Temel Partiküller ve Etkileşimlerin Standart Modeli

Atomaltı partiküller (parçacıklar), bağımsız olarak ömürleri çok kısa olduğu için normal şartlar altında gözlemlenemezler. Bu amaçla oluşturulan parçacık hızlandırıcısı denilen dev düzeneklerde, yüksek elektriksel alan etkisi ile hızlandırılmış partiküllerin magnetik alan etkisi ile odaklanarak çarpıştırılması ile ortaya çıkan farklı partiküller incelenebilir hale getirilmeye çalışılır. Bu işlemlerin yapılmasında ve yaratılan çarpışmalarda ortaya çıkan enerji miktarları çok büyük olduğundan partikül fiziği yüksek enerji fiziği olarak da adlandırılır.

Modern partikül fiziği genellikle, Standart Modeli ve olası çeşitli uzantılarını araştırır, inceler; örneğin, bilinen en yeni partikül ‘Higgs bozon’un keşfine, veya bilinen en eski kuvvet ‘gravite’ye kadar uzanır. SM'in en büyük başarısı atomaltı partiküllerin özellikleri ile aralarındaki etkileşmelerine ait gözlenebilir nicelikleri büyük bir hassasiyetle tahmin edebilmesidir.
Partikül fiziğindeki partikül kavramı, klasik fizikten gelen bazı kavramlardan biridir. Fakat aynı zamanda madde ve enerjinin kuantum skaladaki davranışlarını da yansıtır.

Aşağıda verilen şekillerde Standart model elementer partiküllerin detaylı şematik diagramları görülmektedir. Higgs bozonu, kuark ve leptonlar (üç jenerasyonu) ve geyç bozonlarının, isimleri, kütleleri, spinleri, yükleri, kiraliteleri ve güçlü, zayıf ve elektromagnetik kuvvetlerle etkileşimleri verilmiş, Higgs bozonunun elektrozayıf simetri kırılmasındaki önemli rolü de belirtilmiştir. Çeşitli partiküllerin özellikleri (yüksek enerjili) simetrik fazda ve (düşük enerjili) kırılmış simetri fazında farklıdır.


Şekil-1: Standart model ve çeşitli olası uzantıları
Şekil-2: Standart model elementer partikülleri diyagramı: 
(a) Higgs bozonu, (b) kuark ve leptonların üç jenerasyonu, (c) geyç bozonları

Denemeler ışığın, dalga gibi özellikler göstermesi yanında bir partiküller (fotonlar) akımı segilediğini de göstermiştir. Bu davranışlar dalga-partikül kavramıyla açıklanmıştır; kuantum skaladaki partiküller hem partikül ve hem de dalga özelliği gösterirler. Diğer bir kavram, konum ve momentum gibi bazı özelliklerin eşzamanlı doğru olarak ölçülemeyeceğini söyleyen belirsizlik prensibidir. Daha sonraki çalışmalar dalga-partikül ikiliğinin sadece fotonlara değil çok sayıda masif partiküllere de uygulanabileceğini göstermiştir.

Kuantum alan teorisinin iskeletini oluşturan partiküllerin etkileşimi, uygun temel etkileşimlerde kuantanın yaratılması ve yok edilmesidir. Bu gözlemler, partikül fiziği alan teorisiyle bir araya getirir.


Çekirdek


Fermiyonlar

Leptonlar  spin = ½
Flavor
Kütle GeV/c2
Elekt-rik yükü
ne
elektron
nötrino
<1 x 10-8
0
e
elektron
0.000511
-1
nm
müon
nötrino
<0.0002
0
m
müon
0.106
-1
nt
tau
nötrino
<0.02
0
t
tau
1.7771
-1
Kuarklar  spin = ½
Flavor
~Kütle GeV/c2
Elekt-rik yükü
u
yukarı
<1 x 10-8
0
d
aşağı
0.000511
-1
cm
tılsım
<0.0002
0
s
acaip
0.106
-1
t
üst
<0.02
0
b
alt
1.7771
-1


Bozonlar

Elektrozayıf spin = 1

Kütle GeV/c2
Elektrik yükü
g foton
0
0
W-
80.4
-1
W+
80.4
+1
Z0
91.187
0
Kuvvetli (renk)  spin = 1

~ Kütle GeV/c2
Elektrik yükü
g gluon
0
0


Baryonlar qqq ve Antibaryonlar `q`q`q

Baryonlar fermiyonik hadronlardır. ~120 kadar baryon tipi vardır
Sembol
Adı
Kuark içeriği
Elektrik yükü
Kütle GeV/c2
Spin
p
proton
uud
1
0.938
1/2
`p
antiproton
`u`u`d
-1
0.938
1/2
n
nötron
udd
0
0.940
1/2
L
lambda
uds
0
1.116
1/2
W-
omega
sss
-1
1.672
3/2


Mezonlar q`q

Mezonlar bozonik hadronlardır. ~140 kadar mezon tipi vardır
Sembol
Adı
Kuark içeriği
Elektrik yükü
Kütle GeV/c2
Spin
p+
pion
u`d
+1
0.140
0
K-
kaon
s`u
-1
0.494
0
r+
rho
u`d
+1
0.770
1
B0
B-sıfır
d`b
0
5.279
0
hc
eta-c
c`c
0
2.980
0


Etkileşimlerin Özellikleri

Etkileşim
Gravitasyonal
G = 6.67 x 10-8 cm-3 g-1 s-2
Zayıf Kuvvet
Elektromagnetik Kuvvet
Güçlü Kuvvet
Elektrozayıf Kuvvet
Temel
Kalıntı
Etki alanı
kütle-enerji
flavor
elektrik yükü
renk yük

Denenmiş partiküller
tüm partiküller
leptonlar kuarklar
elektrik
yüklüler
kuarklar gluonlar
hadronlar
Aracı partiküller
graviton (henüzgözlenmedi)
W+ W- Z0
g
gluonlar
mezonlar
Kuarklar skalasında kuvvet: 2 kuark için
10-18 m’de
10-41
0.8
1
25
kuarklara uygulanmaz
3x10-17m’de
10-41
10-4
1
60
Protonlar/Nötronlar skalasında kuvvet: 2 proton için (çekirdekte)
10-14 m’de
10-36
10-7
1
hadronlara uygulanmaz
20


Şekil-3'de, önemli bazı etkileşim prosesleri şematik olarak tanımlanmıştır: Şekil-3a’da bir nötron bir bozon aracılığıyla bir proton, bir elektron ve bir antinötrinoya  bozunur; bu proses nötron b bozunumudur. Şekil-3b, bir elektron ve bir pozitron (antielektron) yüksek enerjiyle çarpışarak yok olurken, virtual bir Z bozonu veya virtual bir foton yoluyla B0 ve `B0  mezonları ütretimini gösterir. Şekil-3c, yüksek enerjiyle çarpışan iki protonun çeşitli hadronlar ve Z bozonlar gibi kütleleri çok yüksek partiküllerin oluşma (bu tür olaylar nadirdir, ancak maddenin yapısı için önemlidir) prosesidir.


Şekil-3: (a) nötron b bozunumu, (b) B0 ve `B0  mezonları ütretimi, (c) hadronlar ve Z bozonlar üretimi prosedleri


9 Eylül 2019


GERİ (astrofizik)
GERİ (partikül fiziği standart model)
GERİ (standart Model)