Standart Model -Teori ve Yasalar


Standart  Model,  bildiğimiz  dört kuvvetten (şiddetli kuvvet, elektromanyetik kuvvet, zayıf kuvvet ve kütle çekim  kuvveti)  üçünü  açıklayabilen (şiddetli  kuvvet,  elektromanyetik  kuvvet ve zayıf kuvvet) bir kuramdır.  Kütle çekiminiyse bu kuram açıklayamaz. Bu eksiklik, Standart Model’in en büyük eksikliklerinden biridir ve pek çok bilim  insanını  Standart  Model’in  ötesinde başka kuramlar  aramaya  itmektedir.  





Standart Model’e  göre,  elektromanyetik  kuvvet,  elektrik  yükü  olan bütün  kuvvetler  tarafından  hissedilir, ve fotonların elektrik yükü olan parçacıklar arasında alışverişi sonucu ortaya çıkar. Nötronların, gluonların ve Z bozonunun  elektrik  yükü  olmadığı  için elektromanyetik  kuvveti  hissetmezler. Foton,  her  ne  kadar  elektromanyetik kuvvetin  taşıyıcısı  olsa  da,  kendisi elektrik  yükü  taşımadığı  için  foton, elektromanyetik  kuvveti  hissetmez. Bununla beraber bir foton, elektrik yükü taşıyan bir parçacık ve onun karşı parçacığına bölünebilir.
Bütün  kuarklar  ve  leptonlar  zayıf kuvveti  hissederler,  yani  zayıf  etkileşim  yükleri  vardır.  Zayıf  etkileşimler, W bozonların alışverişi sonucu ortaya çıktığı gibi, Z bozonun alışverişi sonucu  da  ortaya  çıkarlar. Protonun  elektrik yükünün 2/3 katı elektrik yüküne sahip u, c ve t kuarklar, artı yüklü bir W+bozonu  yayıp  veya  eksi  yüklü  bir W-bozonu  ile birleşip, protonun elektrik yükünün -1/3 elektrik yüküne sahip d, s veya b kuarklardan birine donüşebilir.  Benzer  şekilde  d,  s  veya  b kuark bir W-bozonu yayıp veya bir W+ bozonu  ile  birleşip  bir  u,  c  veya  t kuarka dönüşebilir. Bu dönüşümlerin aynı  kuark  ailesi  içinde  olması,  farklı aileler arasında olmasından daha olasıdır. Eğer zayıf etkileşim Z bozonu alışverişi sonucu ortaya çıkarsa, o zaman parçacık  türünde  bir  değişim  olmaz. Bu oldukça basit görünen sonuç Standard Model’in büyük başarılarından biridir. Standart Model oluşturulana kadar  kadar  yapılan  gözlemler,  bir kuarkın  aynı  yükü  taşıyan  bir  başka kuarka  dönüşmediğini  gösteriyordu. “Tat değiştiren nötr akımların olmaması”  denen  bu  olay,  doğal  bir  şekilde Standard Model tarafından açıklanmıştır. Standart Model’e göre bu tür geçişler doğada çok ender gerçekleşmeliydi ve daha gelişmiş hızlandırıcılarda yapılan daha hassas deneyler Standart Model’in  bu  tahminini  doğruladı.  Zayıf kuvveti elektromanyetik kuvvetten ayıran bir diğer özelliğiyse, zayıf kuvveti ortaya çıkaran Z ve W bozonlarının zayıf yük taşımalarıdır. Bir başka deyişle, bu bozonlar da zayıf kuvveti hissederler,  ve  zayıf  yük  taşıyan  başka  parçacıklar  ile W  ve  Z  bozon  alışverişinde bulunabilirler.

Standart Model’in açıkladığı üçüncü  kuvvet/etkileşim  ise,  şiddetli  kuvvettir. Bu  kuvveti  sadece  kuarklar  ve gluonlar hissederler. Daha önce de belirtildiği gibi, bu kuvvet kuarkları birbirine  bağlayarak  (yapıştırarak)  proton, nötron ve diğer hadronların oluşmasını sağlarlar. şiddetli kuvvetin yüküne  “renk”  adı  verilir.  Kuarklar  üç farklı  renkte  olabilir:  kırmızı,  sarı,  ve mavi.  

Standart Model içinde en az anlaşılmış olan kuvvet, şiddetli kuvvettir. Bunun  en  büyük  nedeni,  kuramsal tahminlerde  bulunabilmek  için  genelde  kullanılan  yöntemlerin  çoğunun, kuvvetin  zayıf  olduğunu  varsaymasıdır. Oysa şiddetli kuvvet, şiddeti bakımından  kendisine  en  yakın  olan  kuvvet  olan  elektromanyetik  kuvvetten 100 kat daha kuvvetlidir.şiddetli kuvveti  taşıyan  gluonlar  da  renk  yüküne sahiptirler ve bu sebeple renkli olan diğer  parçacıklarla  gluon  alışverişinde bulunabilirler. 

Yukarıda  hızlandırıcılarda  gözlemlenen  parçacıklar  sayılırken  kuarklar ve gluonlar sayılmadı. Bu bir ihmal değil; gerçekten de şimdiye kadar tek bir kuark veya  tek bir gluon gözlemleme çalışmaları  boşa  çıktı.  Günümüz  bilim insaları  bunu  “bütün  renkli  parçacıklar,  beyaz  renkli  grupların  içine hapsolmuşlardır” diyerek anlatırlar.


Standart Model  Başarı ve Başarısızlıklar

Bütün kuramlar gibi, Standart Model´in de başarısı veya başarısızlığı, kuramsal hesaplarla deneysel ölçümler katşılaştırılarak bulunur. Gözlemlenen parçacıklarla ilgili bütün güncel özellikler, Particle Data Group (http://pdg.lbl.gov) denen bir grup tarafından düzenli aralıklarla yayınlanır. En son 2006 yılında yayınlanan parçacık özellikleri kitapçığı, 1200 sayfadan daha kalındır. 

Bu kitapta deneyde gözlemlenen bütün parçacıkların kütleleri, manyetik etkileşmeleri, bozunmaları gibi binlerce veri bulunmaktadır. Bu veriler, kuramsal hesaplarla kıyaslandığında, şimdiye kadar Standart Model´den herhangi bir sapma gözlemlenmemiştir. Standart Model´in en büyük başarılarından biri olarak gösterebileceğimiz, elektronun anomal manyetik momenti, deneysel olarak 11 anlamlı basamağa kadar ölçülmüştür. Ve bunlardan sadece son iki basamağında hata payı bulunmaktadır. Kuramsal olarak yapılan hesaplar da yine bu hassasiyete kadar yapılabilmektedir ve hesaplarla deney, ölçüm hata payları çerçevesinde uyuşmaktadır. Dünyanın nüfüsunu düşünecek olursak, bu dünya nüfusunu hiç hataya yer vermeden tahmin etmeye denktir. 
Bu kadar başarılı bir kuram olduğuna göre, fizikçilerin yeni kuram arayışları bitmiş midir? Bu sorunun yanıtı kesin bir "hayır"! Standart Model, her ne kadar bütün hızlandırıcılardan elde edilen verileri açıklayabilse de, bilim insanlarını tatmin etmeyen pek çok eksikliği de var. Bu eksikliklerin bir kısmını kavramsal eksiklikler olarak düşünebiliriz: 

Serbest Parametreler: Standart Model´i oluştururken, temel parçacıkların kütlelerinin, etkileşme şiddetlerinin, ve bunlar gibi 30 kadar parametrenin bilinmesi gerekir. Standart Modeli kullanarak kuramsal bir tahminde bulunabilmek için, bunların deneylerde ölçülmesi lazım. Standart Model bu parametrelerin değerleri hakkında hiç bir şey söyleyemez. Niye leptonun kütlesi, elektronun kütlesinin yaklaşık 200 katı? Niye bütün nötrinolarin kütlesi bu kadar küçük? Niye a ile gösterilen elektromanyetik etkileşme sabitini içeren sabit, düşük enerjilerde neredeyse a -1/137? Bu soruların cevapları Standart Modelin içinde yer almaz. 

Hiyerarşi problemi: Bu problemi kısaca "kütleçekim kuvveti niye bu kadar zayıf" diye de sorabiliriz. Kütleçekimi, elektromanyetik kuvvetten 1040 kat daha zayıftır. Eğer bir şekilde hem kütle çekimini hem de Standart Model´i içine alacak şekilde bir kuram yazmayı başarırsak, bu kadar fark doğal bir şekilde nasıl ortaya çıkabilir?



















Üç Farklı Kuvvet: Her ne kadar Standart Model, üç farklı kuvveti de içinde barındırsa da, bu üç farklı kuvvet tam anlamıyla birbirleri ile karışmamışlardır: Her birinin kendi kuvvet taşıyıcı bozonları ve her birinin şiddetini belirleyen kendi etkileşme sabiti vardır. Bu bakımdan, Standart Model yamalı bir bohçaya benzetilebilir: Üç farklı kuvvet birbirine yamanmıştır. Kuvvetler arasındaki bu fark nereden gelmekte? Bilim tarihinde, Maxwell denklemlerini yazmadan önce elektrik ve manyetik kuvvetin farklı kuvvetler olduğu düşünülüyordu. Oysa, Maxwell göstermiştir ki, bu iki kuvvet de aslında aynı kuvvetin farklı iki yüzüdür, ve ikisi de aynı etkileşme sabitiyle açıklanabilir. Aynı bütünleşmeyi Standart Model için yapabilir miyiz? 



Elektron ve karşı parçacığı pozitron karşılaştıklarında birbirlerini yok ederek gama ışını
yayıyorlar . Büyük Patlama´nın ilk anlarında da Evren´de eşit miktarda bulunduğu düşünülen madde ve anti madde bu şekilde birbirlerini yok ettiler . Ancak, bu yok oluşun ardından çok küçük bir madde fazlalığı kaldı . Evrende gördüğümüz tüm gök adalar , yıldızlar , gezegenler ve bizler , varlığımızı bu yok oluştaki küçük asimetriye borçluyuz. 

Aile Problemi: Doğa niye kendini aileler şeklinde tekrarlamıştır? Doğal olarak bulunan bütün parçacıklar, sadece u ve d kuarklarla elektron ve onun nötrinosundan oluşmaktayken, niye iki tane daha kuark ve lepton ailesi var? Farklı ailelerin kütleleri niye birbirinden farklı? Lepton ve kuark aile sayıları niye birbirine eşit? Sadece bir raslantı mı? Bu son soruya verebileceğimiz kuramsal bir cevap vardır: eğer her bir kuark ailesine bir lepton ailesi eşlik etmezse, kuram kendi içerisinde çelişkiler içerir. bu cevap her ne kadar bir soruya kısmen bir cevap vermekteyse de, başka sorular ortaya çıkarmaktadır: Doğa bizim yazdığımız kuramların tutarlı olmasını neden istesin? 

Higgs Problemi: Standart Model´i, tutarlı bir kuram olarak yazabilmek için, fizikçiler, Higgs parçacığı adı verilen, spini olmayan bir parçacığın daha olduğunu varsaymak zorundalar. Bu parçacık olmasaydı, gözlemlediğimiz hiç bir parçacığın kütlesi olamazdı. Bunun, bizim için önemli sonuçlarından birisi de, elektronun da kütlesi olmayacağı için, atomlar oluşamayacaktı ve bildiğimiz anlamda bir hayattan bahsedemeyecektik. 

Standart Model bakımındansa bu parçacık, bulmacayı tamamlayan son parçadır; şayet bu parçacık bulunamazsa, Standart Model´de köklü değişiklikler yapmak zorunda kalacağız.   Higgs problemi, bir başka yönüyle de hiyerarşi problemiyle ilgilidir. 

Parçacıklar, başka parçacıklarla etkileşime girdikleri zaman kütleleri değişir (renormalize olur). Bu değişimi Higgs parçacığı için hesapladığımızda, bu değişiklik 1019  GeV6 dir (milyar eletronvolt). Oysa deneysel verilerden biliyoruz ki, Standart Model´in Higgs parçacığının kütlesi 150 GeV den küçük olmalıdır. Bunu elde edebilmek için, Higgs parçacığının kütlesi, en başta 1019 GeV mertebesinde olmalıdır ki, başka parçacıklarla olan etkileşimlerden gelen düzeltmelerle toplandığında birbirlerini sadeleştirsinler ve geriye ilk baştaki kütleden 1017  kat daha küçük bir sayı kalsın. Bu kadar hassas bir sadeleştirmenin olmasıysa oldukça olasılık dışıdır. Eğer kütle çekimi çok daha düşük enerji düzeyinde önemli olsaydı, ya da bir başka deyişle, çok daha kuvvetli olsaydı, bu problem karşımıza çıkmayacaktı. Evrendeki Madde-Anti-Madde Asimetrisi: Gözlemleyebildiğimiz kadarıyla, evren maddeden oluşmuştur. Anti maddese yok denecek kadar azdır. Madde ve anti-madde arasındaki bu fark nereden gelmektedir? Bu fark evren ilk oluştuğunda var mıydı, yoksa sonradan mı oluştu? Eğer kolay cevabı seçip, evrenin ilk oluştuğunda bu farkın olduğunu kabul etmezsek, bu farkı açıklamamız gerekmektedir. Standart Model içerisinde madde-anti-madde arasındaki bu farklılığı bir ölçüye kadar açıklayabilecek mekanizmalar vardır, ancak Standart Model içindeki bu mekanizmalar, madde-anti-madde arasındaki bu farkı tam olarak açıklamakta yeterli değildir. Bu fark nereden gelmiştir?

Bu problemler, her ne kadar fizikçilerin mantıklı, ön kabullere dayanmayan bir çözüm aradığı problemler olsa da, hepsini doğanın yapısı, ve büyük raslantılar olarak da görebiliriz. "Doğa böyleymiş" deyip işin içinden çıkabiliriz. Standart Model´in, başka eksikliklerindense, bu kadar kolay kaçamıyoruz: 

Kütle Çekimi: Standart Model, kütle çekim kuvveti hakkında hiçbir öngörüde bulunmaz. Kütle çekimi bilinen kuvvetler arasındaki en zayıf olanıdır; elektromanyetik kuvvetten 1040  kat daha zayıftır. Bu kadar zayıf olduğu için, şimdiye kadar yapılan hızlandırıcı deneylerinde etkileri gözlemlenemedi. Ancak evreni anlamaya çalıştığımızda en önemli kuvvet olarak karşımıza çıkar. Bunun sebebi, bazen çeken bazen iten kuvvetler olan diğer kuvvetlerin tersine, kütleçekim kuvveti her zaman için kütleleri birbirine çeken bir kuvvettir. Bu gezegen boyutundaki nesneleri gözönüne aldığımızda, hissedilen tek kuvvettir. Kütle çekiminin Standart Model içinde yer almaması büyük bir eksikliktir. Bugüne kadar kütle çekimini Standart Model´e ekleme çabaları boşa çıktı ve kütle çekimini açıklayabilmek için bambaşka kuramlar öne sürüldü. Bunlardan en çok gelecek vaat edeni Süper Sicim kuramıdır.

Karanlık Madde: Gökadaları gözlemlediğimizde, parlaklıklarından faydalanarak, yıldızların toplam kütlesi hakkında tahminde bulunabiliriz. Kütle hakkında tahminde bulunmamızın bir başka yöntemi de, gökadaların etrafında dönen cisimlerin dönme hızına bakmaktır. Bu hız gökadanın kütlesini elde etmemize yarar. Bu iki farklı yöntemle elde edilen kütleler arasında çok büyük fark vardır. bu farkı açıklayabilmek için, evrenin, bizim göremediğimiz bir maddeyle dolu olduğu öne sürüldü. Şu anki tahminler, evrenin kütlesinin %23´ünün bu göremediğimiz maddeden oluştuğunu söylemektedir. Bu madde, şimdiye kadar, Standart Model tarafından açıklanan hiçbir parçacıkla açıklanamadı.

Karanlık enerji: 1990 yılında yapılan gözlemler, evrenin hızlanarak genişlediğini gösterdi. Bildiğimiz maddelerin kütle çekim kuvvetleri hep birbirlerini çekecek şekilde olduğu için, bildiğimiz maddenin evrenin genişleme hızını yavaşlatması gerekir. Gözlemlenen hızlanmayı açıklayabilmek için, evrenin her tarafının negatif basınçlı bir enerji ile dolu olması gereklidir. Tahminlere göre bu enerji evrendeki toplam maddenin %73´ünü oluşturur. Bu enerjinin yoğunluğu, uygun birimlerde 10-120  mertebesindedir. Oysa Standart model dahil pek çok modelin, vakum enerjisi için tahmini, aynı birimlerde, 1 civarındadır. Karanlık enerjinin toplamda bu kadar fazla olmasının nedeni, yoğunluğunun fazla olmasından çok, bütün evreni kaplıyor olmasıdır. Karanlık maddenin de evrendeki toplam maddenin %23´ü olduğu düşünülürse, Standart Model, evrendeki toplam kütlenin sadece %4´ünü açıklayabilir. Göründüğü gibi, fizikçileri Standart Modelin son model olmadığına ve daha tam bir teorinin olabileceğine inanması için yeterli sebep vardır. 

Kaynak: Bilim Teknik


Hiç yorum yok

Blogger tarafından desteklenmektedir.