Parçacık fiziği

Parçacık fiziği, madde'nin parçacıklarını ve aralarındaki karşılıklı etkileşim - dönüşüm - değişim'i konu alan fizik dalları. Atom altı parçacıkları inceler.

Atomaltı parçacıklar bağımsız olarak ömürleri çok kısa olduğu için normal şartlar altında gözlemlenemezler. Bu amaçla oluşturulan parçacık hızlandırıcısı denilen dev düzeneklerde, yüksek elektrik veya manyetik alan etkisi ile hızlandırılmış parçacıkların 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.

Temel parçacıklar

Leptonlar ve kuarklar şimdiki bilgilerimize göre en temel parçacıklardır. Yani, kendilerini oluşturan başka parçacıklardan yapılmamışlardır.

Leptonlarin en iyi bilineni elektrondur. Elektron şimdilik başka parçacıklardan yapılmamış olarak kabul edilmektedir. Leptonların spini (dönüş; parçacığın iç açısal momentumu) ½ ve elektrik yükleri -1 veya 0 dır. Yunanca lepton hafif parçacık anlamına gelmektedir.

Temel parçacıklar içinde adını Murray Gell-Mann ve Georg Zweig tarafından alan parçacıklar kuarklardır. Kuarklarda spin ½ ve elektrik yükleri 2/3 veya -1/3 olan parçacıklardır. Şimdilik bilinen 6 kuark vardır.

Temel parçacıklar fermiyonlardır, dönüş (spin) kuantum değerleri kesirlidir (1/2 gibi). Bu parçacıklar dönüş değerleri kesirsiz (0, 1 gibi) olan bozonlar sayesinde birbirleri ile etkileşirler.

Atom çekirdeği

Çekirdek nükleon adı verilen proton ve nötronlardan meydana gelir. Elektron ve çekirdeğin içindeki nötron ile proton kararlı parçacıklardır. Çekirdeği ilgilendiren parçacıklar ailesi iki kısımdır.

1. Baryonlar
2. Mezonlar

Baryonlar ağır, mezonlar orta ağır parçacıklardır. Baryonlar ve mezonların hepsine hadronlar adı verilir. Hadron, Yunanca kuvvetli parçacık anlamındadır.

Kuark kuramına göre baryonlar 3 kuarktan, mezonlar ise bir kuark ve bir antikuarktan oluşmuşlardır.

Nötron UDD kuarklarından, proton ise UUD 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.

Hadronlar ailesi

Bir atom çekirdeğini oluşturan Hadronlar, kuarklardan yapılmışlardır ve aradaki mezon alışverişi ile kararlı parçacıklar ortaya çıkar. Bu olay esnasındaki kuvvet güçlü 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 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.

Doğada varolan ve şimdilik bilinen dört temel kuvvetin bağlantı kuantaları şunlardır:

• Elektromagnetik kuvvet: Foton
• Zayıf etkileşim kuvveti: W+ W- Z0 parçacıkları
• Kuvvetli etkileşim kuvveti: Gluon
• Yerçekim kuvveti: Graviton

Atom çekirdeğini ilgilendiren gluonlar kuarkların tad (İngilizce color) adı verilen özelliğini değiştirir ve onların yapmış olduğu hadronları parçalar veya kuarkları birarada tutarak kararlı parçacıkların oluşmasını sağlar.

Yukarda belirtilen bu parçacıkların Pauli yasası ile belirlenen spinleri göz önüne alındıklarında, parçacıklar ya tam sayılı spinlere veya yarım tamsayılı (buçuklu) spinlere sahiptir (1/2, 3/2, 5/2...). 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 konumda olabilirler (fotonlar bu grupta oldukları için lazer ışını oluşabilir).

Tüm bahsedilen parçacıkların bir antiparçacığı da mevcuttur; bu parçacıkların tamamı antimadde olarak adlandırılır.