyse neden tau nötrino ve pionlar birleşip tau oluşturmuyor? Oluşturabilir ama taunun bunlara bozunması bunların tauyu oluşturmasından kolaydır; çünkü bu daha az enerji gerektirdiği için yüksek olasılıklıdır.
Özetle
Radyoaktif bozunum radyoaktif oluşumdan daha kolaydır. Atomları parçalamak atomları birleştirmekten kolaydır. Yumurtaları kırmak yumurtaları birleştirmekten kolaydır. Atomu parçalayan nükleer santral yapmak atomu birleştiren nükleer füzyon santrali yapmaktan kolaydır ve benzeri… Bunun için zaman neden geleceğe akıyor videomu izleyebilirsiniz. Fizik yasaları zaman geçmişe aksa da işler ama zamanın ileriye akması istatistik olarak daha yüksek bir olasılıktır. Peki her parçacığın içinde başka bir evren var mı? Onu da şimdi okuyabilir ve sanal parçacıkların gerçek olup olmadığına hemen bakabilirsiniz. Muhteşem bir hafta sonu geçirmeniz dileğiyle bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊
