“Madde moleküllerden, moleküller atomlardan, atomlar” ise elektron bulutu ve onun merkezindeki çekirdekten oluşur. Elektron bulutunda elektronlar, çekirdekte ise proton ve nötron bulunur. Proton ve nötron kuarklardan oluşur. Bir atomun çapı 1 santimetrenin yaklaşık 100.000.000’da 1’i “(yüz milyonda biri) olan bir elektron bulutundan” oluşur. Çekirdeğin çapı ise bu bulutun yaklaşık 100.000’de 1’i (yüz binde biri) kadardır.[1] [Şu benzetme verilebilir (üstteki bilgilere göre hesaplamalar bana aittir): Çekirdeğin buluta oranı 1 cm’ye 1 km olur ki bu da bir futbol stadyumu (∼200 m) çapındaki bir kürenin merkezindeki bir pirinç veya bir bulgur tanesine karşılık gelir: Yani çekirdek, (elektron bulutu olan) bir futbol stadyumundaki bir bulgur tanesi kadardır.] Bir su damlası 4×1021 tane atom içerir. Bir elmayı Dünya kadar büyüttüğümüzü düşünelim, o elmadaki bir atomun büyüklüğü [hacmi (boyutu)] Dünya’daki bir orijinal elma büyüklüğünde olurdu veya birbirine değen elmalarla dolu Dünya hacminde bir küre düşünelim, elmadaki bir atomun hacmi o küredeki bir elma kadar olurdu.[2]
Tüm atom altı parçacıklar hem dalgadır hem de parçacıktır.[3] Fermiyon olan kuarklar ve leptonlar[4] bozonlarla etkileşerek (birleşerek)[5] atomu oluştururlar[2]. Atom çekirdeğindeki protonu ve nötronu oluşturan kuarklardır. 3 kuark bir araya geldiğinde 1 protonu ve (veya) 1 nötronu oluşturur. 1 kuark “renk hapsi” nedeniyle asla tek başına bulunamaz [ve (veya) gözlemlenemez]: Bu 3 kuark ancak[6] (bir elektromanyetik alan benzeri olan[7]) hadron içerisinde var olabilir (veya kendini gösterebilir). Kuarklar 6 çeşit olup yukarı, aşağı, tılsım, acayip, üst ve alt isimleriyle ifade edilir. Evrenin hemen her yerinde yukarı (u) ve aşağı (d) kuark yaygındır. Diğerleri ekstrem koşullarda oluşur.[6]
Çekirdeğin etrafında bulunan elektron(lar), lepton çeşitlerinden biridir.[3] Elektron, müon ve tau (elektriksel olarak) yüklü; (nötrinolar da denilen) elektron nötrino, müon nötrino ve tau nötrino ise nötr olmak üzere 6 çeşit lepton bulunur: Evrende en yaygın yüklü lepton elektrondur.[8] Protonun [ve (veya) nötronun] kütlesi ve hacmi, elektronunkinden katbekat büyüktür (elektronun kütlesi protonun kütlesinin ∼1.836’da biri kadardır).[3]
Aynı çeşit tüm fermiyonlar (proton, nötron, elektron vs.) Pauli Dışlama ilkesi gereğince aynı kuantum hâlini işgal edemezler [yani birbirlerini iterler, aynı anda aynı yerde bulunamazlar ve (veya) belirli bir yere kadar sıkıştırılabilirler].[2][3][9] Bozonlar (foton, gluon, W-Z ve Higgs) için bu ilke geçersizdir.[9] [Peter Ware Higgs (d. 1929)]
Elektron okullarda öğretildiği gibi çekirdeğin etrafında sabit bir yörüngede dönmez, bu yanlıştır: Çekirdeğin etrafında “rastgele” herhangi bir yerde birden belirir sonra hemen kaybolur, yine başka bir yerde tekrar belirir sonra yine kaybolur, bu, kuantum fiziğindeki Belirsizlik ilkesinden dolayı bu şekilde (çoğunlukla) elektron bulutu içerisinde durmadan devam eder. Yani elektronu durmadan gözlemleyemeyiz: O hem dalgadır hem de parçacıktır. Şöyle bir benzetme yapabilirim: Dalgaya uzunca bir ip dersek ipin herhangi bir yerine attığımız düğüm de parçacık olacaktır. İp (dalga) gözükmez ama düğüm (parçacık) gözükür. İpin uzunluğu tüm evrenin uzunluğu kadardır ve düğüm bu ipteki yani tüm evrendeki herhangi bir yerde görülebilir ama düğüm daha çok elektron bulutunda (stadyumda) görülür. Proton, nötron, foton vs. için de bu anlattıklarım geçerlidir.[10][11]
Nötrinolar çoğunlukla yıldızlarda üretilir. 1 saniyede Güneş’ten Dünya’ya, cm2ye ∼65 milyar tane nötrino ulaşır.[12] Nötrinoların kütleleri aşırı az ve hızları ışık hızına çok yakındır: Zayıf ve kütle çekimi kuvvetleriyle etkileşime girseler de kuantum renk taşımadıklarından güçlü çekirdek kuvvetiyle,[13] yüksüz olduklarından da elektromanyetik kuvvetle etkileşime girmediklerinden[14] dolayı nötrinolar, maddelerin (vücutlarımızın) içinden geçip giderler.[12][13]
Kuarkın kütlesi protonun kütlesinin ∼200’de biridir. Gluonlar kuarkları bir arada tutan “yapıştırıcı” parçacıklardır. Kuarklar ve gluonlar renk yüküne sahiptir: Kuarklar ve gluonlar bu renk yükünden dolayı (kuantum renk dinamiğine göre) güçlü etkileşime girerler ki bu sayede protonlar ve nötronlar çekirdekte bir arada bulunur. Gittikçe artan bir sıcaklıkta önce “elektronlar ve çekirdekler birbirinden” ayrılır, sonra protonlar ve nötronlar da ayrılır, en son ise (yoğunluğun da “çekirdek yoğunluğunun birkaç katına” ulaşmasıyla) [ve (veya) çarpıştırmalarla] (2 trilyon °C ve üstünde) kuarklar ve gluonlar da ayrılır ki bu en son ayrılmayla (buzun suya geçmesi gibi bir faz değişimi olur ve) serbest hareket edip sıcak bir akışkan olan (evrenin başlarındaki faz olan) kuark-gluon plazma oluşur. Evrendeki madde oluşumu ise bunun (soğumayla) tam tersidir. Deneylerde bu süper yoğun faz çok kısa süreliğine oluşturulabilmektedir. Nötron yıldızlarında (ve bu gibi ortamlarda doğal olarak) kuark-gluon plazma mevcuttur. Kuantum renk dinamiğindeki “renk hapsi” olayı şu an için bilimde tam olarak anlaşılamamıştır.
Görünür evrendeki (bilinen) tüm maddenin %99’undan fazlasını kuarklar (ve gluonlar) oluşturmaktadır: Kalanının neredeyse tamamı ise elektronlardır. Kuarklar ve gluonlar [ve (veya) hadronlar, baryonlar, kısacası madde] renksizdir: Kuarklar ve gluonlar için kullanılan kırmızı, mavi ve yeşil anlatımları “kuantum sayıları”nı ifade eder ki kuarklar ve gluonlardaki “renk” teriminin bildiğimiz renklerle uzaktan yakından alakası yoktur.
Elektromanyetik etkileşmede elektrik yüklü parçacıklar foton alış verişi yaparak birbirlerini ya “iter ya da çekerler”: Kuarklar ve gluonlar ise renk yükleri (iç kuantum sayıları) nedeniyle etkileşirler: Pozitif yüklü çekirdekle negatif yüklü elektronların birbirini çekerek bir arada olması elektromanyetik etkileşme, farklı iç kuantum sayılarına sahip kuarklar ve gluonların bir arada bulunması ise güçlü etkileşmedir. Kuarklar birbiriyle gluonlar aracılığıyla etkileşirler. Ayrıca gluonlar kendileriyle de etkileşir. Kuarkların anti kuarkları kendilerinin tersidir (1-1=0), gluonların ise antileri yine kendileridir.
1 kuarkın tek başına serbest olarak bulunamamasının sebebi şudur: “Asimptotik Özgürlüğe göre kısa mesafelerde/yüksek enerjilerde kuarklar hadronlar içinde neredeyse etkileşmeksizin serbestçe dolaşırlar. Büyük mesafelerde/düşük enerjilerde ise etkileşme şiddeti artar. Bu özellik nedeniyle deneylerde serbest kuark gözlenemez. Bu durum kuarkların hadronlar içine ebediyen hapsolduğu (confinement) anlamına gelir.”.[15]
1 MeV = 1.000.000 eV | 1 GeV = 1.000 MeV | eV = elektron volt.
Figürü hazırlayan Gökhan Ünel’dir. Gökhan Ünel, CERN/Indico,
[PDF] <https://indico.cern.ch/event/669040/contributions/2735882/attachments/1590142/2516110/BSM-ttp8.pdf>, Erişim: 7 Ekim 2022, s. 6 [(+) eklediğim kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20221208151901/https://indico.cern.ch/event/669040/contributions/2735882/attachments/1590142/2516110/BSM-ttp8.pdf] veya Gökhan Ünel (Unelg), Wikimedia Commons, kalıcı arşiv kaydı: <https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:SM_türkçe.png&oldid=505508503>, Erişim: 7 Ekim 2022.
(bk. Figür Kaynakları, Figür 29)
Higgs bozonu ve (tau nötrino ve elektron hariç) tüm fermiyon kütlelerinin en doğru değerlerini tabloya buradan yeniden yazdım: Wikimedia Commons, kalıcı arşiv kaydı:
<https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg&oldid=682311513>, Erişim: 7 Ekim 2022.
(Eğer bu tablo karışık geldiyse -daha fazlası için olarak- bilgilerin tek tek gösterildiği 164. sonnota bakınız.)
Elektronvolt (eV): “Bir voltluk bir potansiyel farkının etkisi altında ivme kazanan bir elektronun enerjisidir. Bu çok küçük bir değerdir. 1 miligram ağırlığındaki bir cismin 0,000001 cm yüksekliğe kaldırılabilmesi için bir milyon elektronvolt [MeV] gerekmektedir.” {Çağatay Güler, Zakir Çobanoğlu, “Radon Kirliliği” [ISBN: 975-8088-53-X], T.C. Sağlık Bakanlığı, [PDF] <https://www.jmo.org.tr/resimler/ekler/9bc62287b34d680_ek.pdf>, Erişim: 17 Temmuz 2022, s. 11 [(+) eklediğim kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20221209110720/https://www.jmo.org.tr/resimler/ekler/9bc62287b34d680_ek.pdf]}. (bk. Figür Kaynakları, Figür 29)
Fermiyonlar 3 nesil altında toplanır. 1. nesilde yukarı ile aşağı kuark, elektron ve elektron nötrinosu bulunur ki bu nesil en kararlı olup uzun ömürlüdür (evreni oluşturandır). Diğer nesiller kararsızlardır ki en kararlılarının yaşam ömrü bile “saniyenin milyarda birinden azdır”, çoğu ise “neredeyse hiçbir şey yapmadan bozunur”.
Elektromanyetik etkileşim, elektrik yüklü parçacıklar arasında olur. Temel yük (temel elektrik yükü) “e” ile gösterilir. Elektronun yükü -1e’dir. Yukarı kuark +2e/3, aşağı kuark -1e/3 yükündedir: Bu yüzden “2 yukarı ve 1 aşağı kuarktan oluşan protonun” yükü (2/3+2/3-1/3=1) +1e’dir, “1 yukarı ve 2 aşağı kuarktan oluşan nötronun” yükü ise (2/3-1/3-1/3=0) 0e’dir. Bozonlar dörde ayrılır: gluonlar, foton, W-Z ve Higgs. “8 ayrı gluon vardır.”. Elektromanyetik etkileşime aracılık eden fotonlar ile güçlü etkileşime aracılık eden gluonların “kütlesi ve elektrik yükü sıfırdır”. 4 temel kuvvetten “sadece zayıf etkileşim, parçacıkların” (fermiyonların) türünü değiştirebilir. Örneğin nötronun bozunarak “protonun oluşması sürecinde bir aşağı kuarkın bir yukarı kuarka” dönüşmesi bu etkileşimle olur. W bozonu 2 tanedir (veya 2 farklı şekildedir): +1e yüklü W+ ve -1e yüklü W–. Z bozonunda ise elektrik yük sıfırdır. Bu 3 bozon kütlelidir. Zayıf etkileşim “W ve Z bozonları aracılığıyla” gerçekleşir.
Standart Model’de “parçacıklar noktasal olarak ele” alınır ve parçacıkların bir “spin kuantum sayısı” vardır. Fermiyonların spinleri 1/2, Higgs hariç diğer bozonların spinleri ise 1’dir: Higgs’in 0’dır.[16] Parçacıkların spin ve yük özellikleri birer kuantum sayısıdır.[17] (Spin hakkında 48. sayfaya bakınız.)
12 fermiyon parçacığına karşılık gelen 12 tane de anti parçacık bulunur, bozonların antileri yine kendileridir. Bir parçacığın antisi aynı kütlededir ama yükü tam tersidir. Örneğin -1e yüklü elektronun antisi +1e yüklü pozitrondur, +2e/3 yüklü ve iç kuantum sayısı kırmızı olan bir aşağı kuarkın antisi ise -2e/3 yüklü ve iç kuantum sayısı anti kırmızı olan bir anti aşağı kuarktır. “Anti parçacıkların bir araya gelmesiyle anti madde oluşur.” örneğin bir protonun antisi 2 anti yukarı kuark ve 1 anti aşağı kuarktan oluşan anti protondur. Bu şekilde küçükten büyüğe her yapının bir antisi vardır.
Kütleli denilen parçacıklar aslında (özünde) kütlesizdir. Tüm evren Higgs alanıyla doludur: Fermiyonlar ve W-Z bozonları evrende “hareket ederken bu alanla etkileşerek kütle kazanırlar”[16] [Şu örneksel benzetme verilebilir: Higgs alanına deniz diyelim, parçacığa da deniz topu diyelim, topu denize daldırıp hareket ettirmeye çalıştığımızda zorlanırız, (sözde) kütle dediğimiz şey de aslında parçacıkların bunun gibi Higgs alanına verdiği tepkidir, veya etki-tepkidir.[18]]. Foton ve gluonlar Higgs alanıyla etkileşmediğinden kütlesizdirler. Higgs bozonu veya Higgs parçacığı etkileşime aracılık eden parçacıktır. “Higgs bozonunun kendisi de Higgs alanıyla etkileşerek kütle kazanır. Higgs bozonunun diğer bozonlardan önemli bir farkı vardır. Elektromanyetik, güçlü ve zayıf etkileşimlerin aksine Higgs mekanizması kuvvet benzeri bir şeyle sonuçlanmaz.”. “Standart Model’de spini 0 olan tek” parçacık Higgs bozonudur. (Higgs hakkında bilinenler şu an için bilimde sınırlıdır.)[16]
Kaynaklar
[1] M. Zeyrek, “Maddenin Yapısı ve Higgs Bozonu”, Fizik Dünyası Dergisi, Cilt: 1, Sayı: 2, Makale No.: 6, 2014, [PDF] <http://fizikdunyasi.ankara.edu.tr/j/tmp/mzeyrek_06_2014.pdf>, Erişim: 20 Kasım 2018, s. 1 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20190712045817/http://fizikdunyasi.ankara.edu.tr/j/tmp/mzeyrek_06_2014.pdf].
[2] Wikipedia Contributors, “Atom”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 15 Kasım 2018, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Atom&oldid=869019340>, Erişim: 20 Kasım 2018.
[3] Wikipedia Contributors, “Electron”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 16 Kasım 2018, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electron&oldid=869101322>, Erişim: 20 Kasım 2018.
[4] Wikipedia Contributors, “Fermion”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 17 Kasım 2018, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Fermion&oldid=869311216>, Erişim: 20 Kasım 2018.
[5] Wikipedia Contributors, “Boson”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 26 Ekim 2018, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Boson&oldid=865838479>, Erişim: 20 Kasım 2018.
[6] Wikipedia Contributors, “Quark”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 4 Kasım 2018, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Quark&oldid=867250147>, Erişim: 21 Kasım 2018.
[7] Wikipedia Contributors, “Hadron”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 1 Kasım 2018, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hadron&oldid=866710853>, Erişim: 21 Kasım 2018.
[8] Wikipedia Contributors, “Lepton”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 3 Kasım 2018, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Lepton&oldid=867075814>, Erişim: 21 Kasım 2018.
[9] Wikipedia Contributors, “Pauli Exclusion Principle”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 12 Kasım 2018, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Pauli_exclusion_principle&oldid=868456548>, Erişim: 21 Kasım 2018.
[10] Wikipedia Contributors, “Atomic Orbital”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 14 Kasım 2018, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Atomic_orbital&oldid=868745623>, Erişim: 21 Kasım 2018.
[11] Bu sonnotlara bakınız: 149-151, 175, 227, 249-253, 256.
[12] Wikipedia Contributors, “Neutrino”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, sgt: 16 Kasım 2018, kalıcı arşiv kaydı: <https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Neutrino&oldid=869141505>, Erişim: 21 Kasım 2018.
[13] Meltem Ceylan, “Süpersimetrik U(1)’ Modellerinde Nötrino Salınımlarının İncelenmesi”, Balıkesir Üniversitesi, Fizik Ana Bilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Haziran 2015, [PDF] <https://dspace.balikesir.edu.tr/xmlui/bitstream/handle/20.500.12462/2417/Meltem_Ceylan.pdf>, Erişim: 22 Kasım 2018, s. 1, 4 [(+) eklediğim kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20221218180806/https://dspace.balikesir.edu.tr/xmlui/bitstream/handle/20.500.12462/2417/Meltem_Ceylan.pdf].
[14] Gülsün Appak, “Süpersimetrik U(1)’ Modellerinde En Hafif Nötral Higgs Bozonunun Bozunum Genişlikleri”, Balıkesir Üniversitesi, Fizik Ana Bilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Ocak 2015, [PDF] <https://dspace.balikesir.edu.tr/xmlui/bitstream/handle/20.500.12462/2364/Gülsün_Appak.pdf>, Erişim: 22 Kasım 2018, s. 4 [(+) eklediğim kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20221218210436/https://dspace.balikesir.edu.tr/xmlui/bitstream/handle/20.500.12462/2364/Gülsün_Appak.pdf].
[15] Elşen Veli, Jale Yılmazkaya Süngü, “Süper Yoğun Madde: Kuark-Gluon Plazma”, YTSAM, Yeni Türkiye [ISSN: 1300-4174], Bilim ve Teknoloji Özel Sayısı‑III, Sayı: 90, Temmuz‑Aralık 2016, [PDF] <http://www.yeniturkiye.com/Conference2016/Present/2_3_5_2_Elsen_Veli-Jale_Yılmazkaya_Sungu.pdf>, Erişim: 23 Kasım 2018, s. 2, 3, 7, 8 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20190819003713/http://www.yeniturkiye.com/Conference2016/Present/2_3_5_2_Elsen_Veli-Jale_Yılmazkaya_Sungu.pdf]. {Linkteki sayfa sayılarıdır, diğeri için bk. <http://www.yeniturkiye.com/display.asp?c=0901>, Erişim: 23 Kasım 2018, [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20181215082031/http://www.yeniturkiye.com/display.asp?c=0901].}
[16] Mahir E. Ocak, “Standart Model”, TÜBİTAK: Bilim ve Teknik [ISSN: 1300-3380], Sayı: 595, Haziran 2017, [PDF] <https://bilimteknik.tubitak.gov.tr/sites/default/files/posterler/41x55_poster_haziran_2017.pdf>, Erişim: 23 Kasım 2018, 595. sayının eki/posteri [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20190212130720/https://bilimteknik.tubitak.gov.tr/sites/default/files/posterler/41x55_poster_haziran_2017.pdf].
[17] Kerem Cankoçak, “Madde, Anti-madde: Evrendeki Simetriler ve Simetrilerin İhlalinin Önemi”, Alfa Bilim Felsefe, Mart 2011, <http://keremcankocak.blogspot.com/2013/11/madde-anti-madde-evrendeki-simetriler.html>, Erişim: 23 Kasım 2018 [kalıcı arşiv kaydı: https://web.archive.org/web/20200810161823/http://keremcankocak.blogspot.com/2013/11/madde-anti-madde-evrendeki-simetriler.html].
[18] Brian Greene, “Evrenin Dokusu…”, age., s. 316-322, 450, 513, 617, 635.