“Güçlü Kuvvet”in keşfi…! (Discovery of “Strong Force”…!)

 WilczekwilczekGross

gross

Politzer
politzer

Tabiatta  dört doğal  kuvvet  mevcut… Bunlardan  ilk  ikisinden  biri  olan  ve yakın  zamana  kadar  “kütleçekimi”  olarak  bilinen  gravite (gravity)  ile   elektromanyetizma  (electromagnetism) eski  Yunan’da  dahi  bilinmekteydi…!   Gravite, bilim  insanı Isaac  Newton  tarafından  17. Yüzyılda  ve elektromanyetizma  ise  James Mexwell  tarafından 19.yüzyılda olgun  teoriler  haline  getirildi…  Albert  Einstein, Genel  Görecelik  Kuramı  ile, graviteye, yaygın  şekilde  kabul  gören,  bugünkü  anlamını  kazandırdı…

Ancak, atom-altı parçacık  dünyasında, bir  atomun  içindeki   çok  küçük  mesafelerde,  gravite  ve  elektromanyetizmanın  etkili  olamadığı bir  saha  mevcuttu… Bu “küçük”  dünyadaki durumu  açıklayabilmek  için  yeni  kuvvetlerin  tanımlanması  gerekiyordu…: “Güçlü  ve  zayıf  Çekirdek  Kuvvetleri…” (“Güçlü  Kuvvet”  derken, ifadede  biraz  zorlandığımızı  belirtelim…!)

Aranan  bu kuvvetlerden “Güçlü  Kuvvet”  Frank Wilczek’e, (David Gross ve David  Politzer  ile  birlikte) 2004  yılında,   Nobel  (Fizik) Ödülü  kazandırdı…! Wilczek,  You Tube’deki video-sunumunda, ödülü  neden  kazandığını  şöyle  açıkladı: “Güçlü Kuvvet” denklemlerini ortaya  koyması  ve bunların  deney  yoluyla  nasıl  ispatlanabileceğini açıklayabilmesi  sebebiyle… Daha  da  önemlisi, Wilczek, bu  ödülü  kazanmasını  sağlayan  çalışmaları  yaptığında, henüz, Üniversitede öğrenciydi  (graduate student) …!  Wilczek, danışmanı fizikçi David Gross (Ödülün  ikinci  parçasını  kazandı.)  ile  birlikte  çalışmaktaydı… (Ödülün üçüncü  parçasını  da  H. David Politzer  kazandı…)

Wilczek, Güçlü  Kuvveti  doğuracak  “güçlü  etkileşim”in  (strong  interaction)  anlaşılması  oldukça  zor  bir  süreç  olduğunu söylüyor…!  Bu  karmaşıklık  dünyasından  sonuç  çıkarabilmek  için  sadece  bir  konuyu  (phenomena)  anlamaya  yönelmişler… Başlangıçta, kuantum  mekaniği  ve rölativitenin  sınırları  içinde  kalarak, bu  konunun  anlaşılmasının  mümkün  olamayacağı  hususunda mutabık  kalmışlar…! “Sil  baştan”…  yapmaları gerekmiş… Kuarkların  bir  arada  bulundukları  durumda (ortamda) çok  zor  etkileşebildikleri  hususu çıkış  noktaları olmuş…

Kuarklar, birbirine  kıyasla çok  yüksek  hızla  hareket ettikleri (yüksek  enerjili  oldukları)  zaman  da yeterince   etkileşmezler…  Ancak, birbirlerinden  kaydadeğer  bir  mesafe (10× 10-13, onüzerieksionuç  santimetre  veya  daha  fazla  mesafe)  kadar  ayrıldıklarında, veya yavaş  hareket  ettiklerinde, çok  güçlü  kuvvetlere  sahip  olabilirler…

Bir  maddeden tek  bir  kuarkı ayırmak  mümkün  olamamakta… Kuarklar  daima atom-içindeki  protonlara  veya nötronlara  bağlı  (bound) olarak mevcut  bulunmakta… Bu  sebeple, kısa  mesafelerde  zayıf  olan, ancak, mesafe  arttıkça güçlenen  bir  kuvvetin  tanımlanmasına  ihtiyaç  vardı… Ancak, bu paradoksal  durumu fiziğin  mevcut  kanunlarıyla  bağdaştırmak zor  görünüyordu…

Bu  çeşit  sorulara cevap  araştırmak  için  “renormalizasyon   grubu” (renormalization   group) adı  verilen güçlü  matematiksel  teknikler  mevcuttu…  Wilczek  ve arkadaşları  bu  “hesaplaması zor” tekniği  kullandı…

Wilczek  ve arkadaşlarının hesaplama  sonuçlarını  deneylerle  doğrulamak birçok  yıllık  bir  süreyi  aldı…

*

Bir  helyum  atmonunda  mevcut  olan iki  proton, aynı  elektrik  yüküne  sahip  olmalarına  rağmen, bir  arada  bulunabilmektedir… Bunun  sebebi  “artık”  nükleer  kuvvettir (residual nuclear force; strong  force)…

Parçacık  fiziğinde, “kuvvetli  etkileşim” (strong  interaction)  “Güçlü Nükleer  Kuvvet”ten (Strong  Force, Nuclear Strong Force)  sorumlu  olan  mekanizmadır… Güçlü  Kuvvet, “femtometre” (femtometer; 1.0 × 10-15 metre) kadar  küçük  mesafelerde  etkili  olmasına  rağmen, bilinen  en  güçlü  kuvvetttir… Bu  mesafede, Elektromanyetik  Kuvvetten  yüz  kat, “Zayıf  Kuvvet”ten  milyon  kat  ve Gravitasyon Kuvvetinden  ise 1038  kat  daha  güçlüdür…!

Güçlü  Kuvvet, kuarkları  sıradan  maddenin  en  büyük  parçacıkları olan proton  ve  nötron  gibi  hadron  parçacıklarının   içine  hapsederek (confining)  sıradan  maddenin kararlılığını  sağlar… İlave  olarak, proton  ve nötronun kütle-enerjisinin (mass-energy) büyük  kısmı “Güçlü Kuvvet  Alanı  Enerjisi” formundadır… Kuarklar, kendi  başlarına, protonun  kütle-enerjisinin  sadece  yüzde  birini  oluşturabilir…

Kuvvetli etkileşim iki  alanda  kendini  gösterir… Bunlardan  birincisi, büyük  ölçekte,  (1-3 femtometre-fm mesafede) proton  ve  nötronları  birleştirerek  atom  çekirdeğini  (nucleus) oluşturur… İkincisi  ise,  daha  küçük  ölçekte (0.8 fm, çekirdek  çapı), gluonlar  tarafından  taşınan  bu  kuvvet protonları, nötronları ve  diğer  hadronları   oluşturmak  üzere  kuarkları  birarada  tutar…  Güçlü Kuvvet, ayrıca, “renk  kuvveti” (color  force)  olarak  da bilinir… Güçlü  Kuvvet,  doğası  gereği, o kadar  güçlüdür  ki, bu  kuvvet  tarafından birleştirilen  Hadronlar yeni  parçacık  oluşturabilir… Böylece, yüksek  enerjili-parçacıklar  tarafından çarpılan hadronlar, serbestçe  hareket  eden “radyasyon” (gluonlar)  ışımak yerine, yeni  hadronları  oluştururlar… Güçlü Kuvvetin  bu özelliğine “color confinement”  adı  verilmiştir  ve Güçlü  Kuvvetin  serbestçe  ortaya  çıkmasını (emission) engeller…! Bunun  yerine, pratikte, büyük  kütleli madde  jetleri gözlenir…

Bir  atom  çekirdeği oluşturmak  üzere, proton  ve  nötronların  birleştirilmesi  bağlamında, kuvvetli  etkileşime “Çekirdek  Kuvveti” (nuclear  force)  veya “Artık  Güçlü Kuvvet” (residual strong  force) adı  verilmiştir… Bu  durumda,  proton  ve  nötronları  oluşturan kuarklar  arasındaki güçlü  etkileşimin artık  ürünüdür (residuum)…

Bu  sebeple, kalıcı  güçlü  etkileşim, çekirdekler  içindeki  kuarkları  birleştirirken,  çekirdekler  arasında mesafeye-dayalı, oldukça farklı  bir   davranış  sergiler… Bir  çekirdeğin   parçalanması  esnasında  kısmen serbest  bırakılan bağlama  enerjisi   bu kalıcı güçlü  kuvvetle  ilgili olup, “fizyon-tipi”  (fission-type) nükleer  silahların gücünü oluşturur…

Güçlü  etkileşimin  kütlesiz  parçacıkları  olan  ve kuarklar, anti-kuarklar  ve   gluonlar  arasında  el  değiştiren  gluonlar  vasıtasıyla oluşturulduğu (madiate) ileri sürüldü… Sonuç  olarak,  gluonların kuarklarla etkileştiği  ve “renk  yükü”nü  taşıdığı kabul  edildi… Elektromanyetik yükle kıyaslanabilir  olan  renk  yükü, (+/-kırmızı, +/-yeşil  ve +/-mavi) olarak,  üç  farklı tipte  ortaya  çıkmakta  ve  farklı  tipte  kuvvetlerle  birlikte, farklı  tipte  davranış  kurallarına tabi  olmakta…  Bu  kurallar “Quantum Chromodynamics” (QCD) teorisinde kuark-gluon  etkileşimleri içinde detaylandırılmıştır…

Büyük Patlamadan (Big Bang)  sonra,  “elektro-zayıf  dönem”de (electroweack epoch),  “elektro-zayıf  kuvvet  güçlü  kuvvetten  ayrıldı…!  Büyük  Birleşik  Teorinin (Grand Unified Theory) bu  durumu tanımlaması  beklense  de, mevcut  teorilerin  hiçbiri  bunu  henüz  başaramadı… Tüm  kuvvetleri birleştirecek  bir  teorinin  tanımlanması, henüz,  fizikçilerin  önünde  bekleyen  bir  problem…

1970’li  yıllardan  önce, fizikçiler, atom çekirdeğini  birleştiren  mekanizmayı  yeterince tanımlayamamıştı… Sadece, çekirdeği  oluşturan  protonların  pozitif, nötronların  ise  yüksüz  olduğu  biliniyordu…Yine  de, bilinen  bu verinin  kendi  içinde  çelişkili  olduğu  biliniyordu…! Çekirdekte  var  olan  protonların  birbirini  itmesiyle, çekirdeğin  parçalanması  gerekiyordu… Ancak, bunun  gerçekleştiği  hiç  gözlenmedi…! Bu   garip  durumu  açıklayabilmek  için yeni  bir  fizik gerekiyordu…

Protonların birbirini elektromanyetik  olarak  itmeleri   gerçeğine  rağmen, atom  çekirdeğinin  bir  arada  tutulabilmesi  için   daha  güçlü  bir  “çekici  kuvvet”  öne  sürüldü…  “Güçlü Kuvvet”  olarak  adlandırılan  bu  kuvvet atom  çekirdeğini  oluşturan  proton  ve  nötronların  üzerine  etki  eden doğal  bir  kuvvet olarak  düşünüldü…

Daha  sonraki  dönemde proton  ve  nötronların doğal  parçacıklar olmayıp, kuark  adı  verilen daha  küçük  parçacıklardan  oluştuğu  anlaşıldı…!

Çekirdeği  oluşturan  parçacıklar  arasındaki  güçlü  çekimin, proton  ve  nötronların  içindeki  kuarkları birbirine  bağlayan daha  doğal  bir  kuvvetin  yan  etkisiydi…  Kuantum Kromodinamik Teorisi  kuarkların “renk  yükü”  taşıdığını ileri  sürer… Kuantum  dünyasındaki  bu  renklerin   (her  ikisi  de  üç  renkten  oluşuyor ?) görünen  renklerle  bir  ilgisi  yoktur…!

Farklı  “renk  yüküne”  sahip kuarklar, gloun  adı  verilen parçacıkların  katılımıyla  ve  kuvvetli  etkileşimin  sonucu  olarak, birbirini  çeker…

Bu  kuvveti  tanımlamada “Güçlü” (Strong)  sözcüğünün kullanılması, dört  farklı  doğal  kuvvetin  en  güçlüsü  olmasındandır… Femtometre  mesafesinde  Elektromanyetik  Kuvvetin 102  katı, “Zayıf  Kuvvet”in  106  katı  ve  Garavitasyon Kuvvetinin 1038 katıdır…

Güçlü  Kuvvetin  çağdaş anlamı, Parçacık  Fiziğinin Standart  Modeli  olarak,  Kuantum  Kromadinamiğinde tanımlanmıştır… Sadece  Kuarklar  ve  Gluonlar, kuvvetli  etkileşimde  rol  oynayan ve   kaybolmayan renk  yükünü taşıyan doğal  parçacıklardır… Güçlü  Kuvvet  sadece  elementer  kuark  ve  gluon  üzerine  doğrudan  etki  eder… QCD’de  tüm  kuark  ve  gluonlar birbiriyle  Güçlü Kuvvetle  etkileşir…

Güçlü Kuvvet Kuarklar  arasında ortaya  çıkar… Elektromanyetik, Zayıf  ve Gravitasyon Kuvvetlerinden  farklı  olarak, gücü (etkisi) artan  mesafeye  bağlı  olarak  azalmaz…! Bir  hadronun  çapı  gibi, sınırlı  bir  mesafeye ulaşıldıktan  sonra, kuarklar  arası  mesafe  ne  kadar  açılırsa  açılsın, bu kuvvet  10 000  Newton’luk  bir  değerde  sabit  kalır… QCD’de  bu anlaşılamaz  duruma “renk tutuklanması” (color  confinement)  adı  verilmiştir…Bu  durum ,ancak, tekil serbest  kuarkların  değil, hadronların  görüntülenebileceği  sonucunu  doğurur…  Bu  duruma  bir  açıklama, etkileşimin  çok  kısa  mesafesinde,  bir  parçacık-anti  parçacık  çifti  yaratabilmek  için  gereken  iş  10 000 newton’luk bir  kuvvete  karşı  yapılabilecek  işe  (bir  tonluk  bir kütlenin  Dünya  yüzeyindeki  ağırlığı  kadar…)  eşittir… Basit  bir  ifadeyle, iki  Kuarkı  birbirinden  ayırmak  için her  enerji  uygulanışı, orijinal  Kuarkları birbirinden  ayıracak (pair  up) yeni  bir  Kuark  çifti yaratacaktır…  Serbest  Kuarkları belirlemek  için  gerçekleştirilen  ve  başarısız  olan  her  deney   bu garip  duruma  bir  delil  teşkil  edecektir…  

Etkilenen elementer Kuarklar  ve  Gluonlar doğrudan  gözlenemez,  fakat,  protonun  içindeki  bir  Kuarka,   çarpan  protonun  içindeki yüksek  enerjili  ikinci  bir  Kuark  çarptırıldığında, kısaca, Kuark-Kuark  bağına  enerji  uygulandığında, yeni  yaratılmış  Hadron  jetleri  ortaya  çıkar…! Ancak, Kuark-Gluon plazmasının  gözlendiği  de  ileri  sürülmüştür…!

Evrendeki her  kuark  diğer  kuarkları  mesafeden  bağımsız  bir  şekilde çekemez…  “Renk-sınırlandırması”na  (color  confainment)  göre, Güçlü  Kuvvetin mesafe-azalması  olmadan etkilemesi tekil  kuarak  çiftleri  arasında,  ve  hadronlar  gibi   bağlı  kuark  grupları (collection)   arasında    geçerlidir…  Kuarkların net  renk-yükü sıfırlanır (cancel  out)… Kuark grupları  olan  hadronlar bu  sebeple, hemen  hemen  renk-yükü  yokmuş  gibi  görünür… Bu  sebeple, bu  hadronlar (baryonlar, mezonlar) arasında  Güçlü  Kuvvet  hemen  hemen  yoktur… Yine  de, bu elimine  etme  olayı mükemmel  değildir… Küçük  bir  miktar  kuvvet  geriye  kalır  ki, bu  “Artık Güçlü  Kuvvetttir” (residual  strong  force)…!

Bu “artık”  kuvvet  mesafeyle  hızla  azalır…Sadece  birkaç femtometrelik  mesafede  etkilidir… Bu  kuvvet  “renksiz”  hadronlar arasındaki  kuvvet  olarak  kendini  gösterir  ve  “güçlü  nükleer  kuvvet”  veya  basitçe, “nükleer  kuvvet”  olarak  adlandırılır..

Nükleer  Kuvvet atom  çekirdeği  içindeki   hadronlar (mesonlar, nükleon’lar) arasında etkilidir… Bu “Artık” Güçlü  Kuvvet, endirek  şekilde  etki  ederek, sanal “Pi”  ve “Rho”  mesonların  parçasını  oluşturan gluonları nükleonlar  arasında Güçlü  Kuvveti iletecek  şekilde, nakleder…

“Artık Güçlü  Kuvvet”  Güçlü  Kuvvetin  geride  kalanı  olup, proton  ve  nötronlar  içindeki kuarkları bir  arada  tutar (bind)… Bu  kuvvet,  nötronlar  ve  protonlar  arasında  çok  daha  zayıftır… Nötr  atomlar  arasındaki  elektromanyetik  kuvvetin (van  der Vaals force) atomları bir  arada  tutan  iç  elektromanyetik  kuvvetten  çok  daha  zayıf  olması  gibi, nötron  ve  protonları  bir  arada  tutan  kuvvet de, çoğunlukla  nötralize  olduğundan, zayıftır…  

Güçlü  Kuvvetten  farklı  olarak, nükleer  kuvvet  veya “Artık  Güçlü  Kuvvet”in şiddeti (strength) mesafe  arttıkça  hızla  azalır…  Protonlar  arasındaki elektromanyetik  kuvvetin mesafeyle  daha  yavaş  azalması  sonucunda, bu  durum, atom  numarası  82’den  daha  büyük  olan atom  çekirdeklerinde kararsızlığa  sebep  olur…

 

Yararlanılan Kaynaklar:

https://www.youtube.com/watch?v=rheKIzEAmv0

http://bigthink.com/videos/frank-wilczek-on-how-he-won-the-nobel-prize

https://en.wikipedia.org/wiki/Strong_interaction

 

 

Bir Cevap Yazın

Aşağıya bilgilerinizi girin veya oturum açmak için bir simgeye tıklayın:

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