Standart Modele Giden Yol

Evrenin nasıl işlediğine dair en iyi açıklamamız, “Standart Model” olarak bilinen teoridir. Ancak fizikçiler hâlâ bazı boşlukları doldurmaya çalışıyor.

Parçacıklar, alanlar ve bunları yöneten temel kuvvetlerin teorisi olan Standart Model, modern fiziğin temel yapı taşlarından biridir. Atomun yapısını açıklayan bir kuram olarak, doğada bulunan temel parçacıkların birbirleriyle nasıl etkileştiğini ve bu parçacıkların nasıl birleşerek daha büyük yapıtaşlarını oluşturduğunu açıklar. Aynı zamanda parçacıkların doğadaki temel kuvvetlere nasıl tepki verdiğini de gösterir.

Standart Model, teorik fiziğin temelini oluşturur ve Higgs bozonunun varlığı gibi birçok doğru öngörüde bulunmuştur. Bu yüzden, bir anlamda “parçacıkların soy ağacı” olarak da düşünülebilir. Örneğin; Standart Model, vücudumuzu oluşturan atomların içinde yer alan proton ve nötronların, daha temel parçacıklar olan kuarklardan nasıl oluştuğunu açıklar.

Case Western Reserve Üniversitesi’nden fizikçi Glenn Starkman gibi uzmanlara göre, Standart Model bilim dünyasının en başarılı teorilerinden biridir. Ancak bilim insanları, tıpkı Newton’un evrensel kütleçekim yasalarının zamanında çok başarılı olmasına rağmen, eksik kaldığı ve Einstein’ın Genel Görelilik Teorisi ile tamamlandığı gibi, Standart Model’in de hâlâ tamamlanmamış olduğunu kabul etmektedir.

Standart Model’in Tarihi

Standart Model, 1960’lar ve 1970’lerin başında öncü bilim insanları tarafından derlenip geliştirildi. Ancak kökenleri yaklaşık bir yüzyıl öncesine, 1880’li yıllara kadar uzanır. O dönemde, iyonlaştırılmış gazların pozitif ve negatif yüklü parçacıklar oluşturduğu anlaşılmıştı. Bu parçacıkların atomlardan bile küçük olması gerekiyordu. 1897’de İngiliz fizikçi ve Nobel ödüllü J. J. Thomson, katot ışınları üzerinde yaptığı çalışmalarla ilk tanımlanan altatomik parçacık olan elektronu keşfetti.

1911’de Hans Geiger ve Ernest Marsden, Nobel ödüllü Ernest Rutherford’un gözetiminde ünlü “altın folyo” deneyini gerçekleştirdiler. Bu deneyde helyum çekirdekleri (alfa parçacıkları) ince bir altın folyoya yönlendirildi. Çoğu parçacık düz geçerken, az bir kısmı saçılıyor veya geri dönüyordu. Rutherford, bu sonucu, atomların büyük oranda boşluk içerdiği, pozitif yükün ise çekirdekte toplandığı şeklinde yorumladı. 1919–20 yıllarında yaptığı ek deneylerle Rutherford, alfa parçacıklarının azot atomuna çarpmasıyla pozitif yüklü bir parçacık koparabildiğini ve bu parçacığın proton olduğunu keşfetti. Nötr yüklü eşleniği olan nötron ise 1932’de James Chadwick tarafından bulundu.

1930’lara gelindiğinde, atomlar proton ve nötronlardan oluşuyor, elektronlar ise bu çekirdeğin çevresinde dönüyor gibi görünüyordu. Ancak tablo hızla karmaşıklaşmaya başladı. Teknik olarak foton da bilinen bir parçacıktı. 1932’de Carl Anderson, elektronun antimadde eşleniği olan pozitronu keşfetti. Ardından Anderson ve Seth Neddermeyer, 1936’da müon’u, Cecil Powell ise 1947’de pion’u keşfetti. 1960’larda geliştirilen parçacık hızlandırıcılarla yüzlerce yeni parçacık tespit edildi ve bilim dünyası adeta bir parçacık enflasyonu yaşadı. İşte bu noktada bilim insanları, bu karmaşayı düzenleyebilmek adına büyük bir ortak çalışmayla Standart Model’i oluşturdular.

Parçacıkların Kuşakları (Generations of Particles)

Standart Model’e göre temel parçacıklar üç aileye ayrılır. “Temel” terimi, daha küçük bileşenlere ayrılamayan parçacıklar için kullanılır. Diğer tüm parçacıklar bu temel yapıtaşlarından oluşur.

Bu üç ana aile: bozonlar, kuarklar ve leptonlardır. Kuarklar ve leptonlar, yarım sayı (örneğin 1/2, 3/2) spin değerlerine sahip oldukları için fermiyon olarak adlandırılır. Bozonların spinleri ise tam sayıdır (1, 2, 3…) ve bu onları farklı kılar.

Peki bu ne anlama gelir?

Kuantum fiziğinde “spin”, bir parçacığın özgül açısal momentumunu ifade eder. Bu, Dünya’nın Güneş etrafında dönmesi ya da bir topacın kendi ekseni etrafındaki dönüşü gibi klasik dönme hareketinden farklıdır. Parçacık sabit dursa bile, spin kuantum düzeyde parçacığın doğasında bulunan bir özelliktir. Fermiyonlar yarım spinli, bozonlar ise tam spinli parçacıklardır.

Leptonlar arasında elektron, müon, tau parçacıkları ve bunlara eşlik eden nötrinolar bulunur. Kuarklar, proton ve nötron gibi bileşik parçacıkları oluşturur. Kuarklardan oluşan tüm parçacıklara hadron, üç kuarktan oluşanlara baryon, iki kuarktan oluşanlara ise mezon denir. (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı – Large Hadron Collider – ismini buradan alır.)

Bozonlar ise doğadaki kuvvetleri taşıyan parçacıklardır:

• Higgs bozonu, parçacıklara kütle kazandıran etkileşimi taşır.

• Gluonlar, güçlü nükleer kuvveti taşır.

• Z ve W bozonları, zayıf nükleer kuvveti taşır.

• Fotonlar, elektromanyetik kuvveti taşır.

Üç Nesil Parçacık Grubu

Her parçacık ailesi, altışar parçacıktan oluşur ve bunlar “nesiller” (generations) halinde gruplanır. (Bozonlar bu gruplamaya dahil edilmez.)

• Birinci nesil, en hafif ve en kararlı parçacıklardan oluşur. Evrenin gözlemlenebilir maddesi bu nesilden gelir çünkü bu parçacıklar bozunmadan uzun süre kalabilir. Örneğin, bir proton iki ‘up’ kuarkı ve bir ‘down’ kuarkından oluşur.

• İkinci ve üçüncü nesiller daha ağırdır ve genellikle kısa ömürlüdür.

Standart Model’de şu an için 17 temel parçacık tanımlanmıştır:

• 6 lepton

• 6 kuark

• 5 bozon

Bu modelde yer almayan ancak teorik olarak var olduğu düşünülen tek kuvvet taşıyıcısı, gravitondur. Standart Model’e göre yerçekiminin de bir taşıyıcı parçacığı olmalı ve bu da graviton’dur. Gravitonlar, kütleçekim dalgalarının oluşmasına neden olan parçacıklardır.

Ancak gravitonları tespit etmek son derece zordur. Çünkü dört temel kuvvet arasında yerçekimi en zayıf olanıdır. Kulağa ters gelse de, bir mıknatısın bir ataç gibi küçük bir cismi yerçekimine rağmen kaldırabilmesi, manyetik kuvvetin yerçekiminden çok daha güçlü olduğunu gösterir. Gravitonlar maddeyle kolay etkileşime girmediği için, onları doğrudan gözlemlemek bugünkü teknolojimizle mümkün değil.

Standart Model’in Ötesi

Standart Model harika bir teori olsa da, evrenin yalnızca küçük bir kısmını açıklar. Avrupa Uzay Ajansı’nın Planck uydusuyla yaptığı gözlemler, evrenin yalnızca %4.9’unun gezegenler, yıldızlar ve galaksiler gibi görünür maddelerden oluştuğunu gösteriyor. Kalan kısmın:

• %68.3’ü karanlık enerji

• %26.8’i ise karanlık maddeden oluşur.

Ancak bu karanlık bileşenlerin doğası hakkında çok az şey biliyoruz ve Standart Model bu konularda herhangi bir açıklama sunmaz.

Bilinmeyen tek şey bu da değil:

• Temel parçacıklar gerçekten temel mi? Yoksa daha derin bir yapı mı var? Örneğin Sicim Teorisi, parçacıkların aslında titreşen küçük sicimlerden oluştuğunu öne sürer.

• Antimadde problemi: Büyük Patlama sırasında eşit miktarda madde ve antimadde oluşmalıydı. Ancak tüm antimadde maddeyle yok olsaydı, biz şu an burada olamazdık. Evren neden neredeyse tamamen maddeden oluşuyor?

Son olarak, neden parçacıklar üç aileye ayrılıyor? Neden bu parçacıklar belli kütle ve etkileşimlere sahip? Fizikçiler için bu sorulara “öyle çünkü öyle” cevabı yeterli değildir. Standart Model bu “neden” sorularına yanıt veremez.

Süpersimetri

Fizikçiler, Standart Model’in açıklamakta yetersiz kaldığı bazı problemleri çözmek için süpersimetri (supersymmetry) kavramını ortaya atmışlardır. Bu teori doğruysa, Standart Model’deki her parçacığın daha büyük kütleye sahip bir süpersimetrik karşılığı (süper eşi) olmalıdır. Bu eş parçacığın spini, orijinal parçacığın spininden yarım birim farklıdır.

Bu durum, fermiyonlar ile bozonları birleştiren bir yapı ortaya koyar. Yani:

• Yarım spinli (örneğin 1/2) fermiyonlar, tam spinli süperpartnerlere sahip olur.

• Tam spinli bozonlar ise yarım spinli süperpartnerlere sahip olur.

Süpersimetri parçacıkları içinde en düşük kütleli ve en kararlı olanlar:

• Elektriksel yük taşımazlar,

• Olağan maddeyle çok az etkileşirler.
  Bu özellikler, karanlık maddeye çok benzer niteliklerdir.

Büyük Birleşik Kuram (Grand Unified Theory)

Süpersimetriye göre, Büyük Patlama’nın hemen sonrasındaki kadar yüksek enerjilerde, zayıf nükleer kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ve elektromanyetik kuvvet:

• Aynı şiddete sahip olur,

• Ve tek bir temel kuvvetin farklı yönleri gibi davranırlar.

Bu birleşim kuramına Büyük Birleşik Kuram (Grand Unified Theory) adı verilir.

Higgs Bozonunun Kütlesi ve Süpersimetri

CERN’in internet sitesine göre, süpersimetri, Higgs bozonunun beklenenden düşük kütlesini (125 GeV – 125 milyar elektronvolt) açıklayabilir. Bu değer yine de yüksek olsa da, teorik beklentilerin altında kalır. Süpersimetrik karşılıkların varlığı, bu dengesizliği dengeleyebilir.

Ancak burada büyük bir sorun var:

• Süpersimetrik parçacıkların oldukça büyük kütleli olması gerekir.

• Şimdiye kadar ne Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) ne de önceki çarpıştırıcılar bu parçacıklara dair herhangi bir iz bulamamıştır.

• Bu durum bazı bilim insanlarının süpersimetriye olan inancını sorgulamasına yol açmıştır.

Örneğin, gluonun süpersimetrik karşılığı olan gluino adlı parçacığın 2 trilyon elektronvolta kadar olan kütlelerde mevcut olmadığı artık bilinmektedir. Bu da onun daha da ağır olması gerektiği anlamına gelir.

Süpersimetri Tehlikede

Tüm bu nedenlerle süpersimetri teorisi şu anda büyük bir baskı altındadır.
Fizikçiler, Standart Model’i geliştirecek ve şu konuları açıklayabilecek:

• Higgs bozonunun kütlesi,

• Karanlık madde,

• Büyük Birleşik Kuramlar gibi konular, için yeni bir teoriye acil ihtiyaç duymaktadır.

Şu an için süpersimetriye güçlü bir alternatif geliştirilememiştir. Belki sonunda yine süpersimetri kazanacaktır. Ancak şimdilik fizikçiler, Standart Model’in sınırlamalarıyla çalışmak zorundadır.

Kaynak: space.com/standard-model-physics