M.Ö. 4. yüzyılın başlarında, Yunan filozof Demokritos fırında pişen ekmeğin kokusunu aldı ve ekmekten çok küçük bazı parçaların kopup havaya karıştığını sonra burnuna geldiğini düşündü. Bu küçük parçalara “atomlar” (“bölünemeyen” anlamına gelir) adını verdi ve onları minik küresel toplar olarak hayal etti. Fakat atomlar, küçük katı küreler değiller. Onlar bile parçacık adı verilen, daha küçük parçalardan meydana geliyorlar.

Bilimcilerin bu parçacıklara ve parçacıkları yönlendiren kuvvetlere getirdiği en iyi açıklama, parçacık fiziğinin standart modeli veya kısaca “Standart Model” olarak adlandırılır. Standart Model doğadaki bütün parçacıkları, tıpkı periyodik cetvelin elementleri sınıflandırdığı gibi sınıflandırır. Teorinin Standart Model olarak adlandırılmasının sebebi; parçacıkları açıklamakta çok başarılı olması ve bu nedenle standart haline gelmesidir. Fakat yine de anlaşılması gereken bazı tuhaflıklar da vardır (tabi birkaç büyük kusurla beraber). Bu da, teorinin sıklıkla “Neredeyse Her Şeyin Teorisi” olarak adlandırılmasının sebebidir.

Tüm Bunlar Nasıl Başladı?

20. yüzyılın başlarında, bilimciler doğada sadece 3 temel parçacığın olduğunu düşünüyordu; atom çekirdeğini meydana getiren protonlar ve nötronlar, bir de çekirdeğin çevresinde dolanan elektronlar. Fakat 50’li ve 60’lı yıllarda bilim insanları parçacıkları birbirleriyle çarpıştırmaya başladılar ve bazılarının parçalandığını gördüler. Sonuçta proton ve nötronların da daha küçük parçacıklardan oluştuğu ortaya çıktı. Düzinelerce yeni parçacık keşfedildi ve bir süre boyunca kimse bunları açıklayamadı. Fizikçiler buna “parçacık çiftliği” adını verdi.

1970’li yıllarda, Murray Gell-Mann gibi fizikçiler, bu parçacık kaosu içerisinde bir düzen keşfettiler. Attıkları bu adım, Rus kimyacı Dmitri Mendeleyev’in elementler arasında düzen bulmak için attığı adıma benziyordu. Parçacıklar arası bu yeni düzen, yeni keşfedilen parçacıkların özelliklerini açıklamayı başardığı gibi, daha da yeni parçaların öngörülmesini sağladı.

Aileyle Tanışalım

Standart Modeldeki parçacıklar büyük bir aile oluşturuyor. Bu aileyle ilk tanışma biraz göz korkutucu olabilir; bu biraz adını dahi duymadığınız uzaktan kuzenlerin de dahil olduğu bir toplantıya katılmak gibidir. Kuzenler ne kadar yabancı gelirse gelsin, hepsinin birbirleriyle akraba olduğunu bilmeniz önemlidir.

Temeller

Gell-Mann ve diğer fizikçiler parçacıkları iki ayrı kategoriye ayırmıştır: fermiyonlar ve bozonlar. Fermiyonlar (örneğin elektron) madde dediğimiz şeyleri meydana getirirler. Bozonlar (örneğin foton) kuvvetleri aktarırlar. Fermiyonlar da, etkileştikleri kuvvetlere göre iki ayrı sınıfa ayrılırlar. Bunlar da kuarklar ve leptonlar olarak adlandırılır.

Doğadaki kuvvetler

Parçacıklar, birbirleriyle dört farklı kuvvet sayesinde etkileşim kurarlar. Bunlar elektromanyetik kuvvet, güçlü nükleer kuvvet, zayıf nükleer kuvvet ve kütle çekim kuvvetidir. Standart Model bu kuvvetlerden ilk üçünü tanımlar. Kütle çekim kuvveti, Standart Model’e dahil değildir. Tıpkı insanların farklı dillerle iletişim kurmaları gibi, farklı parçacıklar farklı kuvvetler aracılığıyla iletişim kurarlar. Örneğin sadece kuarklar “gluon” dilini kullanırken; elektronlar “foton” dilini konuşabildikleri gibi, ayrıca “W bozonu” ve “Z bozonu” dillerini de konuşabilirler. Elektromanyetizma, elektronu atomun içerisinde tutan kuvvettir. Fotonlar aracılığıyla iletilir.

Güçlü nükleer kuvvet, atom çekirdeklerini bir arada tutar. Bu kuvvet olmasaydı, evrendeki her atom kendiliğinden patlayabilirdi. Gluonlar aracılığıyla iletilirler. Zayıf nükleer kuvvet ise radyoaktif bozunmaya neden olur. W ve Z bozonları aracılığıyla taşınırlar.

Temel parçacıklar

Kuarklar (tabloda mor renkte olanlar): 6 farklı çeşittedir ve hepsinin tuhaf isimleri vardır. Bunları, her bir çifti bir nesil olacak şekilde hatırlamak daha kolaydır. İlk nesilde “yukarı” ve “aşağı” kuarklar; ikinci nesilde “tılsım” ve “acayip” kuarklar; üçüncü nesilde “üst” ve “alt” kuarklardır. Günlük hayat için sadece yukarı ve aşağı kuarklar önemlidir, çünkü bunlar protonları ve nötronları meydana getirirler. Diğerleri atomu oluşturmak için oldukça kararsız olan “egzotik” maddeyi meydana getirirler. Fizikçiler, parçacık hızlandırıcılarda egzotik maddeyi üretebiliyorlar fakat bunlar genellikle bozulmadan önce saniyeden daha kısa süreler boyunca hayatta kalabiliyorlar.

Leptonlar: 6 tane lepton vardır, bunların en bilineni negatif yüklü küçük bir parçacık olan elektrondur.

İkinci nesil muon ve üçüncü nesil tau parçacıkları, elektronun daha kilolu versiyonları gibidir. Bu parçacıklar da negatif yüke sahiptir, fakat sıradan maddeyi oluşturmak için fazlasıyla kararsızdırlar. Ayrıca bu üç parçacığın da kendilerine karşılık gelen, yüksüz nötrino parçacıkları vardır.

Nötrinolar: Nötrinolardan özel olarak bahsetmek gerekiyor, çünkü kendileri belki de Standart Model’de en az anlaşılan parçacıklardır. Nötrinolar hızlıdır ama sadece zayıf nükleer kuvvet aracılığıyla etkileşim kurarlar. Bu da koca bir gezegenin içinden geçip gidebilecekleri anlamına gelir. Nötrinolar, nükleer tepkimeler sonucunda üretilirler.

Hadronlar: Bileşik parçacıklar Şimdi doğadaki temel parçacıkları tanıyoruz, artık daha büyük parçacıkları oluşturmak için, çeşitli yöntemlerle onları birleştirmeye başlayabiliriz. En önemli bileşik parçacıklar baryonlardır, üç kuarktan meydana gelirler. Protonlar ve nötronlar baryon türleridir. CERN’ün en büyük parçacık çarpıştırıcısı, protonları birbiriyle çarpıştırır. Protonlar birer hadron türü oldukları için, bu çarpıştırıcının adı da Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’dır (Large Hadron Collider - LHC).

Antimadde: Çift veya Hiç?

Bildiğimiz kadarıyla, tüm kuarklar ve leptonlar, antimadde ikizlerine sahiptir. Antimadde, normal madde gibidir ama zıt yüke sahiptir. Örneğin elektron aynı kütleye sahip bir zıttına sahiptir, fakat bu parçacık negatif değil pozitif yüklüdür. Bir normal madde parçacığı, kendi antimadde ikiziyle buluştuğunda, bir enerji parlamasıyla yok olurlar. Antimadde, teknolojide bazı önemli rollere sahip olsa da, evrende inanılmaz derecede nadir bulunur. Örneğin pozitron emisyon tomografisi (PET) tarayıcıları, vücut içerisini görebilmek için pozitronların yok olma sürecinden faydalanır. Fiziğin en büyük gizemlerinden biri, evrenin neden neredeyse tamamen normal maddeden meydana gelmiş olduğudur. Pek çok fizikçi hala buna bir cevap bulmaya çalışmaktadır.

Atomlar: Bileşiğin Bileşiği

Demokritos’un kokladığı ekmek, temel parçacıkların sadece ilk neslinden oluşmuştur. Yukarı ve aşağı kuarklar, protonları ve nötronları oluşturmak için güçlü nükleer kuvvet ile birbirlerine bağlanırlar ve güçlü kuvvet aynı zamanda çekirdeği oluşturmak için, protonlarla nötronları birbirine bağlar. Elektronlar ise, kuantum mekaniği tarafından belirlenen düzenlerde çekirdeğin etrafında dolanırlar.

Higgs Bozonu

Muhtemelen tablonun sağ tarafında yalnız başına duran parçacığı fark etmişsinizdir: Higgs parçacığı. Higgs parçacığı, parçacıklara kütle kazandıran özel bir tür parçacıktır. Teoriye göre, uzayda her yeri dolduran bir alan vardır. Parçacıklar uzayda hareket ettikleri zaman, bu alana rastlamaya eğilimlidirler ve bu etkileşim onları yavaşlatır. (Suyun içinde, havanın içindekinden daha zor hareket etmeye benzer şekilde.) Bu etkileşim, parçacıklara kütlelerini kazandıran olaydır. Foton ve gluon gibi bazı parçacıklar, Higgs alanıyla etkileşime girmezler, dolayısıyla kütlesizdirler. Fotonların elektromanyetik kuvveti ilettikleri gibi, Higgs bozonları da Higgs Alanı’nı iletirler.

Higgs Bozonu 2013 yılına kadar teorik bir parçacıktı. 2013 yılında CERN, Higgs parçacığının sonunda bulunduğunu duyurdu, fakat özellikleri bilim insanları tarafından araştırılmaya hala devam ediyor.

Neler Eksik?

Kütleçekim- Standart Modeldeki en büyük gedik, kütleçekimin eksikliğidir. Doğanın bu dördüncü kuvveti, mevcut resme uymamaktadır. Kütleçekim aynı zamanda diğer kuvvetlere kıyasla oldukça zayıftır. Örneğin, güçlü nükleer kuvvet, kütleçekim kuvvetinden 10³⁸ kat daha güçlüdür. Fizikçiler kütleçekimin de, graviton adında bir tür parçacıkla iletildiğini düşünmektedir, fakat şimdiye kadar varlığına dair herhangi bir kanıt bulunamamıştır.

Nötrino kütlesi- Nötrinolar, diğer tüm parçacıklara kıyasla çok küçüktür, bu nedenle bir açıklamaya gerek duymaktadırlar. Nötrinoların, diğer parçacıklar kütlesini Higgs alanından almıyor olması muhtemeldir.

Karanlık madde-  Evrene dair gözlemler, evrenin büyük bir yüzdesinin 'Karanlık Madde'den oluştuğunu düşündürmektedir. Karanlık madde, normal maddeyle etkileşime girmeyen yeni bir tür maddedir ve muhtemelen Standart Model’de yer almamaktadır.

Süpersimetri- Bazı fizikçiler, bu gizemleri açıklamak için Standart Model’e eklentiler yapma arayışındadır. Süpersimetri, her parçacığın daha yüksek kütleli bir ikizinin olduğunu öne süren bir eklentidir. Bu parçacıkların bir kısmı, sıradan maddeyle çok zayıf bir şekilde etkileşime girer, bu nedenle karanlık madde için uygun aday olabilirler.