“BÜYÜLÜ” ve “ALT”
Madde ve Karşı-madde

Kuarkları incelemenin bir başka yolu, diğer parçacıklar içinde aramak yerine onları "yapmaktır". Kuarklar, yeni partiküllerin, özellikle kuark-karşı-kuark çiftlerinden oluşmuş mezonların oluşmasıyla sonuçlanan yüksek enerjili çarpışmalarda ortaya çıkarlar. Bununla beraber, kuark oluşturmak için ulanılabilecek özellikle ilginç olan bir başka yol, elektronların, karşı-parçacıkları olan pozitronlarla çarpıştırılmasıdır.

Bir parçacık, kendisiyle aynı kütleye, fakat yükü gibi zıt özelliklere sahip karşı-parçacığına rastladığında, sonuç kendi kendine oluşan bir yıkımdır ve yokoluş (annihilation) olarak adlandırılır. Parçacık ve karşı-parçacığı yok olurken, birleşen kütleleri foton biçiminde enerjiye (veya enerjileri yeterince yüksekse, Z⁰ denen bir parçacığa) dönüşür. Foton ise, enerji yeni bir parçacık ve karşı-parçacık oluşumuna yol açana kadar, yalnızca kısa bir an için varlığını sürdürür. Oluşan yeni parçacık-karşı-parçacık çifti, yokoluşa uğrayan parçacık çiftiyle aynı olmak zorunda değildir. Eğer yeterli enerji varsa, bir elektron-pozitron çifti, bir muon-karşı-muon çifti, bir tau-karşı-tau çifti veya herhangi uygun bir kuark-karşı-kuark çifti oluşturabilir.

1974 yılında, elektron-pozitron yokoluş deneyleri, yeni, daha ağır, dördüncü bir tip kuark olan ve büyülü (varlığının bulunması bazı teorik problemlerin çözümü için büyü gibi işlev görmüştü) olarak adlandırılan bir kuarkın varlığına dair deliller sağladı. SLAC’da inşa edilmiş olan bir elektron-pozitron çarpıştırma makinasında yapılan deneyler, J/psi olarak adlandırılan yeni bir parçacığın varlığını ortaya koydu. J/psi, bir büyülü kuarkın, anti-kuarkı ile bağlanması sonucu oluşan bir mezondur. Çarpışan elektron ve pozitronun toplam enerjileri, J/psi’nin kütlesini (protonun kütlesinin 3 katı kadar) oluşturmaya yeterli olduğu takdirde, araştırıcılar, detektörlerinden akıp geçen parçacık oranında inanılmaz bir artış gözlediler. Bunlar, kararsız olan J/psi parçacığının bozunma ürünleriydi.

J/psi parçacığı, Brookhaven laboratuarında, yüksek enerjili protonların berilyum bir hedef ile çarpışmaları sonucu oluşan elektron ve pozitron çiftlerinin incelendiği bir başka deneyde de ayrıca keşfedildi. Buradaki durumda, SLAC’da gözlenen sürecin tam tersine araştırıcılar, J/psi parçacığını, kuarkı ve antikuarkının bir elektron-pozitron çifti oluşturacak şekilde yok olması sonucunda gözlediler.

Beşinci ve daha ağır, alt denen bir kuark da, benzer biçimde, 1977 yılında Illinois Fermilab’daki deneylerde ortaya çıktı. Burada araştırıcılar, yüksek enerjili protonların bir hedefle çarpışmaları sonucu ortaya çıkan muon-anti-muon çiftleri üzerine çalışıyorlardı. Bu kez, protondan yaklaşık 10 kat ağır olan yeni bir parçacık hakkında kanıtlar buldular. Bu parçacık, alt kuarkın anti-kuarkı ile bağlanarak oluşturduğu yeni ve ağır bir kuark olarak değerlendirilebilirdi.

Tuhaf kuark gibi, büyülü ve alt kuarkların her ikisi de, oluşmalarına yardım ettikleri parçacıklara verdikleri, kendilerine has bazı özellikleri taşıyor gibi görünmektedirler. Örneğin, bir büyülü kuark ile başka bir tipten anti-kuark içeren “büyülü” mezonlar mevcuttur. Kuarklar, zayıf kuvvet aracılığıyla bir tipten diğerine dönüşebilirler ve en sonunda, alt, büyülü ve garip kuarkların tümü, gündelik hayatta karşılaşılan maddelerde, u ve d kuarklara bozunurlar.

RENKLİ KUARKLAR
Protonun İçindeki Yapıştırıcı

Elektron-pozitron çarpışmaları sonucunda bu şekilde kuarkların ve antikuarkların oluşturulması, kuarkların bir başka özelliğini de ortaya çıkarmıştır. Elektron-pozitron yokoluşunda bir parçacık-anti-parçacık çifti oluşma olasılığı, parçacığın yükünün karesine bağlıdır. Dolayısıyla, kuark ve antikuarkları içeren parçacıklar olan hadronların üretilebilme olasılığının, muon ve anti-muon çiftlerinin üretilebilme olasılığına oranı, bir muonun, basitçe e olarak gösterilebilen yükünün büyüklüğüne göre, tüm kuark tiplerinin yüklerini yansıtmalıdır.

Buradan yola çıkılarak yapılan deneyler, hadronların, kuark tipleri ve yükleri üzerinden yapılan hesaplamalar sonucu ortaya çıkması beklenen orandan 3 kat daha fazla bir oranda oluştuklarını gösterdi. Bu durum, kuarkları birbirinden ayıran bir başka özelliğin varlığını gösterdi; öyle ki, her kuark tipi, üç ayrı durumda bulunmalıydı. Işığın ana renklerine atfen, bu özelliğe renk adı verildi ve bildiğimiz renklerle herhangi bir ilişkisi olmamasına rağmen, kuarkların bu üç durum değeri, kırmızı, yeşil ve mavi olarak adlandırıldı.

Kuarkların bu özelliğine dair bir başka kanıt da, üç adet tuhaf kuark (sss) içeren omega-eksi parçacığından geldi. Derin elastik olmayan saçılma deneylerinin de gösterdiği gibi, kuarkların ½’lik bir içsel spini vardır. Bununla beraber, omega-eksi parçacığının spini 3/2’dir ki, bu durum, parçacığı oluşturan üç s kuarkın, aynı doğrultuya yönelmiş spinleri olduğu anlamına gelir. Bu bir sorun ortaya çıkarır, çünkü kuantum kuramının bir Pauli’nin Dışlama İlkesi olarak bilinen sonucu uyarınca, spinleri aynı olan parçacıklar,aynı uzay bölgesinde, aynı yöne doğru olan spinlerle beraber bulunamazlar. Bu durum omega-eksi için ancak, kuarkların bir başka özellik açısından farklı olmaları durumunda gerçekleşir ki bu özellik “renk”tir.

Bu renk özelliği sadece kuarklara hastır ve güçlü kuvvetin kökeninde yer aldığı düşünülmektedir. Elektronlar gibi leptonlar, renk özelliğinden yoksundurlar ve güçlü kuvvetten etkilenmezler. Kuarkların oluşturduğu daha karmaşık parçacıklar-baryon ve mezonlar- da renk özelliğinden yoksundurlar. Fakat, bir parçacık içerisinde renkli kuarklarla, diğer parçacıklardaki renk özelliklerinden etkilenmek açısından yeterince yakınlaştıklarında kuvvetli bir biçimde etkileşirler.

Hadronların içerdikleri kuarkların ve antikuarkların renkleri birbirlerini nötralize ederler. Bu nötralizasyon, elektronların negatif yüklerinin atomu oluşturmak üzere protonun pozitif yükleri ile dengelenmesi gibi değil, tamamen bir nötralizasyondur. Proton gibi bir baryon, her biri farklı renkte 3 kuark içerir (kırmızı, yeşil ve mavi). Mezon, uygun anti-renkte (örneğin anti-kırmızı, buna, kırmızının tamamlayıcısı olan siyan mavisi diyebiliriz) bir antikuarkla bağlı halde tek renkte bir kuark içerir (örneğin kırmızı).

Renk, güçlü kuvvetin kuantum torisi olan kurantum kromodinamiğinin anahtar bileşenlerinden biridir. Bu teoride, elektrik yükünün elektromanyetizmanın kaynağı olması gibi, renk yükü de güçlü kuvvetin kaynağıdır. Dahası, renkli kuarklar etkileştiğinde, güçlü kuvveti taşıyan parçacıklar olan gluonları değiş tokuş ederler. Bu, kuantum seviyesinde gücü fotonların taşıdığı elektromanyetizm ile benzerdir. Önemli bir fark, fotonların elektrik yükü taşımamalarına rağmen, gluonların renk bileşenleri taşımaları ve bir kuarktan diğerine geçtiklerinde, kuarkların renklerini değiştirmeleridir. Bu özelliğin, kuarkların aralarındaki mesafenin artmasıyla, güçlü kuvvet etkileşiminin de artması gibi ilginç sonuçları vardır. Yüksek enerji çarpışmaları hiçbir kuarkı parçacıkların dışına çıkaramamıştır. Bunun yerine, bir çarpışma sırasında enerji, kuark-antikuark çiftleri (bşka bir deyişle mezonlar) halinde maddeleşir ve kozmik ışın çarpışmalarında görüldüğü gibi, parçacık püskürmelerine neden olur.

KUARK DENİZİ
İçerideki Kaynayan Dünya

Derin esnek olmayan çarpışma ve elektron-pozitron yokoluş deneyleri sadece protonların içinde gluonların varlığını onaylamakla kalmamış, ayrıca kuantum kromodinamiği kuramının geçerliliğini de ortaya koymuştur. Örneğin, SLAC’da Gargamel ile yapılan ilk deneyler, protonun etrafında hareket eden kuarkın taşıdığı momentumun ölçülmesi üzerineydi. Sonuçlar, kuarkların sadece momentumun yarısını taşıdığını ve protonun içine gömülü başka “parton”lar bulunması gerektiğini gösteriyordu.

Bu diğer partonlar sadece gluonları değil, bir gluondan yine bir gluona dönüşüm sırasında bir an için varolabilen kuark-antikuark çiftlerini de içerir. Dolayısıyla protonlar, gluon ağı içine gömülmüş üç “valans kuarkı”nı ve bir kısa ömürlü (efemeral) kuark-antikuark “denizi” içerir. 1980’lerde, CERN’de yapılan detaylı yüksek enerjili nötrino ışını deneylerinde, fizikçiler antikuarkların bile varlıklarını tespit ederek, protonun içindeki farklı sınıflara ait parçacıkların derin esnek olmayan çarpışmalara katkı yapma yollarını ortaya koyabilmişlerdir.

Güçlü kuvvetin, kuarkların protondan çıkmasını engellediği düşünülse de, deneylerde, tek bir enerjetik kuarkın güçlü kuvvetin etkisinden kurtulmaya çalışırken maddeleşmesi şeklinde meydana gelen parçacık püskürmeleri veya “jetleri” tespit edilmiştir. 1979’da Hamburg’daki Alman Parçacık Fiziği Merkezi DESY’deki fizikçiler, bu jetlerin kuarklar kadar, gluonlara da bağlı olduğunu keşfettiler. Bu deneylerde, bir elektron ve pozitron, biri bir elektronun foton yaydığı gibi gluon yayan bir kuark-anti-kuark çifti oluşturacak şekilde yokolmuştur. Kuark, anti-kuark ve gluonun her biri, karakteristik üçlü jet olayını oluşturan parçacık saçılmaları üretmektedirler.

Protonun içindeki bu kaynayan dünyayı keşfetmek üzere en son deneyler, DESY’de, protonlarla elektronlarla kafa kafaya çarpışmasını sağlayan yeni bir makine olan HERA aracılığıyla gerçekleştirilmiştir. Öncekilerden daha yüksek çarpışma enerjileri sayesinde HERA ile yapılan deneyler, protonun şimdiye kadar olduğundan çok daha derin olarak incelenmesini mümkün kılmıştır. Fermilab’daki fizikçiler ise, altıncı (top) kuarkı keşfedebilmek umuduyla, proton ve anti-protonlar arasındaki çok yüksek enerjili çarpışmaları incelemektedirler. Kuark ve lepton teorilerinin altında yatan simetri ve bunların etkileşimleri, -(1/3)e yüke sahip alt kuarka eşlik eden +(2/3)e yüklü bir ağır kuarkla beraber, altı kuark bulunduğunu düşündürmektedir. Bu kuarkın bulunması, proton ve bir çok egzotik akrabasında bulunan kuarkların tuhaf dünyasına dair incelemelerimizdeki önemli kayıp halkayı bize gösterebilir.

İLERİ OKUMA:

The Hunting of the Quark, M. Riordan (Simon and Schuster, 1987): Kuarkların keşfinin tarihçesi ve özellikle SLAC’daki deneyler hakkında.

The Cosmic Onion, F.E. Close (Heinemann Educational, 1983): Kuarkların temel fikri hakkında iyi bir giriş kitabı.

Spaceship Neutrino, C. Sutton (CUP, 1992): Nötrino deneylerinin proton hakkında nasıl  bilgi verdiğini anlatıyor.

The Experimental Foundations of Particle Physics, R.N. Cahn ve G. Golhaber (CUP, 1989): Önemli keşifleri anlatan makalelerin, 30 Mayıs 1992 tarihli New Scientist’de de yayınlanan “Turning the proton inside out”, N. Harnew ve C. Sutton da dahil olmak üzere tıpkıbasımları ve DESY’deki HERA adlı makinede yapılan yeni deneyler bulunmaktadır.

Çeviri: Sinan CANAN
New Scientist Inside Science, 10 Temmuz 1993

http://sinancanan.tripod.com/quark.htm ‘den alınmıştır.

İstanbul - 29.09.2003
http://gulizk.com