İçeriğe geçmek için "Enter"a basın

Standart Model

Standart Model, fermiyonlardan ve bozonlardan oluşan temel parçacıklarla ilgili bir fizik kuramıdır. Model doğadaki üç temel kuvveti de açıklar: Elektromanyetizma, zayıf nükleer kuvvet ve güçlü nükleer kuvvet. Ancak model, kütleçekim kuvvetini açıklamaz.

Standart Model, dünya çapında pek çok biliminsanının katkısıyla 20. yüzyılın ikinci yarısında aşamalar halinde geliştirildi. Güncel formülasyon kuarkların varlığının deneysel olarak doğrulanmasıyla 1970’lerin ortasında gerçekleşti. O zamandan beri üst kuarkın (1995), tau nötrinonun (2000), Higgs bozonunun (2012) doğrulanması Standart Model’e daha da güven kazandırdı. Ayrıca Standart Model zayıf nötr akımla W ve Z bozonlarının bazı özelliklerini büyük doğrulukla tahmin etmiştir.

Her ne kadar Standart Model kendi içinde tutarlılık ve deneysel çalışmalarda büyük başarı göstermiş olsa da, bazı olayları açıklamaktan yoksun kalarak temel etkileşimlerin tam bir kuramı olamamıştır. Standart Model’le ilgili aşağıda listelenen eksiklikler bulunmaktadır.

  • Baryon asimetrisini tam olarak açıklayamaz.
  • Genel göreliliğin öngördüğü şekilde kütleçekim kuvvetiyle tamamen bütünleşmemiştir.
  • Muhtemelen karanlık enerjinin neden olduğu evrenin genişlemesi olayını açıklayamamıştır.
  • Gözlemsel evrenbilimin gerektirdiği tüm özelliklere sahip uygun bir karanlık madde parçacığı yoktur.
  • Nötrino salınımları ve sıfır olmayan kütleleri modele dahil değildir.

Standart Model’in gelişimine deneysel ve kuramsal fizikçiler öncülük etmişlerdir. Kuramcılara göre Standart Model kendiliğinden simetri kırılması, ayrıklık ve tedirgemeli olmayan davranışlar gibi fizik dallarını kapsayan kuantum alan kuramının bir yaklaşımıdır.

Standart Model hipotetik parçacıklar, ekstra boyutlar ve süpersimetri gibi simetriler kullanan egzotik kuramlar geliştirilirken temel alınır. Böylelikle karanlık madde ve nötrino salınımları gibi, Standart Model’le uyumsuz deneysel sonuçlar açıklanmaya çalışılır.

Tarihsel Arka Planı

Standart Model’e giden ilk yol 1961’de Sheldon Glashow’un elektromanyetik ve zayıf etkileşimleri birleştiren bir yol keşfetmesiyle açıldı. 1967’de Steven Weinberg and Abdus Salam’ın Higgs mekanizmasını Glashow’un elektrozayıf etkileşimiyle birleştirmesiyle Standart Model ortaya çıktı.

Higgs mekanizması Standart Model’deki temel parçacıklara kütle kazandırır. Buna W ve Z bozonlarının kütlesiyle kuarkları ve leptonları kapsayan fermiyonların kütlesi de dahildir.

Z bozonunun neden olduğu elektrozayıf akımların CERN’de 1973’teki keşfinin ardından elektrozayıf kuram genel kabul gördü. Bunun üzerine 1979’da Glashow, Salam ve Weinberg Nobel Ödülü’nü paylaştılar. W± and Z0 bozonları 1983’te deneysel olarak keşfedildiler. Üstelik kütleleri de Standart Model’in öngördüğü gibiydi.

Kuantum renk dinamiğini kuramsal araştırmanın odağı yapan asimptotik özgürlük özelliğinin önerilmesiyle, güçlü etkileşim kuramı (diğer bir deyişle kuantum renk dinamiği) 1973–74 yıllarında modern halini aldı ve hadronların kesirli elektrik yüküne sahip kuarklardan oluştuğu deneylerle doğrulandı.

Standart Model terimi ilk olarak Abraham Pais and Sam Treiman tarafından dört kuarklı elektrozayıf kurama atıf yapmak için 1975’te kullanıldı.


Standart Model
(Görüntüyü büyütmek için yeni sekmede açabilirsiniz.)

Fermiyonlar

Fermiyonlar etrafımızda gördüğümüz maddeyi oluşturan parçacıklardır. Fermiyonların yük ve kütle gibi kolaylıkla gözlemlenebilen özellikleri vardır. Bunlara ek olarak o kadar da kolay gözlenemeyen zayıf yük, hiperyük ve renk yükü gibi özellikleri de vardır. Bu özelliklere kuantum sayısı denen sayılır verilir. Fermiyonların spinleri tekil pozitif sayıların ikiye bölünmüş halleridir: 1/2, 3/2, 5/2… Yani fermiyonlar yarım tam sayı spine sahiptirler.

Fermiyonların en önemli özelliği Pauli dışarlama ilkesine uymalarıdır. Bu ilkeye göre iki fermiyon aynı yerde aynı zamanda bulunamaz. Çünkü bir atomdaki fermiyonların hiçbiri aynı kuantum sayısına aynı anda sahip olamaz. Fermiyonlar ayrıca Fermi-Dirac istatistikleriyle de uyumludurlar.

Fermi-Dirac İstatistikleri, fizik biliminin bir parçası olarak Pauli Dışarlama İlkesi’ne uyan eş parçacıkları içeren sistemdeki bir parçacığın enerjisini tanımlar.

Fermiyonların 12 tipi vardır ve tiplerin her birine çeşni denir:

  • Kuarklar — Yukarı, tılsım, üst, aşağı, garip, alt.
  • Leptonlar — Elektron, müon, tau, elektron-nötrino, müon-nötrino, tau-nötrino. (Elektron en çok bilinen leptondur.)

Kuarklar üç gruba ayrılırlar ve hep her gruba nesil denir. Yukarı ve aşağı birinci nesil, tılsım ve garip ikinci nesil, üst ve alt üçüncü nesildir.

Madde atomlardan oluşur. Atomlarsa proton, nötron ve elektronlardan oluşurlar. Proton ve nötronlar da aşağı ve yukarı kuarklardan oluşurlar. Leptonlar tek başlarına bulunabilirken, kuarklar tek başlarına bulunmazlar. Bunun sebebi kuarkların renk yükü tarafından bir arada tutulmasıdır.

Bozonlar

Bozonlar temel parçacıkların ikinci türüdür. Tüm bozonların spinleri tam sayıdır: 1, 2, 3… Yani birçoğu aynı yerde aynı zamanda bulunabilir. Bozonlar da kendi içinde yük taşıyıcı ayar bozonları ve Higgs bozonu olarak ikiye ayrılır. Ayar bozonları doğanın temel kuvvetlerini mümkün kılan şeylerdir. Fermiyonları etkileyen her bozonun bunu yapabilmesinin sebebi fermiyonlar arasında kuvvet taşıyan ayar bozonlarıdır.

Bozon ismi, Hint fizikçi Satyendra Nath Bose’u onurlandırmak için konulmuştur. Standart Model’e göre:

  • 12 fermiyon ve bunların antiparçacıkları vardır.
  • 12 ayar bozonu vardır: 8 gluon, foton, W+, W ve Z.

Temel Kuvvetler

Doğada bilinen 4 temel kuvvet vardır. Standart Model bu kuvvetlerden üçünü açıklarken, kütleçekim kuvveti bunun dışında kalır.

  • Güçlü Etkileşim: Bu kuvvet proton ve nötron gibi hadronları oluşturan kuarkları bir arada tutar. Güçlü kuvvetin taşıyıcı parçacığı gluondur. Kuarkların, güçlü kuvvetin ve gluonların kuramına kuantum renk dinamiği denir. Protonları ve nötronları tutan bu kuvvet atomların çekirdeğinin bir arada kalmasını sağlar. Bu kuvvet iki kuarktan oluşan mezonlardan oluşur.
  • Zayıf Etkileşim: Bu kuvvet fermiyonların çeşnisini değiştirir ve beta bozunmasına sebep olur. Zayıf kuvvet üç ayar bozonu tarafından taşınır: W+, W ve Z.
  • Elektromanyetizma: Bu kuvvet elektrik, manyetizma ve ışığı da kapsayan elektromanyetik radyasyonu açıklar. kuvvetin taşıyıcı parçacığı fotondur. Elektron, foton ve elektromanyetizmanın birleştiği kurama kuantum elektrodinamiği denir.
  • Kütleçekim: Bu, Standart Model’in açıklayamadığı tek temel kuvvettir. Taşıyıcı parçacığı gravitondur. Ancak gravitonun varlığı henüz kanıtlanmamıştır.

Zayıf ve güçlü kuvvetler sadece atom çekirdeğinde görülürler. Yaklaşık olarak bir proton genişliğindeki küçük mesafelerde çalışırlar. Elektromanyetik kuvvet ve kütleçekim kuvveti herhangi bir mesafede çalışırlar. Ancak etkilenen nesne uzaklaştıkça bu kuvvetlerin gücü azalır.

Kaynak 1
Kaynak 2