Kuvvet Alanları… ! (Force Fields…!)

 elektron ripple

Madde  alanındaki elektron  bozuntusu (ripple).

(Kaynak: David  Butler)

[Atomaltı  Parçacık (subatomic  particles)  dünyası  ayrı  bir  dünya…! Bu  dünyaya  biraz  yaklaşınca, “madde/kuvvet  alanları” nasıl  meydana  gelir/ortaya  çıkar…” sorusu  hemen  akla  takılıyor… Bu  noktada, David Butler  hızır  gibi yetişti…  Butler’in  “You Tube”  deki  video-anlatımı  bu  konulara ilgi  duyanlar (ve  duyacaklar)  için tam  da  doğru bir  adres…Henüz  keşfettiğimiz  bu  kaynağı  bir  solukta  izledik, takiben  de  ayrıntılı okuduk…sizin  için özetledik… Orijinal  kaynakları inceleyebilecek  okuyucuya, bu  yazının  sonunda  belirtilen   kaynakları “şiddetle” öneririz…! ]

Kuvvet  Alanları (Force  Fields) son  zamanlarda  ilgimizi daha  fazla çekmekte… İnsan, bazı  şeyleri  öğrendikçe, içindeki öğrenme  isteği ivmelenerek artıyor…! Bunun  yaşla  da  bir  ilgisi olsa  gerek…!

Bu  sitede  daha  önce  yayımlanan  yazılarda, “yüklü”  parçacıkların,  ivmelendiğinde elektromanyetik  alanlar  yarattığından  bahsetmiştik… İlişkili olarak, bir  alandaki  “bozuntu” (disturbance)  da, ışık  taneciği  olarak  bildiğimiz,  “foton”  (photon) adı  verilen  parçacığın  ortaya  çıkmasını  sağlayabilmekte…!

Bilim  insanları  elektromanyetik  kuvvetin  iletiminde gerçekte  parçacık olmayan  “sanal  fotonları” (virtual  photons) devreye  sokmakta… Kuvvet alanını  oluşturan  “kuvvet  parçacığı”  konsepti  genişletilerek, “madde  alanı”nı (matter  field)  oluşturan  madde  parçacığına  ulaşılmakta… Elektromanyetik  Kuantum Alan Teorisinde  bu parçacık:  elektron…

Elektromanyetik  kuvvet   proton  ve  nötronlardaki kuarklar (quark)  ile  atom  çekirdeğindeki proton  ve  nötronları  bir  arada  tutan  kuvvet  “güçlü  nükleer  kuvveti” (strong nuclear  force)  moddellemek  için elektromanyetik  kuvvet  kullanılmakta…

Tüm  bunlar  yetmezmiş  gibi,  bilim insanları  bir  de “renk  şarjı”nı (color  charge) tanımladı…!  Tabiattaki  renklerin  görünmesini / algılanmasını  da  açıklayan  bir  kuantum  olayı… Tabi,  “gloun”dan  bahsedince  sanalını  da  tanımlamak  gerekli…tek  başına  olamıyor…! Pionlar…nükleonlar (nucleon), kalıcı güçlü  kevvetin sebeb  olan  nükleonlar  arası  etkileşim…

Protonun  maddesinin  kaynağının  açıklanması  nemli… Paracık  fiziğinin  Standart  Modelini  tamamlamak  için  “zayıf  nükleer  kuvvet”  (weak  nuclear  force)  ile onun  taşıyıcıları  olan  “W”  ve  “Z”  bozunları da  açıklamak  gerekli…Beta  Bozunumu (Beta  Decay) süreci kullanılarak  bu  kuvvetin gerçek  bir parçacığı  sadece ivmelendirmeyip nasıl  değiştirebildiği  açıklanmakta…

Bir  Higgs  Alanına ve  Higgs  Mekanizmasına geçişte, bir elementer  parçacığın  kütlesinin  orijininin  anlaşılmasında  “spin  osilasyonunun” (spin oscillation) da  anlaşılması  gerekli…Tüm  diğer alanlar  gibi, Higss Alanındaki  bir  bozuntu (durgun  suya  atılan  taş…) da Higgs Bozonunu  yaratıyor…

“Kuvvet  Alanı”  sözcüğü, ilk  defa,  manyetik  alanları  inceleyen  Michael Faraday  tarafından 1894’te  kullanıldı…Birkaç  yıl sonra, Maxwell  elektrik  ve  manyetik  alanların  fiziğini geliştirdi… Kuantum   Alanı  Teorisi (Kuantum Field  Theory), yakın  zamana  kadar boş olduğu  düşünülen uzayda nelerin  olup-bittiğini  araştıran bir  teori… Bir  parçacıktan  uzaktaki  bir  uzayda ortaya  çıkan (veya  varlığını  sürdüren)  kuvvetin  tabiatını  anlayabilmek  için  Higgs Bozonunu  anlamak  gerekli…!

Elektrik  yüklü  parçacıklar  her  yöne  doğru  uzanan  elektromanyetik  alan  üretirler… Bu  alan parçacığa  bağlıdır… Parçacık,  gideceği  her  yere  bu  alanı  birlikte  taşır… Kuantum  Alanı  Teorisinde, bunun  gibi  alanlar  sürekli  olmayıp, taneciklidir (quantized)… Küçük  kütlesiz, enerjisiz  “alan parçacıkları”dır…(Hayal edilmesi  hiç  de  kolay değil…)

Bilim insanları fotonu elektrik  alanındaki  belirli  bir  çeşit “bozuntu” (excitation, vibration) olarak  düşünmekte… Buna “mahalli  olarak  titreyen dalga” (localized vibrating ripple) gözüyle  bakılmakta…Kendisini  ve  alanı ortaya  çıkaran bir  yaratıcı-parçacığa (ve  enerji  kaynağına) bağlı  olmayan  bu  foton  serbestçe  yol almakta…

 Potonun  dalga  denklemine  göre  kütlesinin, elektrik  yükünün  mevcut  olmadığı, spin’inin  “1”  olduğu  ve   uzayda erişilebilen  en  yüksek  hızla  hareket  ettiği  biliniyor… Bilim insanları   Enerji  Parçacığı (Quanta)  enerjisinin  Plank Sabiti   ile Kuanta’nın titreşim frekansının  çarpımı  kadar  olduğunu belirledi…

Eğer  bir foton  parçacıklı  elektromanyetik  alanda  lokalize titreşim dalgası (vibrating ripple)  ise, elektronun  da, evrendeki  tüm  uzaya  yayılan   kuantize  madde  alanında  bir  lokalize titreşim dalgası olabileceğini  düşünüyor…

Foton  gibi  elektronun  da,  Schrödinger  Dalga Denklemi   (Schrödinger   Wave  Equation)  ile   tanımlanan  dalga  özellikleri  mevcut… Elektronlar  ve  pozitronlar  uzayın  herhangi  bir yeride ortaya  çıkabilir (materialize)…!  Bir  foton  elektron  alanını (electron  field) belirli  bir  dereceye  kadar  tetiklerse (disturb) elektronları temsil  eden  dalgalar  ortaya  çıkar…

Elementer  parçacık  etkileşimini göstermenin  en  uygun  yolu, Nobel  Ödüllü, Richard Feynman’ın  1948’de   önerdiği  Feynman Diyagramlarıdır…

Modern  fizikte “boş  uzay”ın  mevcut  olmadığı  kabul  edilmektedir… Kuvvet  Alanları  uzayı (her zaman)  doldurur… B  alanlar uzayın  şartları  veya özelliğidir…Kısaca, alanı  mevcut  olmayan  bir  uzay  yoktur…!

Elektromanyetik  kuvvet  nasıl  ortaya  çıkar…

İki  elektron  birbirine  yaklaştığında, bunların  yükü (charge) elektromanyetik  alanda bir  bozuntuya  yol  açar… Bu  bozuntu onların  birbirinden  uzaklaştıracak  şekilde  iter… Benzer  durum  bir  elektron  için  pozitronun  birbirine  yaklaşması  durumunda  da geçerlidir…Bu  cisimler birbirine  doğru  itilir…

Bir  parçacık alandaki  bir  dalgalanmadır, uzayda  düzgün  bir  şekilde  ve  efor  gerektirmeden     hareket  eder…  Bu bozuntu (disturbance)   bir  foton  değildir… Uzayda  iyi  oluşmuş  bir dalga olarak  hareket  edebilecek  enerjiye  sahip  değildir…!  Alandaki  bu “sanal  parçacık” (virtual  particle) kendi  kendine  var olamayan,  ancak, diğer  parçacıkların  (veya  alanların) varolmasıyla  ortaya  çıkabilen,  bir  bozuntudur… Bu  şekilde  bir  bozuntu, onu  ortaya  çıkmasına  sebep  olan  şey  yok  olunca    bozunur (decay)   veya  parçalanır…

Elektromanyetik  alan  ile  elektron  alanı (elektrik alanı) arasındaki bu çeşit  bir  etkileşme  önemlidir,çünkü, iki şarjlı  parçacığın birbirine  uyguladığı   kuvvet  bu  etkileşimden  doğar…Bu   diğer  nükleer kuvvetler  için  de model  oldu… Bu  sahada  neler  olup  bittiği  hususu QED’nin (Quantum  Electro Dynamics)  konusu  olup,  halen,  aktif  şekilde  araştırılan  bir  sahadır… Nobel  Ödüllü  teorik  fizikçi  Steven  Weinberg’e  göre, elektromanyetik  alanın enerjsi ve  momentumu foton adı  verilen örgülere (bundle)  dönüşür…  Ayrıca, enerjisi,  momentumu  ve elektrik yükü  örgüler halinde  bulunan  ve  bu  örgüsüne   “elektron”  denen,  “elektron  alanı”  da  mevcuttur… Bu  durum  elementer  parçacıkların  tümü   için  geçerlidir… Tabiatın  temel  bileşenleri  alanlardır…Parçacıklar  alanlar   tarafından  türetilir (dervative)  …! 

QED,  bir  model  olarak  kullanılarak  ve  yirmi  yılda  gerçekleştirilen binlerce  yüksek  enerjili  parçacık  çarpıştırmalarıdan  toplanan  verilerden, kuarkların  anlaşılmasında şu  noktaya  gelindi..:  Kuarklar elektronların “güçlü  kuvvet” alanındaki  eşdeğerleridir… Bunları  bir  arada  tutan “gluon”lar  fotonun   “güçlü  kuvvet” alanındaki  eşdeğeridir…Bir  kuark, uzayda  yayılan  “elektron  alanı”  içindeki    titreşen  bir  bozuntu (vibrating ripple)  ise,   bir  kuark  ta, uzayda  yayılan  “quark  alanı”nın   titreşen  bozuntusudur…

Elektronlar  elektromanyetik  kuvvet alanı  yaratan elektrik  yükü taşır… Kuarklar  da  elektrik  yükü  taşır   ve  elektromanyetik  kuvvet  yaratır…Ancak, kuarkların  taşıdığı  yük  elektronun  taşıdığı  yükün 1/3  ve  2/3 katı  olduğundan, onların  sebep  oldukları  elektromanyetik  alan  elektronun sebep olduğundan  zayıftır…

Kuarklar,meseleyi  biraz  daha  renklendirecek  şekilde,  “renk  yükü”  (color  charge)  adı  verilen  başka  bir  yükü  daha  taşır… Bilim  insanları  bu şarjın “gluon  kuvvet  alanı”nı  oluşturduğunu  düşünüyor… Araştırmalar  gösterdi  ki,  ivmelenen  bir  elektron  elektromanyetik  alanda, foton  adı  verilen,  titreşen  bozuntular  yaratır… Benzer  şekilde, ivmelenen  bir  kuark  ta, gluon  alanında, gluon  adı  verilen  titreşen  bir bozuntu  yaratır…!  Fotonlar   gibi,  gluonlar  da, spin 1  tipinde kütlesiz parçacıklardır… Bunların  tümüne  “bozonlar”  adı  verilmiştir…

Fotonlar  elektronları  ivmelendirebilirken, gluonlar  da  kuarkları  ivmelendirebilir…Enerjili  bir  foton elektron  ve  anti-elektronu yaratabilirken, enerjili  bir  gluon  da  kuark-antikuark  çiftini  yaratabilir… (Burada, neyin  neyi  yaratabildiği  hususu, göründüğü  kadarıyla,  iki yönlü  bir  yetenek/durum  gibi…!)

Etkileşen  elektronların, elektromanyetik alanın kuvvetini  iletmesini  sağlayacak      sanal fotonları yaratmak  üzere,  elektrik  alanı  etkilediği  (disturb)  şekilde, etkileşen  kuarklar  da, sanal  gluonları  yaratacak  şekilde gluon  alanında bozuntuya  sebep  olur…!  Bunun  sonunda  ortaya  çıkan gluonlar, gluon  alanının çekim  kuvvetini uygular  ki,  buna “güçlü  nükleer  kuvvet”  (strong nuclear force) adı  verilmiştir…!

Görüldüğü  gibi, elektromanyetik  kuvvet  ile  Güçlü  Kuvvet  arasında  pek  çok  benzerlik  bulunmaktadır…Aralarındaki  temel  farklardan  biri  elektromanyetik  kuvvetin tek  bir  versiyonunun mevcut  olmasıdır… Renk  şarjının  üç  versiyonu  mevcuttur… Fakat,  renk  şarjı hadron  kuark  kombinasyonlarında asla  görünmez…!  Bu  durum kırmızı, yeşil  ve  mavi  rengin kullanılma düşüncesine  yol  açtı… Çünkü, bu  üç renk  birleştiğinde baryonlar  için beyazı  oluşturur…Mezonlar  için, renk-antirenk  kombinasyonları  doğal beyazı oluşturur… Üç  versiyon  düşüncesi “Omega”  parçacığından  gelir… Kuarklar  fermiyonlardır  ve Pauli Dışta  Tutma (Exclusion)  Prensibine  uyarlar…Ancak,  Omega  parçacığı, aynı  durumda (state) oldu anlaşılan   üç adet  kuarka  sahiptir… Bunun  üzerine, dışta  tutma  prensibine  uyum  gösterebilmek  için, her  üç değeri  de barındıran bir  kuantum numarasının mevcut  olması  gerektiği  sonucuna  varıldı…

İzin  verilen  kuark  kombinayonları  için kural,  tamamının toplamının  elektrik  şarjı birimine  eşit  olmasıdır… Yeni  kurala  göre, bunların  toplamının “renksiz” (no  color)  şarja  da  eşit  olması  gerekir…

Foton  ve  gluonlar  arasındaki  daha  dramatik  diğer  bir  fark, gluonların kuarklarla  aynı  renk  şarjını taşımalarıdır… Oysa, fotonlar  elektrik  şarjı  taşımaz…! Bu  durum  sadece gluonların kuarklarla etkileşimini  mümkün  kılmakla  kalmaz, birbiri  ile  etkileşimini  de  mümkün  kılar…Bir  örnek  olarak, yeşil  ve  “karşı-mavi” (anti-blue)  şarjı uzaklaştıran  bir gluon,  kuarkın  şarjının yeşilden  maviye dönmesini  sağlar… Bu  kombinasyonu mavi  şarjı yeşile döndürülen  bir  kuarka   taşır…Renk  şarjı geçekleşmesi  bir şimşeğin  çakmasından  daha  kısa  süren  süreç  boyunca muhafaza  edilir…

Anlaşıldığı  kadarıyla, nükleonlar (proton  ve  nötronlar) uzayda  saniyenin  milyonda  biri  kadar  zamanda  ortaya  çıkan  ve  yok  olan, protonun çok  küçük  hacmine  sıkışmış  enerji küresi  içine  sıkışmış  olan  ve ışık  hızıyla  hareket  eden parçacıklar ve  duran  dalgalar  olarak,    gluonlar, sanal  gluonlar, fotonlar, kuarklar, kuark-antikuark  çiftleri  bir  deniz  ortamı sağlar…

Proton  hakkındaki  görüşümüz  bir  nokta parçacıktan  üç  parçalı  parçacığa,  sonra  da, elementer  parçacıkların devindiği  bir  kasırga  aktivitesine  dönüştü…Bunun    gibi  bir  plazma-benzeri  yapıda sanal  parçacıkları temsil  eden  bozuntular  ile, gerçek  parçacıkları  temsil  eden bozuntuları  ayırt etmek çok  zordur…  Fakat, buradaki  anlatım  kolaylığı  için, bir  protonu  üç  kuarkı  bir  arada  tutan  bir gluon  bulutu  olarak   dikkate  almak mümkündür…

Proton “kütlenin  orijinini”  anlamak  için anahtar  bir araçtır… Protonun  içinde,  bir  kütleye  sahip  olup  kararlı (stable)  olan  parçacıklar  sadece  iki  ”up”  kuark  ile, bir “down”  kuarktır… Bunların çok  küçük  kütleleri  protonun  kütlesinin  sadece yüzde  birini oluşturur… Protonun  kütlesinin  yüzde   doksandokuzu  alanların  enerjisiyle hareket  eden  parçacıkların  E = m.cile  hesaplanan   enerjisinden  gelir…Bu  sebeple, hapsedilmiş  (confined) enerjinin  kütlenin  kaynağı  olduğunu  söylemek  oldukça  doğru bir  görüştür… Higgs Bozonunu  açıklarken  bu  konuya  tekrar  döneceğiz…

Burada  hatırlanması  gereken önemli  bir  nokta, elementer  parçacıkların kütlesi  mevcut olmasa  da, Dünyanın  maddesini  sağlayan  proton  ve  nötronlar çok  az  miktarda azalmaya  maruz  kalır…

Elektromanyetik  Kuvvet  ile Güçlü  Kuvvet  arasındaki  bir  başka kritik  fark, Güçlü  Kuvvetin gücünün  çok  büyük  seviyede  olması, protonların  ve  nötronların  içinde,  Elektromanyetik  Kuvvetten  130  kat  daha güçlü  olması…!  Kuarkların  arasındaki mesafe protonun  çapı  kadar  büyürken, bu  kuvvetin gücü 18  tona yaklaşır…!  Onsekiz  tonluk  bir  kuvvetin  böyle  bir  çok-küçük noktada  ortaya  çıktığını  düşünün… Bu  durum, kuarkların  birbirinden  ayrılmasını  neredeyse imkansız  kılar…! Gerçekte, bu  büyüklükteki  bir  kuvvetin  gerektiği  ortamda, hadron   ortamında, bu  kuarkları  birbirinden  ayırmak  için  gereken  enerji  bu  kuarkları  yaratmak  için  gereken  enerjiden daha  büyüktür…! Kısaca, kuarkların  birbirinden  ayrılma  enerjisine  ulaşılmadan yeni  kuarklar yaratılır…Bu  yeni  kuarklar yeni  hadronları  oluşturmak  üzere derhal  birleşir…

Bunun  nasıl  gerçekleştiğini görmek  için proton-proton çarpışmasına bakalım… Bir  protonda üç  kuark  ile bu  kuarklarla  etkileşen  ve onları  bir  arada  tutan gluon bulutu  mevcuttu… Çarpışacak protonlar birbirine  yaklaştığında, bunlar üst  üste gelir (overlap)… Enerjili  gluon diğer protonun kuarkına erişecek  bir  yol  bulur… Protonlar  ayrılırken, yüksek  enerjili  gluon değişimi  yapan  kuarklar ait  oldukları  protonlardan dışarı  çekilir…!

Oluşan gluon trenine gluon akı tübü  (gluon flux  tube) de denmektedir… Bu  tübün  enerjisi kuarkları yaratmak için  gerekli  olan miktara  ulaştığında, gluon  alanı parçalanır  ve, kuarkların  birbirinden  daha  fazla  uzaklaşması  yerine, kuark-antiquark  çifti yaratılır…!  Gluon alan  enerjisi tamamen  kullanılıp  bitinceye  ve ayrılma  duruncaya  kadar, gerilmeli-parçalanmalı-çit  üretme  süreci devam  eder… Bu  arada, yaratılan  kuark-antikuark çiftleri kendi  hadronlarını oluşturmak  üzere birleşmektedir…

Bu  sürecin  nihai sonuçları, dışarıya  doğru  uçuşan dört  veya  daha  fazla  hadron  jeti  ile, çarpışan  ancak  kuark yakalayan  veya  yakalayamayan protonların  kalıntılarıdır… Bu  süreçte, kendi  başına hareket  edecek  ve belirlenecek şekilde herhangi  bir  kuark serbest  bırakılmaz…Kuark Sınırlandırması (Quark Confainment)  veya Renk  Sınırlandırması (Color  Confainment) olarak  adlandırılan  bu süreç bir kuarkın,  gluonun  veya  renk  şarjının  neden  tek  başına  gözlenemeyeceğini  açıklar…

Bir  atom  çekirdeğinde protonları  bir  arada  tutan nedir…?

Japon fizikçi  Hideki Yukawa, 1934’te, nükleer  gücün doğasını açıklamaya  teşebbüs  eden  ilk  kişi  oldu… Onun teorisine  göre, moleküllerin birleşmek  için  atomlararası  elektronları ortak  kullanması  gibi, nükleonlar  aralarında parçacık  paylaşımı  yapmaktaydı… Bu bilim  insanı, bugün “pion”  olarak  bilinen parçacığın  kütlesini  dahi  hesapladı… İki  protonlu  bu  sürecin  işleyişine  bir  örnek: Öncelikle, bu  protonların  birinde enerjili  gluon  spontane  olarak,  “down quark-antidown quark  çiftini  yaratır… Bu nötr  bir  “pion”dur… (Bu  pion 1947’de keşfedildi…!)  Daha  sonra, bu  pion  diğer  protona yönelir (drift)… “Antidown  quark”, diğer “down  quark”  kendi  yerini  alacak  şekilde, diğer   “down quark”ı yok  eder (annihilate)…

Kuarkları, gluonları  ve  diğer renk  şarjlarını  araştıran fizik  dalına “Kuantum Kromodinamiği” (Quantum Chromodynamics-QCD) adı  verilmiştir…

Zayıf  Nükleer  Güç  veya  “zayıf  etkileşim”  elektron ve  nötrinoları açığa  çıkaran “Beta  Radyasyonu”  gibi  radyoaktiviteden  sorumludur…  Bu  kuvvet  nötronu  protona  dönüştürür… QED  ve  QCD’den  farklı  olarak, Zayıf Kuvvet Şarjı (Weak Force Charge; weak  isospin; weak  hypercharge)  ile   parçacık  yaratan  ayrı  bir  madde  alanı  mevcut  değildir…!   Bunun  yerine, elektronlar, kuarklar  ve nötrinolar  gibi  tüm  leptonlar halihazırda  bu  şarja  sahip…!

Bu  sebeple,  elektromanyetik  kuvvet  Steven Weinberg, Abdus  Salam  ve Sheldon Glashow’a Nobel  Ödülü  kazandıran  “elektro-zayıf  etkileşim” teorisiyle  birleştirilir…

Ait  oldukları  kuvvet  alanlarında, foton  ve  gluon  adı  verilen,  titreşen  bozuntuları  yaratan ivmelenmiş  elektronlar  ve  kuarklar  gibi, ivmelenmiş  elektronlar, kuarklar  ve  nötrinolar, “zayıf çok yüksek şarjlı  alanlarda” da (weak hypercharge field) W+, W-  ve Z  parçacığı  adı  verilen, titreşen  bozuntular  yaratırlar… W+   pozitif, W-  ise  negatif  şarja  sahiptir… Z parçacığının  şarjı  yoktur… Bunlar,  “Spin1” (tip) parçacıklar  olduğundan “bozon”lar  ailesinin  üyeleridir… Bunlar “zayıf  etkileşim”in  kuvvet  taşıyıcılarıdır… Fotonların  elektronları ivmelendirdiği, gluonların kuarkları ivmelendirdiği  yerlerde Z  parçacıkları nötrinoları, elektronları  ve kuarkları ivmelendirebilir…Çünkü,  tümü zayıf  şarjı taşır… Etkileşen  elektronların ve gluonların kendi alanlarını tetikleyerek, sanal  fotonların  ve glounların yaratılmasına  sebep  olması  gibi, zayıf  “hypercharge”   ile  etkileşen parçacıklar  da  zayıf “hypercharge”  alanını tetikleyerek (disturb) sanal W  ve  Z  bozonlarının yaratılmasını   sağlarlar…

Bu  kuvvete “zayıf  kuvvet”  denmesinin  sebebi “Güçlü  Kuvvet”e  kıyasla  “coupling”  sabitinin 3.3  milyonda  bir (1/3.3  milyon)  kadar  olmasındandır… Kütlesiz  fotonlardan  ve  gluonlardan  farklı  olarak, bu  parçacıklar  “up  quark”ın 53  katı  ve elektronun 160 000 katı  bir  kütleye  sahiptir… Bu  durum  onun etki  menzilinin protonun çapının sadece  binde  biri  kadar, çok  küçük  bir  mesafe,    olmasına  sebep  olur…

Elektromanyetik  ve “güçlü”  etkileşimler parçacıklar  üzerine gerçekten  kuvvet  uygular…Zayıf  etkileşim kuarkın  veya leptonun bir tipinin (flavor) diğerine    dönüştürülmesini  sağlayabilir… Bir  görüş  olarak, bir  alan  bir  parçacığın yeni  bir  parçacık  oluşturmak  üzere, bir  parçacığın  başka  bir  parçacığa  bozunmasına (decay)  sebep  olabilir… Bu  durumu Radyumun Polonyuma dönüşmesini  sağlayan “Beta Bozunması” (enerji  deneyi) üzerinde inceleyelim… Bu  süreç  iki safhadan ibarettir… İlk  safhası, bir  atom  içinde,   enerji  kaybeden  bir  elektronun daha  düşük  enerji  seviyesine  inerken foton  yayımlamasının  benzeridir… Burada, bir “down  quark”, düşük  enerjili  bir “up quark”a  dönüşürken “W” bozonu  yayımlar…

Ancak,  zayıf alan  kuantumunun kütlesi çok  büyük  olduğundan, tamamen  bağımsız  bir  bozonunun yaratılabilmesi amacıyla, “down  quark” kuantumunun  “up  quark”  kuantumuna  atlayabilmesi (leap)  için  yeterli  enerji  mevcut  olamadığından, “Sanal”  bir  W  bozonu  yaratılır…

Ancak, ikinci  safhada, bir  sanal  bozonun elektron  ve  nütrino  yaratabilmesi  için  yeterli  enerji  mevcut  olduğundan bu  parçacıklara  çözünür… Elektron  ve  nötrinonun  her  ikisi  de zayıf “hypercharge” taşıdıklarından bunun  gerçekleşmesi  mümkündür… Bu  durum radyumun  plutonyuma  nasıl  dönüştüğünü  de  açıklar…

Doğal   “Z”   bozonu  bizim  son  kuvvet  parçacığımız… Kuarkların “flavor”larının değişmesinde  rol  oynamaz…Bu  sebeple etkileşimlerinin  belirlenmesi  zordur… Fakat,  nötrinolarla  etkileşir…

Elektrik  yükü  taşımadığından, bir  nötrino  deney  odasında  iz  bırakmaz… Daha  önce gözlenen  nötrino  olaylarından  farklı  olarak, bir  nötrino-elektron  çarpışması çarpışan  nötrinonun  başka  bir  parçacığa  dönüşmesini  sağlamaz…

Bunun  yerine, nötrino bütünlüğünü  koruyarak yoluna  devam  eder… Ancak, çarpan  elektron yüksek  hızla  ileriye  itilir… Sıvı  içine yönlendirilen  elektron yavaşlarken güçlü  bir  foton  yayımlar… Bu  foton, sırayla, başlangıçtaki  elektronun  belirlenmesini  sağlayacak  şekilde, elektron-pozitron  çifti  yaratır…!  Bunu yaratılan  başka  parçacık  çiftleri  takip  eder…

Bir  nötrino ile  elektronun arasındaki etkileşim  şarjlı “W” bozonunu ihtiva  etmez… Bu  sebeple, bu olayın şarjsız “zayıf  kuvvet  bozonu”  tarafından gerçekleştirilmiş  olmalı… Bu  deney  sonuçları  zayıf nötr  akım  ile “Z”  bozonunun  varlığını ileri  süren matematiksel  yapının doğruluğunu ortaya  koydu… Bu  matematiksel  yapı parçacık  fiziğinin Standart Modelinin ana  yapısıdır (framework) …

Özet  olarak, tüm  uzay, ilişkili  alanlarında, elementlerde fermiyon  parçacıklarını dalgalar  halinde doğuran  madde  alanlarıyla  doludur…Bu  tüm  Leptonları  ve  Kuarkları  kapsar…

Bu  parçacıklar Renk  Şarjı, Elektromanyetik  Şarj  ve Zayıf “Aşırıyük”ün  (Hypercharge) bir  veya  birkaçını taşır…Şarjlı  parçacıklar etraflarındaki uzayı  “kuvvet  alanı”  ile  doldurur…Bu  alan, şarj taşıyan  parçacıklar  tarafından  tetiklendiğinde  “kuvvet  parçacıklarını” (force particles) doğurabilir…

Bunlar  bozonlardır… Bozonlar, tüm  fermiyon  etkileşmelerinde, kuvvet  taşıyıcıları   veya  aracı  maddelerdir (mediator)…!

Bu  model,   kuantum  seviyesinde gözlenen  doğal  davranışın açıklanmasında  büyük  başarı  sağladı…Ancak, parçacıkların  kütlesinin  açıklanmasında, hala, bir  başka ciddi  problem  daha  vardı… “Elementer  parçacıklar  kütlesini  nasıl  kazanıyordu…?  Hapsedilmiş  (confined) enerji kütle  yaratıyordu…ama…  neden  fotonların  kütlesi  yoktu…?

Klasik  fizikte  kütle  bir  gövdenin ataletinin (harekete  karşı  gösterdiği  direncin)  ölçüsüdür… Bir  objenin  kütlesi,  onun  hızının  veya  hareket yönündeki  değişime  direnç  göstermesine  sebep  olur… Kütle  ne  kadar  büyükse,  gösterilen  direnç  de  o  kadar  büyüktür… Bu  durum (özellik),  Kuvvet = Kütle x ivme (F=M.a) eşitliğiyle  ifade  edilir…

QFT’de,  başka  bir  ifadeyle, bir  kuantumun  enerjisi kendi  alanı  içindeki  titreşimiyle  ifade  edilir… Kütle  ve  enerji alan  içindeki  titreşimlerle ilişkili  olduğundan, Einstein’in kütle-enerjisi için  olan denklemini, Plank’ın  dalga-enerjisi için  olan  denklemiyle  birleştirerek, bir  dalganın  kütlesini hesaplayabiliriz…! Bir  dalga  ne  kada hızlı  olarak  titreşiyorsa (salınıyorsa) onun  hızını  veya hareket  yönünü  değiştirmek o  kadar  zordur… Bu bakış  açısı kütle  için  yaygın  anlayışa  uyar…!

Paul  Dirac, parçacığın  “sağ-el vücut  bulmasını” (right-hand incarnation)  ve  “sol-el  vücut  bulmasını” (left-hand incarnatin) fermiyon  kütlesi için  bir  mekanizma  olarak, belirledi…

Salınım  ne  kadar hızlı  ise parçacık  o  kadar  enerjili (energetic), o  kadar  (büyük)  kütlelidir… Bu  salınımlar bir  parçacığın  ne  kadar  kütleli  olduğu  hususunda  bir anahtar (parametre)  olunca, sağ-el  spin’lere  ve  sol-el  spin’lere  yakından  bakmak gerekiyor…  Bir  parçacığın hareket  halindeyken (fly) spin’ini  değiştirmesi  acayip  görünebilir… Ancak, parçacıkların bir  dalga  olarak  hareket  ettikleri kabul  edildiğinde  ve “spin”in  dalgada oluşan  bir  “faz  kayması” (phase  shift)  olarak   düşünüldüğünde, bunu  gözde canlandırmak çok  zor değildir… Konuyu daha  iyi  anlayabilmek  için, örnek  olarak elektronu  dikkate  alalım… “Sol  el  yönünde dönen” (Sol-El  Spin)   bir  elektron  ½ Spin’e  sahiptir  ve  “zayıf  yüksek  şarj”  taşır…  Sağ-el   yönünde  dönen”  bir  elektron  “-1/2  Spin”e  sahip olup, ”0”  zayıf  aşırıyük (weak  hypercharge) taşır…

Bir  elektronun soldan  sağa dönmesi (switch)  için zayıf  şarjın  bir quantumunu ışıması (emit) ve tam  bir  spin birimini kaybetmesi  gerekir… Tekrar  geri  dönebilmesi (switch  back)  için, zayıf  şarjın  bir  kuantumunu  absorblayıp, tam  bir  spin  birimini kazanması gerekir…

Bu  aşamada, parçacık  fiziğinin çok büyük  bir  problemi  ortaya  çıkıyor… Anlaşıldı ki, “Z”  bozonunun  türevi  olan elektronun spin  ve şarj geçişini  sağlayan  uygun  bir  aday…Ancak,”Mavi”den zayıf  yüksekşarjı  dışarı atmak ve absorblamak  için, Standart Modelin  bir  mekanizması  yoktu… Bu  şarj nereye  gitti…nereden geldi…?

Bu  problemi  çözmek  için, 1964’te, François Englert, Robert Brout  ve  Peter Higgs  yeni  bir  alan  önerdi… Higgs  Alanı… Bu  alanın “yoğuşmuş  zayıf şarj” (condensate weak  charge)  taşıdığını  ileri  sürdüler… “Yoğuşmuş”  bir  alan,  ona  bir  ilave  yapıldığında  veya çıkarıldığında  özelliği  değişmeyen  bir  ortam  olarak  tanımlandı… Zayıf  şarj  taşıyan  bir  parçacık, şarjı  bu yoğuşma  ortamında,  alanda  farkedilebilir  bir  değişime sebep  olmadan  hareket  ettirmek  için, zayıf  şarjlı “Z” bozonunu  kullanabilir…  Benzer  şekilde, alanda  hissedilebilir  bir  değişime  sebep olmadan, zayıf  şarjı  absorblamak  için, aynı “Z”  bozonu  mekanizmasını  kullanabilir… Buna Higgs mekanizması  adı  verildi… Higgs  mekanizmasıyla, zayıf aşırışarj (hypercharge)  taşıyan  bir  elementer  parçacık titreşebilir  ve, bu  sebeple,  kütleye  sahiptir…  Elektronların, Nötrinoların  ve  Kuarkların  tümü bu  şarjı  taşır  ve Higgs  Alanıyla etkileşir…Bu  sebeple titreşebilirler  ve kütleleri  mevcuttur…

Fotonlar  zayıf  aşırıyük  taşımadıklarından Higgs  Alanıyla  etkileşmez… Bu sebeple, titreşmezler… Titreşmedikleri  için ne  kadar  yüksek  enerjiye  sahip  olurlarsa  olsun  kütleleri  yoktur…!

Bu  süreç  parçacıktan  parçacığa biraz fark  eder…Ancak, farklı durumları  tanımlamak  için “ayna  simetrisi” (chirality), “gauge symmetry”  ve “symmetry  breaking”  gibi  incelikli (subtler)  konsepler  kullansalar  da, ana  fikir  budur…!

Daha  önceki  aşamada “hapsedilmiş”  enerjinin  kütlenin  kaynağı  olduğunu  ifade  etmiştik… Bir  bakış  açısıyla, Higgs  mekanizmasının, elementer  parçacıkların kütle  kazanmaları amacıyla, sahip  olmaları  gereken  enerjiyi  belirlemek  için Standard  Modeli sağladığını görebiliriz…  Fakat, başka  bir  bakış  açısından, Higgs,  ne  kadar  enerjili  olurlarsa  olsunlar  fotonların neden  bir  kütleye  sahip  olamayacağı   hususundaki daha  gizemli  soruyu  da  cevaplamış  oldu…!

Dikkat edeceğiniz  gibi, Higgs  alanıyla  etkileşen  parçacıklar  yavaşlamaz…Higgs  Alanı  bir  yoğun  akışkan gibi  değildir… Eğer  Higgs  Alanı  parçacıkları-bir  şekilde-  yavaşlatsaydı, onların  hareketinin (bir  süre  sonra) sonlanması  gerekirdi… “Gerçek dünyada”  gözlenen  bu  değildir… !

Kütle  hakkında bir  başka  önemli görüş: Farklı parçacıkların  kütlelerinin farklı  olmasının  sebebi  bazı  parçacıkların  Higgs  Alanıyla etkileşim gücünün (coupling  strength)  bazı  parçacıklarda diğerlerine  nazaran  daha  güçlü  olmasıdır… “Coupling  Strength”in  artırılması harmonik  titreştiricideki (oscillator) yayın rijitliğinin artırılması  gibidir… Bu  durum  titreştiricinin  frekansının  artmasına  yol  açar…Halihazırda  belirlediğimiz  gibi, bir  parçacığın titreşim   frekansını (oscillation frequency)  artırırsak, onun  kütlesini  artırmış  oluruz…!

Şimdi, “Higgs  Bozonunun  ne  olduğunu”  sorabiliriz…!  Öğrendik  ki, belirli  doğru  durumlarda tetiklenmiş  alanlar parçacık  yaratır…  Bu  kural  Higgs  Alanına  da  uygulanabilir… Eğer  mevcutsa, ilişkili  parçacık  da  mevcuttu, ki,  bu  Higgs  Bozonuydu…!

Tersine düşünüldüğünde,  Eğer  Higgs  Bozonu  mevcut  ise, Higgs  Alanının  mevcut  olduğı, Higgs  mekanizmasının gerçek  olduğu ve Parçacık  Fiziğinin  Standart Modelinin  doğru  olduğu  hususunda  kuvvetli  bir  delil  teşkil  edecekti…  Eğer  Higgs  Alanının  yeterince  güçlü  olarak sarsabilirsek, Higgs  Parçacığını  yaratabilir  ve onun  bozunma  komponentlerini  belirleyebilirdik… Fakat  bunları  yapabilmek  biraz  zor  görünüyordu… Çünkü,  Higgs  Parçacığı tüm  protondan 133  kat  daha  büyük  bir  kütleye  sahipti…Bir  tanesini  bile  yaratabilmek  için çok  büyük  miktarda  enerji  gerekliydi… Higgs  Bozonu  önerildiğinde, mevcut  hızlandırıcılardan  hiç  biri bu  işi  yapabilecek  güçte   değildi… CERN’deki Büyük  Hadron Çarpıştırıcı (Large Hadron  Collider) bunun  için  inşa  edildi… LHC’de, yüksek  enerjili  parçacıklar çarpıştırılmadan  önce, uzay  ortamına  yakın  vakum  tüplerinde ve dış  uzaydan  daha  soğuk ( – 271°C) bir  ortamda  tutulan  mıknatıslarla,  ışık  hızına  yakın  bir  hızla  hızlandırılırlar… (Toplam  hızları, hâlâ, ışık  hızına  ulaşamaz…!)

Elektronu  koparılmış  milyarlarca Hidrojen  iyonu  (protonlar) kullanılarak,  bu  protonların  hızı kademeli  olarak artırılır…Ulaşılan en  yüksek  enerji  seviyesi 7+7, yani,  14  trilyon  elektronvolt (eV), erişilen  (toplam) hız  da  ışık  hızının %99.999999’udur… Bu  enerji  seviyesi  Higgs  Alanının   Higgs  Bozonu  yaratabilmesi  için  yeterlidir…

Gerçek  bir  çarpışmada yüzlerce  parçacık  yaratılır  ve  bu  parçacıklar tüm  yönlerde  saçılır…Bu  parçacıkların belirlenmesi, yörüngelerinin, momentumunun  ve  enerjilerinin  ölçülmesi  ise  deneyin  bir  sonraki  büyük  adımdır…

Çapraz teyid  amacıyla CERN iki  ayrı  dedektör  kullanmakta… Bunlardan  biri CMS (Compound Muon Selenoid)… CMS, Higgs  Bozonu  ve  Kara  Madde  araştırması için  tasarlandı… 21.6X15  metre  boyundaki  CMS’in  kütlesi   14 000 ton…!  İkinci  dedektör  ATLAS farklı  elementer  parçacıkları  belirlemek  için  farklı kademeler  halinde  tasarlandı… 

Bu aygıtta  elektronlar elektromağnetik  kalorimetrede durdurulmadan  önce iç  dedektörde  belirgin  bir  iz  bırakır… Fotonlar  da  kalorimetrede  aynı  şekilde  davranır,  ancak, iç  dedektörde  herhangi  bir  iz  bırakmaz… Protonlar  iz  bırakır,  fakat, büyük  bir  olasılıkla, elektromanyetik  kalorimetreden  hadronik  kalorimetreye geçer… Nötron  benzer  şekilde  davransa  da, iç  dedektörde  iz  bırakmaz… Muonlar ATLAS’ın  her  kademesinde  iz  bırakarak geçer… Nötrino  ATLAS’ın  her kademesini  geçmekle  birlikte, bu  geçişi  belirlenemez (iz  bırakmaz)…

LHC’de  saniyede 600  milyon  çarpışma  gerçekleşir… Bunlardan  sadece  birkaçında, araştırmacıların  ilgisini  çekecek  kadar  büyük   parçacık  üretilir… Büyük  kütleli  parçacıklar daha küçük  kütlelilere  o kadar  hızla  bozunur  ki, bu  bozunma  olayı doğrudan  görüntülenemez… Ancak, bu  bozunma  olayının  sonucu  olarak  ortaya  çıkan  hafif  parçacıklar  belirlenebilir…  Dağ  tepelerinde  gerçekleştirilen “bulut  odaları” (cloud  chambers)  deneylerinde  gerçekleştirildiği  gibi, ozunmanın  ortaya  çıkardığı  hafif  parçacıklar izlenerek, bunların  doğmasını  sağlayan  ana (doğuran)  parçacığa  ulaşılabilir…

Peter Higgs’in varlığını  ileri  sürmesinden 45  yıl  sonra, 4 Temmuz  2012’de, CERN  ekibi, 2011  yılında  gerçekleştirilen  bir  çarpışmada  ortaya  çıkan  izlerin Higgs Bozonu  için öngörülen  bozunma iziyle (decay  signature) uyuştuğunun  belirlendiği  açıklandı…!

Bir Higgs  parçacığının  bozunması  için  birçok  yol  mevcuttur…Atlas  dedektöründe  gözlenen  bunlardan biridir…İki  proton, birbiriyle  çarpışmak üzere  yaklaştığında, üst  üste  gelirler (overlap)…  Takiben, iki yüksek  enerjili  gluon çarpışır  ve daha  sonra Higgs  Bozonuna bozunacak “top quark”  ve “anti-top  quark”  yaratır…Ortaya  çıkan  Higgs  Bozonu, daha  sonra, “top quark”  ve “anti-top  quark”a  bozunur… Bu  kuark’lar  da hızla yüksek  enerjili iki fotona  bozunur…Atlas’ın  belirlediği  işte  bu  fotonlardır…!

Bu  noktaya  kadar “boş  (sanılan) uzayın” gerçekte  karmaşık  bir  yapısının  olduğunu  öğrendik… Şişen  Evren Teorisinde  açıklandığı  gibi,  şişebilir (genleşebilir)… Genel  Görecelik  Teorisinden anlaşıldığı  gibi, bükülebilir…Kuvvet  Alanları  ve  (Standard  Modelin) Higgs  Alanı  gibi  farklı  tipte  madde  alanlarıyla  doludur… Bu  alanların elemanları tanecikli (quantized), kütlesiz ve  neredeyse  enerjisizdir…!

Yine  biliyoruz  ki, bu  “boş  uzay” (!) bu  alanlardaki  değişime  direnç  gösterir (permittivity, permeability)…

Yeterli  enerjiyle, alanın  elementleri kütle, spin  ve farklı  şarjlı  gibi  özellikleri  olan  ve bu  özelliklerini  etrafındaki  boş  uzaya, kendi  alan  özellikleri  olarak uygulayan (spew  out), lokalize  parçacıklar yaratabilir (bunch up)…

Fakat, ne  kadar keşfedersek keşfedelim, sadece  yüzeyi “çizebildiğimizi” kabul  etmeliyiz… Elementlerin Periyodik Tablosundaki  olduğu  gibi, Standart  Modeldeki  düzeni  de  halen keşfedilecek  bir  temel  yapının  mevcut  olması  gerektiğini  söylüyor…

Kara  Madde…Kara  Enerji…Genel  Görecelik  Teorisinde  hala  mevcut  olan doğal  uyumsuzluklar (fundamental incompatibilities)… gerçeğin  daha  da  derinde  olabileceğini düşündürüyor…! Sicim  Teorisi (String  Theory), Süper  Simetri  ve “Loop  Quantum  Gravity” araştırılmakta  olan  aday  teorilerden  sadece  birkaçı…

Kuantum  Mekaniğinde, adına  Plank  Uzunluğu (Planck  length)  denilen bir  “minimum  uzunluk”  mevcut… Bu  uzunluk  bir  nötrinonun  boyunun 62  trilyonda  biri kadar… Varlığı  kabul  edilen en  küçük  elementer  parçacık… Bu “büyüklüğü”  anlamak  için  şöyle  bir  benzetme  yapılabilir…:  Bu  yazıda  yer  alan  bir nokta (.) Evrenden  ne  kadar  küçükse, Plank  Uzunluğu  da,  bu noktadan (.)  o  kadar  küçük…!

Teorik  olarak, birbirinden  Plank  Uzunluğundan  daha  küçük  bir  mesafe   kadar  ayrılmış  iki lokasyon  arasındaki  farkı belirlemek  mümkün  değil…  Optik  mikroskoplarda  gözlenen ışık kırınımı (light diffraction)   problemi  bu  durumla  ilgili… 

Bir  kum  tanesi  parmak kalınlığındaki  bir  propla  incelenemez… Kuantize  alan  elemanlarının nasıl çalıştığını (davrandığını)  inceleyebilmek  için fizikçilerin  gelecekte   epey  kafa  yormaları  gerekecek…!

 

Yararlanılan  Kaynaklar:

https://www.youtube.com/watch?v=xG_YtASz7gY

http://howfarawayisit.com/documents/

http://howfarawayisit.com/wp-content/uploads/2014/12/The-Higgs-Boson.pdf

 

Bir Cevap Yazın

Please log in using one of these methods to post your comment:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Google+ fotoğrafı

Google+ hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Connecting to %s