Kuarklar

Kuarklar ve leptonlar, maddeyi oluşturan yapıtaşlarıdır; yani “temel parçacıklar” olarak kabul edilirler. Şu anki standart modelde, kuarkların altı “çeşni”si vardır. Bilinen tüm mezonları ve baryonları (200’den fazla) başarıyla açıklayabilmektedirler. En tanınmış baryonlar proton ile nötrondur; her ikisinin de bileşiminde yukarı ve aşağı kuarklar bulunur. Kuarkların sadece iki kuarkın (mezon) veya üç kuarkın (baryon) bileşimi hâlinde bulunduğu gözlemlenmiştir. Yakın zamanda, beş kuarklı parçacıkların (pentakuark) gözlemlendiğine ilişkin iddialar da vardır ancak ileri deneylerle bunun doğruluğu kanıtlanmış durumda değildir.

Kuark

Simge

Spin

Yük

Baryon
sayısı

S

C

B

T

Kütle*

Yukarı

U

1/2

+2/3

1/3

0

0

0

0

1.7-3.3 MeV

Aşağı

D

1/2

-1/3

1/3

0

0

0

0

4.1-5.8 MeV

Cazibe

C

1/2

+2/3

1/3

0

+1

0

0

1270 MeV

Gariplik

S

1/2

-1/3

1/3

-1

0

0

0

101 MeV

Üst

T

1/2

+2/3

1/3

0

0

0

+1

172 GeV

Alt

 

B

1/2

-1/3

1/3

0

0

-1

0

4.19 GeV(MS)
4.67 GeV(1S)

*Kütleler pek ciddiye alınmamalıdır; çünkü kuark hapsi, kütlelerini doğrudan ölçmek için onları yalıtamayacağımız anlamına gelir.  Kütlelerin saçılma deneylerinden dolaylı olarak anlaşılması gerekir. Tablodaki sayılar, daha önce alıntı yapılan sayılardan çok farklıdır ve Journal of Physics G, Review of Particle Physics, Particle Data Group’taki Temmuz 2010 özetine dayanmaktadır. Bir özet LBL sitesinde bulunabilir. Bu kütleler, kuark modelinde proton üç kuarklı olduğu için U ve D’nin kütlelerini proton kütlesinin yaklaşık 1/3’ü olarak ele alan eski yaklaşımlardan güçlü bir uzaklaşmayı ifade etmektedir. Alıntılanan kütleler modele bağlıdır ve alt kuarkın kütlesi iki farklı modelden alıntılanmıştır. Ama başka bileşimlerde, farklı kütle katkıları olur. Pionda, bir yukarı ve bir anti-aşağı kuark sadece 139.6 MeV’lik kütle enerjili bir parçacık verirken, ro taşıyıcı mezonunda aynı kuark kombinasyonunun 770 MeV kütlesi vardır! C ve S’nin kütleleri Serway’dendir; T ve B’nin kütleleri ise keşfedildikleri deneylerin betimlemelerindendir.

Kuarkların altı “çeşni”sinin her biri, üç farklı “renk”ten birine sahip olabilir. Kuark kuvvetleri, üç kuarkın (baryon), kuark-antikuark çiftlerinin (mezon) ve muhtemelen pentakuark gibi yine renksizlik ölçütüne uyan daha büyük bileşimlerin sadece “renksiz” kombinasyonlarında çekicidir. Kuarklar, W bozonlarının değiş-tokuşuyla dönüşümler geçirir ve bu dönüşümler, hadronların zayıf etkileşimle bozunumlarının oranını ve yapısını belirler.

 

 

Dizin

Parçacık kavramları

Kaynaklar:
Serway
Ch. 47

Rohlf
Ch. 17

Griffiths
Ch. 1

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği

R Nave

Geri Dön





Neden "Kuark"?

"Kuark" adı, Murray Gell-Mann tarafından, James Joyce’nin "Finnegan's Wake" kitabından seçilmiştir. Bu acayip kitapta "Muster Mark’a üç kuark..." satırı vardır. Gell-Mann, temel parçacıkların sınıflandırılması konusundaki çalışmasıyla 1969 Nobel Ödülü’nü almıştır.

Dizin

Parçacık kavramları

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği

R Nave

Geri Dön





Yukarı ve Aşağı Kuarklar

Yukarı ve aşağı kuarklar, en yaygın ve en küçük kütleli kuarklar olup, protonların ve nötronların yani bildiğimiz maddenin yapıtaşlarıdır.

 

Serbest nötron bozunumları olgusu


ve aşağıdaki gibi süreçlerde beta bozunumu ile çekirdeklerin bozunması

Daha temel bir kuark işleminin sonucu olarak düşünülür.

 

Dizin

Parçacık kavramları

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği

R Nave

Geri Dön





Garip Kuark

1947’de kozmik ışın etkileşimleri üzerine bir inceleme sırasında, bir çekirdek-proton çarpışmasının ürününün beklenenden çok daha uzun ömürlü olduğu fark edildi: 10-23 saniye beklenirken 10-10 saniye bulunmuştu! Bu parçacığa lambda parçacığı (Λ0) adı verildi ve onun bu kadar uzun yaşamasına neden olan özelliğe “gariplik” dendi; sonra da bu ad lambda parçacığını meydana getiren kuarklardan birinin adı olarak kaldı. Lambda, üç kuarktan oluşan bir baryondur: bir yukarı, bir aşağı ve bir garip kuark.

10-23 saniyelik daha kısa bir ömür bekleniyordu çünkü bir bayon olarak lambda güçlü etkileşimde bulunur ve bu da sıklıkla böyle çok kısa ömürlere yol açar. Gözlemlenen uzun yaşam süresi, böyle bozunumlar için “garipliğin korunumu” olarak adlandırılan yeni bir korunum yasasının geliştirilmesine yardım etmiştir. Bir parçacıkta bir garip kuark bulunması S=-1 şeklinde bir kuantum numarası ile belirtilir. Güçlü ve elektromanyetik etkileşimler sonucu oluşan parçacık bozunumları, gariplik kuantum numarasını korur. Lambda parçacığının bozunum süreci bu kuralı çiğnemelidir çünkü garip kuark içeren daha hafif bir parçacık yoktur; o yüzden söz konusu süreçte garip kuarkın bir başka kuarka dönüşmesi gerekir. Bu sadece zayıf etkileşimle gerçekleşebilir ve bu da daha uzun bir ömre yol açar. Bozunum süreçleri garipliğin korunmadığını göstermektedir:

Bu bozunum süreçlerini başarmak için gereken kuark dönüşümleri, Feynman diyagramlarının yardımıyla görselleştirilebilir.

Üç garip kuarktan oluşan bir baryon olan omega-eksi, parçacıkları tanımlamada “renk” adı verilen özelliğin gerekliliğine klasik bir örnektir. Kuarklar spinleri ½ olan fermiyonlar olduklarından, Pauli dışarlama ilkesine uymak zorundadırlar ve özdeş durumlarda bulunamazlar. Dolayısıyla üç garip kuarkla, onları birbirlerinden ayıran özelliğin en az üç ayrı değer alabiliyor olması gerekmektedir.

Garipliğin korunumu elbette bağımsız bir korunum yasası değildir; ancak yük, izospin ve baryon sayısının korunumlarının bir bileşimi olarak düşünülebilir. Çoğu zaman, şöyle tanımlanan hiperyük Y cinsinden ifade edilir:

Izospin ile ya hiperyük ya da gariplik, hadronlar için parçacık diyagramları çizmek için sıklıkla kullanılan kuantum sayılarıdır.

Dizin

Parçacık kavramları

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği

R Nave

Geri Dön





Cazibeli Kuark

1974 yılında J/Psi parçacığı  adı verilen bir mezon keşfedildi. Protonunkinin üç katından fazla olan 3100 MeV’lik kütlesiyle bu parçacık, cazibeli kuark olarak adlandırılan bir başka kuarkın ilk örneğiydi. J/Psi parçacığı, bir cazibe-anticazibe kuarkı ikilisidir.

Bir cazibeli kuark içeren en küçük kütleli mezon D mezondur. Bozunması için zayıf etkileşim yoluyla cazibeli kuarkın garip kuarka dönüşmesi gerektiğinden, ilginç bozunum örnekleri verir.

Bir cazibe kuarkı içeren bir baryon lambda olarak adlandırılıp Λ+c simgesiyle gösterilir. Bileşimi udc olup, kütlesi 2281 MeV/c2 değerindedir.

Dizin

Parçacık kavramları

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği

R Nave

Geri Dön





Üst Kuark

Üst kuarkın gözlemine ilişkin ikna edici kanıt, Nisan 1995’te Fermilab'ın Tevatron tesisi tarafından raporlanmıştır. Kanıt, proton-antiproton çarpıştırıcısında 0.9 TeV protonların eşit enerjili antiprotonlarla yaptığı çarpışma ürünlerinde bulunmuştur. Kanıt, trilyonlarca 1.8 TeV’lik proton-antiproton çarpışmasının analizini gerektirmiştir. Çarpıştırıcı Algıç Tesisi grubu öngörülen 23 arkaplan üstünden 56 üst adayı bulurken, D0 grubu ise öngörülen 3.8 arkaplan üzerinden 17 olay bulmuştur. Üst kuarkın kütlesi için çalıştırmanın tamamlanmasının ardından iki grubun verilerinin birleştirilmesiyle elde edilen değer 174.3 +/- 5.1 GeV’dir. Bu, bir protonun kütlesinin 180 katından fazladır ve bir sonraki en ağır temel parçacık olan 93 GeV’lik Z0 taşıyıcı bozonunun kütlesinin yaklaşık iki katıdır.

Etkileşim şöyle tahayyül edilir:

Dizin

Parçacık kavramları

Kaynak:
Ladbury


D-Zero

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği

R Nave

Geri Dön





Kuark Hapsi

Hiç kimse yalıtılmış bir kuark görmüş değilse, kuark modelinden nasıl bu kadar emin olunabilir? Doğrudan gözlem olmamasının haklı nedenleri vardır. Belli ki renk kuvveti, diğer gözlemlenmiş kuvvetlerden farklı olarak uzaklıkla azalmamaktadır. Aslında uzaklıkla, fermi başına 1 GeV civarında bir oranla artıyor olabileceği postüla edilmiştir. Serbest bir kuark gözlemlenmemiştir çünkü ayrışma gözlemlenebilir bir ölçekte olduğu sırada, enerji kuark-antikuark çiftlerinin çift oluşum enerjisinin çok üstünde olur. U ve D kuarkları için kütleler 10’larca MeV’dir; dolayısıyla çift oluşumu bir fermiden çok daha düşük uzaklıklarda gerçekleşecektir. Çok yüksek enerjili çarpışma deneylerinde bir sürü mezon (kuark-antikuark çifti) beklersiniz ve gözlemlenen de budur.

Esasında, yalıtılmış bir kuark göremezsiniz çünkü renk kuvveti onların gitmesine izin vermez ve onları ayırmak için gereken enerji, ayrı ayrı gözlemlemek için yeterince uzak olmalarından çok önce kuark-antikuark çiftleri üretir.

Kuark hapsinin görselleştirilme çeşitlerinden birine “çanta modeli” adı verilir. Kuarkları elastik bir çantanın içindeymiş gibi düşünülür; birbirlerinden uzağa çekiştirilmedikleri sürece kuarklar çantanın içinde serbestçe gezinir ama eğer bir kuark çekilip alınmaya çalışılırsa, çanta esner ve direnç gösterir.

Kuark hapsine bir başka bakış şekli de Rohlf tarafından ifade edilmiştir. "Bir protondan bir kuark çekip almayı denediğimizde, örneğin kuarka başka bir enerjik parçacık çarptırdığımızda, kuark güçlü etkileşimden ileri gelen ve uzaklıkla artan bir potansiyel enerji engeli deneyimler." Alfa bozunumu örneğinin gösterdiği gibi, parçacık enerjisinden daha yüksek bir engelin olması parçacığın kaçışını önlemez; kuantum mekaniksel tünelleme 6 MeV’lik alfa parçacığının 30 MeV’lik engelden geçebilmesi için sonlu bir olasılık verir. Ama alfa parçacığı için enerji bariyeri tünellemenin etkili olmasına yetecek kadar incedir. Kuarkın yüz yüze kaldığı bariyer söz konusu olduğunda, enerji bariyeri uzaklıkla azalmayıp, aksine artar.

Dizin

Parçacık kavramları

Kaynak:
Rohlf
Sec 6-6

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği

R Nave

Geri Dön





Alt Kuark

1977’de, Fermilab’da Leon Lederman liderliğindeki bir deney grubu, upsilon mezon adı verilen ve bir alt-altialt kuark ikilisi olarak yorumlanan yeni bir rezonansı 9.4 GeV/c^2’de keşfetti. Bu deneyden yapılan çıkarıma göre, alt kuarkın kütlesi 5 GeV/c^2 civarında olmalıydı. İncelenen tepkime şuydu:

Burada N bir bakır veya platin çekirdeğiydi. İzgeölçer yaklaşık %2’lik müon-çifti kütle çözünürlüğüne sahipti ki bu da onların 9.4 GeV/c^2’de bolca olay ölçmesine olanak tanıyordu. Bu rezonans daha sonra diğer hızlandırıcılarda, alt-antialt mezonun bağlı durumları ayrıntılı bir şekilde araştırılarak incelendi.

Dizin

Parçacık kavramları

Kaynak:
Rohlf
Ch. 17

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği

R Nave

Geri Dön