Bir zamanlar elementlerin periyodik cetveli, evreni oluşturan temel yapı taşlarının tablosu olarak kabul ediliyordu. Bugün artık biliyoruz ki, element atomlarının da bir iç yapısı var. Yani onlar da çok daha küçük yapı taşlarından meydana geliyor. İşte Standart Model bu en temel yapı taşlarını betimleyen kuramdır. Üstelik sadece madde parçacıklarını değil, bu parçacıkların etkileşimlerini sağlayan kuvvet taşıyıcı parçacıkları da içerir. Ne yazık ki tek ve büyük bir eksiği var; o da kütleçekim kuvvetini kapsamına alamaması.

Standart Model'e baktığımızda oldukça tenha olduğunu görüyoruz. Maddenin yapı taşı olarak 6 tane kuark ve 6 tane leptondan başka bir şey yok. Bunların yanında madde etkileşimlerini sağlayan kuvvetlerin taşıyıcısı olarak foton (elektromanyetik kuvvet), gluon (güçlü çekirdeksel kuvvet) ve W ile Z bozonları (zayıf çekirdeksel kuvvet) yer alıyor. Tabi bir de ünlü Higgs bozonu var ki, onu ne madde parçacığı olarak ne de kuvvet taşıyıcı olarak sınıflandırmak mümkün değil; nevi şahsına münhasır bir varlık.

Evrendeki canlı ve cansız her şeyin yapısının en derininde bu küçük nesneler bulunuyor. Elektromanyetik kuvvet, güçlü çekirdeksel kuvvet, zayıf çekirdeksel kuvvet ve kütleçekim kuvveti olarak adlandırılan dört temel kuvvetin etkisiyle kuark ve leptonlar tüm evreni biçimlendiriyorlar. Kütleçekim, standart modele dahil edilememiş olan tek kuvvet. Fizikçileri meşgul etmeye devam eden bu problemden bilim camiasında kütleçekim kuvvetinin kuantum kuramının arayışı olarak söz ediliyor. Einstein'ın Genel Görelilik Kuramı, kütleçekim kuvvetinin uzay-zamanın geometrisinin sonucu olduğunu söylemişti. Bu düşünceyi kuantum mekaniği ile ifade edebilmeyi ise henüz başarabilen çıkmadı.

Parçacık Nesilleri

Madde parçacıklarının kuarklar ve leptonlar olmak üzere iki tür olduğunu belirtmiştik. İkisi de altışar üyeli olan bu yapıtaşı sınıfları, birbirlerinin kütlece farklı versiyonları olan ikililerden oluşmuş üç nesil olarak düşünülüyor. Kuarklarda birinci nesil yukarı ve aşağı kuark, ikinci nesil cazibeli ve garip kuark, üçüncü nesil üst ve alt kuark olarak adlandırılan parçacıklardan oluşuyor. Kuarkların ayrıca renk olarak adlandırılan bir özellikleri de var ama bu elbette bizim bildiğimiz anlamda renkleri olması demek değil. Renklerinin önemi, sadece birbirlerini nötrleyerek renksiz parçacıkları oluşturacak şekilde kuark birlikteliklerinin olabilmesinde yatıyor.

Benzer biçimde lepton nesillerinin de birincisinde elektron ile elektron nötrinosu, ikincisinde müon ile müon nötrinosu ve üçüncüsünde de tau ile tau nötrinosu var. Bu sınıflandırmaya göre ilk nesiller en hafif ve en kararlı parçacıkları içerirken, ikinci ve üçüncü nesillerde giderek ağırlaşan ve kararsızlaşan parçacıklar bulunuyor. Evrende gördüğümüz tüm kararlı maddenin temel yapısında sadece ilk nesil kuark ve leptonlar var.

İlk Nesiller ve Atom

Periyodik tabloda sıralanan elementleri, yani evrende varolan atom türlerini birbirinden ayıran tek bir ölçüt vardır: Proton sayısı. Tablonun sol üstteki ilk elemanı olan Hidrojen çekirdeğinde 1 proton vardır. Sağ üstteki ikinci eleman Helyum'da 2 proton, alt sıranın başındaki Lityum'da 3 proton vardır ve tablo bu şekilde ilerler.

Bilebildiğimiz kadarıyla, bu gerçeği ilk tahmin eden William Prout olmuştur. 1800'lerin ilk yarısında, Prout tüm diğer atomların Hidrojen atomlarından oluştuğunu sezmiş ve temel birim olarak Hidrojen çekirdeğine protyle adını vermişti. 1920'de protonun deneysel keşfini gerçekleştiren Rutherford, Prout'un isimlendirmesine saygı ile keşfettiği parçacığa proton adını vermiştir.

1932 yılında James Chadwick tarafından nötronun da keşfedilmesi ile birlikte atomun yapısının nükleon düzeyindeki durumu ortaya çıkmış oldu: Proton (zorunlu) ile nötrondan (zorunlu değil) oluşmuş bir çekirdek ve bu çekirdek etrafında ama epey uzaklarda bulunan elektron bulutu (zorunlu değil).

Peki acaba proton, nötron ve elektron temel yapıtaşları mıydı? Yoksa onların da bir iç yapısı olabilir miydi? Bölünebilirler miydi? 1964 yılında Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından birbirlerinden bağımsız olarak "kuark modeli" ortaya atıldı. Buna göre proton ve nötron temel parçacık olmayıp, kuarklardan oluşan nesnelerdi. İlerleyen yıllarda yapılan hızlandırıcı deneylerinde 6 adet kuark deneysel olarak keşfedildi. Üç kuarkın bir araya gelmesi ile oluşan (proton ve nötronun da içinde bulunduğu) parçacıklar sınıfına baryon, bir kuark ile bir antikuark (antimadde kuark) bileşimi olan parçacıklara mezon adı verildi. Mezon ve baryonların tümü birden ise hadron olarak anılmaya başlandı. Uzunca bir süre kuarkların sadece bu iki biçimde bir arada kalabildikleri düşünülmüştü fakat geçtiğimiz yıllarda dört kuarklı ve beş kuarklı alışılmadık yapıların da varolabildiği anlaşıldı.

Elektrona gelirsek, nötrinosu ile birlikte şu an halen temel parçacık olarak kabul ediliyorlar. İçinde bulundukları parçacık sınıfı lepton olarak adlandırılıyor ve diğer iki nesil akrabalarını da kapsıyor.

Standart Modelin Ötesindeki Yeni Fizik

Standart Model'in günümüzdeki şeklini alışının öyküsü epey uzun. Modelin ilk elemanı, fizikçi J.J. Thomson'ın 1897'de keşfettiği elektron olmuştu. Son eklenen üye ise 2012 yılında İsviçre'deki CERN laboratuvarının Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda keşfedilen Higgs Bozonu oldu. Burada sürdürülen çalışmalar sonucunda Standart Model'in yanıtlayamadığı sorulara ilişkin ipuçlarının yakalanması ve modeli aşan Yeni Fizik kuramlarının yolunun açılması umuluyor.