Parçacık fiziği

Parçacık fiziği, fiziğin atomaltı parçacıkları inceleyen dalıdır.

Atomaltı parçacıklar bağımsız olarak ömürleri çok kısa olduğu için normal şartlar altında gözlemlenemezler. Bu amaçla oluşturulan parçacık hızlandırıcısı 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

Fiziğin standart modelinin parçacık içeriği.

Fermiyonlar, leptonlar ve kuarklardırlar ve şimdiki bilgilerimize göre başka parçacıklardan yapılmamış olan en temel parçacıklardır. Fermiyonlar, dönüş (spin) kuantum değerleri kesirlidir (½ gibi). Bu parçacıklar dönüş değerleri kesirsiz (0, 1 gibi) olan bozonlar sayesinde birbirleri ile etkileşirler. İki çeşitleri vardır.

Leptonlar

Leptonlarin en çok bilineni elektrondur. Elektron şimdilik başka parçacıklardan yapılmamış olarak kabul edilmektedir. Leptonların spini (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 (2007'de) 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 belli parçacıkların değiş-tokuşu ile oluşurlar ve şöyle sınıflanabilirler:

1. Elektromanyetik Kuvvet: Foton tarafından iletilir. Foton kütlesizdir. Foton, günlük hayatta iç içe yaşadığımız Isı, Işık, Radyo-TV sinyalleri, Mikrodalgasinyalleri, X-ışınları, Gama ışınları ve bunlara benzer enerji yayılımlarını taşımakla yükümlüdür. Elektromanyetik kuvvet yüklü parçacıklar arasındaki mesafe ile '1/mesafe²' şeklinde değişir.
2. Zayıf Çekirdek Kuvveti: Z adı verilen bozon ile W adı verilen kütleli ve elektrik yükünü haiz parçacıklar tarafından iletilirler. Z ve W boson'lar 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.
3. Şiddetli 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.)
4. 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 zamklanarak hadronları oluştururlar. Yeğin kuvvet gereğince kuarklar hadronlar içinde hapsolmuş olarak bulunurlar; serbest parçacık olarak gözlemlenemezler. 3 kuarktan (veya antikuarktan) oluşan spini kesirli hadronlara Baryonlar (bu kelime Yunanca ağır anlamındadır), bir kuark ve bir antikuarktan oluşan spini tam sayı hadronlara ise Mezonlar (bu kelime "Mezzo" orta sözünden gelir) denir.

Atom çekirdeği

Atom çekirdeği temel parçacık değildir, nükleon adı verilen 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 gelmiştir. 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 Yeğin etkileşimdir ve çekirdeği parçalanmadan tutar. Bu olgu ilk kez Hideki Yukawa tarafından ortaya konulmuştur ve bu olayda en çok rol oynayan mezon pi mezondur. Ortalıkta fazla görülmeyen bu parçacıkların ömrü çok kısadır. Yüklü pi mezon ${\displaystyle 10^{-8}}$ sn yaşar.

Bir atom çekirdeğinin her zaman kararlı değildir, kararsız atom çekirdeklerinde, ki radyoaktif maddelerin çekirdekleri böyledir, çekirdek parçalanması olur. Bunun nedeni zayıf etkileşim adlı kuvvettir.

Spin istatistiği

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

Bu nedenle spinler göz önüne alındığında parçacıklar iki kısma ayrılırlar.

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

Fermi istatistiklerine uyan parçacıklar aynı anda aynı kuvantum 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.