20. yüzyılın sonlarına doğru yapılan yüksek enerjili çarpışma deneylerinde birçok yeni parçacık keşfedildi. Şu ana kadar belirlenen parçacık sayısı 300’den fazladır. Atomdan daha küçük veya atomu oluşturan parçacıklara atom altı parçacıklardenir. Bu parçacıklar temel olarak Leptonlar ve Kuarklardır. Atom altı parçacıklar bunlardan meydana gelir.
Atom altı parçacıkları açıklayan deneysel olarak ispatlanmış en iyi teori Standart Model (SM) adı verilen bir modeldir. Standart Model’e göre maddenin yapı taşları olan temel parçacıklar:
- Fermiyonlar, altı lepton ve altı kuarktan oluşan madde parçacıklarıdır
- Bozonlar, fermiyonlararasındaki temel etkileşmeleri gerçekleştiren aracı parçacıklardır.
- Protonlar ve nötronlar kuarklardan, elektronlar ise leptonlardan meydana gelmektedir.
- Bozonlar da tüm temel etkileşmelerin kuvvet taşıyıcıları olan ara etkileşim parçacıklarıdır.
- Temel madde parçacıkları (kuarklar, leptonlar) 1/2, 3/2 …gibi 1/2’nin tek katları olan iç açısal momentuma (spin) sahip parçacıklardır.
- Bozonlar ise tam sayı spine sahip parçacıklardır.
Madde Parçacıkları
Leptonlar
Leptonlar, çekirdek kuvvetleri ile etkileşmeyen parçacıklardır.Tüm leptonlar 1/2 spinlidir. Leptonların belirli
bir yapıları yoktur ve noktasaldır. Altı leptondan her birinin bir karşıt parçacığı bulunmaktadır.
Kuarklar
Kuarklar tek olarak bulunmaz. Tek kuark, kesirli elektrik yüküne sahiptir. Kuarklar hadronlar olarak adlandırılan
birleşik parçacıklar oluşturur. Hadronlar, iki veya üç kuarkın bir araya gelerek oluşturdukları birleşik sistemlerdir. Bir hadrondaki kuarkların elektrik yüklerinin toplamı her zaman bir tam sayıdır.
Hadronlar iki sınıfa ayrılır: Baryonlar ve Mezonlar.
Baryonlar: Üç kuarkın birleşiminden oluşurlar. Örneğin proton iki üst ve bir alt kuarkın birleşimidir (uud). Nötron da iki alt ve bir üst kuarkın birleşimidir (ddu).
Mezonlar: Bir kuark ve bir anti kuarkın birleşimidir. Mezonlar, kararsız bir yapı gösterir ve çabuk bozunur. Bilinen en hafif mezonlar pionlardır. Pion bir üst (up) bir de alt (down) quarkın bir araya gelmesi ile oluşur.
Örnek:
Çekirdeğinde 6 proton ve 8 nötronu olan C (karbon) atomun da kaç üst (u) ve alt (d) kuark bulunur?
Protonun kuark yapısı uud ve nötronun kuark yapısı ddu olduğundan, 6 protonda, 12 u ve 6 d kuark; 8 nötron da 16 d ve 8 u kuark olur. Toplarsak, C (karbon) atomun da, 20 u (üst) ve 22 d (alt) kuark vardır
Tabloda görüldüğü gibi quarklar sembollerini İngilizce adlarının baş harflerinden almıştır. Bu nedenle quarkların İngilizcelerini bilmemiz faydalı olabilir.
Karşıt (anti) parçacık
Dirac elektron spininin kaynağını ve manyetik momentini başarı ile açıklayan “Dirac Kuramı”nı ortaya koydu. Foton ve yüksüz pion (π0) dışındaki bilinen temel parçacıkların anti parçacığı vardır. Örneğin elektronun anti parçacığı pozitron dur. Pozitron e+ ile gösterilir.
Şimdi bazı parçacıkları ve özelliklerini tablolar üzerinde gösterelim.
Ara Etkileşim (Alan) Parçacıkları
Tüm fiziksel olaylar dört temel kuvvet olan, çekirdek kuvveti (güçlü kuvvet), elektromanyetik kuvvet, zayıf kuvvet, kütle-çekim kuvvetin etkisi altında gerçekleşir. Bu kuvvetlerin parçacıklar arasında geçmesinde rol alan ara parçacıklar olduğu bulunmuştur.
- Çekirdek kuvvetine gluon adlı alan parçacığı aracılık eder.
- Elektromanyetik etkileşme durumundaki alan parçacığı fotondur (γ).
- Zayıf kuvvetin kuvvet taşıyıcıları W+ , W–ve Z bozonlarıdır.
- Kütle-çekim kuvvetine ise graviton denilen alan parçacığı aracılık eder.
- Tüm temel etkileşmelerin kuvvet taşıyıcıları olan ara etkileşim parçacıkları bozondur.
- Elektromanyetik, zayıf ve güçlü etkileşimler, spini = 1 olan bozon parçacıklarının değiş tokuşu yoluyla gerçekleşir.
- Leptonlar, kuarklar ve baryonlar fermiyonları oluşturur. Taşıyıcı bozonlar ve mezonlar da bozonlarımeydana getirir.
Şekilde görüldüğü gibi kuarklar proton ve nötronu oluşturur. Proton ve nötronlar da atom çekirdeğini yapılandırır. Çekirdeğin etrafındaki uzaya yerleşen lepton ailesine ait elektron bulutlarıyla atom meydana gelir. Atomlar da bir araya gelerek molekülleri oluştururken moleküller de bir araya gelerek maddeyi oluşturur.
