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?
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
Leave a Comment