Kuark

Sınıflandırma

Standart Model, günümüz itibarıyla bilinen tüm temel parçacıkları açıklayan bir teoridir. Bu model kuarkların (q); yukarı (u), aşağı (d), tılsım (c), garip (s), üst (t) ve alt (b) olmak üzere altı çeşnisini de kapsar. Kuarkların antiparçacıklarına antikuark denir ve karşılık gelen kuarkın sembolünün üzerine çizgi eklenerek gösterilir (örneğin yukarı kuark için anti kuark u ile gösterilir). Antimaddelerin genelinde olduğu gibi, antikuarklar da kendi kuarkı ile aynı kütleye, ortalama ömre ve spine sahip olsa da elektrik yükü ve diğer yükleri ters işaretlidir.
Kuarklar, spin ¹⁄₂ parçacıklarıdır ve bu da onların spin-istatistik teoremine göre fermiyon olarak tanımlanmasına yol açar. Dolayısıyla aynı iki fermiyonun aynı anda aynı kuantum durumunda bulunamayacağını söyleyen Pauli dışarlama ilkesine tabiidirler. Bu aynı kuantum durumunda çoklu sayılarda bulunabilen bozonların (tam sayı spinli parçacıklar) tersidir. Leptonlardan farklı olarak kuarklar, güçlü etkileşime girmelerini sağlayan renk yüküne sahiptirler. Farklı kuarklar arasındaki etkileşim, hadronlar olarak bilinen bileşke parçacıkların oluşmasını sağlar.
Hadronların kuantum sayılarını belirleyen kuarklara değerlik kuark denir. Bununla birlikte hadronlar, kuantum sayısına etki etmeyen sonsuz sayıda sanal (veya deniz) kuark, antikuark ve gluon barındırabilir. Üç değerlik kuarklı baryonlar ve bir değerlik kuark ile bir antikuarklı mezonlar olmak üzere iki farklı hadron ailesi vardır. En yaygın görülen baryonlar, atom çekirdeğini oluşturan proton ve nötrondur. Hadronların büyük bir bölümü bilinmekte olup (baryonlar listesi ile mezonlar listesi maddelerine bakınız) bunların çoğu kuark bileşenleri ve yapıtaşını oluşturan kuarkların kazandırdığı özelliklerle ayırt edilirler. Varlıkları, kuark modelinin oluşturulmasından beri tahmin edilen daha fazla değerlik kuarka sahip egzotik hadronlar olan pentakuarklar (
q
q
q
q
q
) 2015 yılında LHCb deneyi sırasında keşfedilirken tetrakuarkların (
q
q
q
q
) varlığı henüz ispatlanamamıştır.
Temel fermiyonlar, her biri ikişer lepton ve kuarkı kapsayan üç nesilden oluşur. Birinci nesilde yukarı ve aşağı kuark, ikinci nesilde tılsım ve garip kuark, üçüncü nesilde üst ve alt kuark yer alır. Kuarkların ve diğer temel fermiyonların dördüncü nesli ile ilgili araştırmaların tamamı başarısızlıkla sonuçlanmış ve üç nesilden fazlası olmadığına dair doğrudan olmayan kanıtlar mevcuttur. Daha yüksek nesillerde yer alan parçacıkların genellikle daha büyük kütleye ve daha az kararlılığa sahip olmaları, zayıf etkileşimler vasıtasıyla bozunarak daha küçük nesilli parçacıklara dönüşmesine yol açar. Sadece birinci nesildeki (yukarı ve aşağı) kuarklar doğada yaygın olarak bulunur. Daha ağır kuarklar sadece yüksek enerjili çarpışmalarda (kozmik ışınları içerenler gibi) yaratılabilir ve hemen ardından bozunur. Ancak bu parçacıkların, evrenin daha sıcak ve yoğun fazda olduğu Büyük Patlama'dan sonraki bir saniyenin ilk kesirlerin de bulundukları düşünülmektedir (kuark dönemi). Ağır kuarklar üzerine çalışmalar, parçacık hızlandırıcılar gibi yapay olarak yaratılmış koşullarda yürütülmektedir.
Elektrik yükü, kütle, renk yükü ve çeşniye sahip olan kuarklar çağdaş fiziğin dört temel kuvveti olan elektromanyetizma, kütle çekimi, zayıf etkileşim ve güçlü etkileşimin tamamıyla etkileştiği bilinen tek parçacık ailesidir. Ancak kütle çekimi, görece daha büyük enerji (Planck enerjisi) veya daha uzun mesafe (Planck uzunluğu) görülen durumların dışında atomik skalada etkisizdir. Geçerli bir kuantum kütle çekimi teorisi var olmadığından, kütle çekimi Standart Model ile açıklanamaz.

Geçmişi

Kuark modeli 1964'te, Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından, birbirlerinden bağımsız olarak ortaya atıldı. Öneri, Gell-Mann'ın 1961'de hazırladığı sekiz katlı yol ya da daha teknik bir ifadeyle SU(3) çeşni simetrisi olarak bilinen bir parçacık sınıflandırma sistemi formülasyonundan sonra geldi. Fizikçi Yuval Ne'eman da aynı yıl, bağımsız bir şekilde sekiz katlı yola benzer bir şema geliştirdi.
Kuark teorisi ortaya çıktığında, diğer parçacıklarla birlikte çok sayıda hadron da "particle zoo" dahilindeydi. Gell-Mann ve Zweig hadronların temel parçacık olmadıklarını, onun yerine kuarklar ve antikuarklardan oluşan bileşik parçacıklar olduklarını ortaya attılar. Modelleri; spin ve elektrik yüklerini tanımladıkları yukarı, aşağı ve garip kuark olmak üzere üç çeşniyi kapsıyordu. Önermeye fizik camiasından gelen ilk tepkiler karışıktı. Kuarkların fiziksel bir varlık mı yoksa o zaman için tam olarak anlaşılmayan bazı kavramların açıklanabilmesi için kullanılan bir soyutlama mı olduğu konusunda bir fikir ayrılığı vardı.
Bir yıl geçmeden Gell-Mann-Zweig modeli için birtakım genişlemeler önerildi. Sheldon Glashow ve James Bjorken, "tılsım" adını verdikleri kuarkların dördüncü çeşnisinin varlığını tahmin ettiler. Bu ekleme; yeni çeşninin zayıf etkileşimin (bu mekanizma kuarkların bozunmasına izin verir) daha iyi açıklanabilmesine olanak sağladığından, bilinen kuark sayısı ile bilinen lepton sayısını eşitlediğinden ve bilinen mezonların kütlelerinin doğru bir şekilde yeniden belirlenmesini sağlayan bir kütle formülü belirttiğinden dolayı önerilmişti.
Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezinde (SLAC) 1968 yılında yapılan derin inelastik saçılma deneyleri, protonun daha küçük, nokta benzeri parçacıklardan oluştuğunu ve böylece bir temel parçacık olmadığını gösterdi. O dönemde fizikçiler bu nesneleri kuarklar ile ilişkilendirmek konusunda tereddütlü olduklarından parçacıklar, Richard Feynman tarafından türetilen "parton" olarak adlandırdı. Bu deneyler sırasında gözlemlenen cisimler, diğer çeşnilerin de keşfedilmesiyle daha sonra yukarı ve aşağı kuark olarak tanımlanacaktı. Buna rağmen parton, hadronların bileşenlerini (kuarklar, antikuarklar ve gluonlar) tanımlayan ortak bir terim olarak kullanımda kaldı.
Garip kuarkın varlığı SLAC'deki saçılma deneyleri ile dolaylı olarak doğrulandı. Bu, Gell-Mann ve Zweig'ın üç kuark modelinin gerekli bileşeni olmasının yanı sıra, 1947'de kozmik ışınlarda keşfedilen kaon (K) ve pion (π) hadronları için de açıklama getirmekteydi. 1970'teki bir araştırmada Glashow, Yannis İliopulos ve Luciano Maiani; çeşni değiştiren nötr akımları açıklayan GIM mekanizmasını ortaya attı. Bu teorik model, henüz keşfedilmemiş tılsım kuarkın varlığına dair yeni kanıtlar oluşturmaktaydı. Var olması gerektiği düşünülen kuark çeşnisi sayısı 1973 yılında, Makoto Kobayashi ve Toshihide Maskawa başka bir kuark çifti olmasının, CP ihlalinin deneysel gözlemiyle açıklanabileceğini ifade etmesiyle altıya yükseldi.
Tılsım kuarklar Kasım 1974'te, Burton Richter önderliğindeki ekip tarafından SLAC'ta ve Samuel C. C. Ting önderliğindeki ekip tarafından Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda gerçekleştirilen farklı ve bağımsız deneylerde ilk kez tespit edildi. Tılsım kuarklar; mezonlarda, tılsım antikuarklara bağlı bir şekilde gözlemlendi. Keşfedilen meon için Ting'in J, Richter'ın ise ψ (psi) sembolünü kullanması nedeniyle mezonun resmî adı J/psi mezonu oldu. Bu keşifle birlikte kuark modelinin geçerliliği kabul görüldü.
İlerleyen yıllarda, kuark modelinin altı kuarka genişletilmesi için bir takım öneriler getirildi. Bunlardan Haim Harari 1975'teki makalesinde, diğer kuarklar için "üst" ve "alt" terimlerini kullanan ilk kişi oldu. Alt kuark 1977'de, Leon Lederman'ın liderliğindeki bir ekip tarafından Fermilab'da gözlemlendi. Bu, üst kuarkın varlığına dair bir göstergeydi; zira üst kuarkın yokluğunda alt kuark eşsiz kalmış olacaktı. Üst kuarkın gözlemlenmesi 1995'te, Fermilab'daki CDF ve DØ takımları tarafından gerçekleştirilen deneylerde yaşandı. Bu kuarkın kütlesi, daha önce öngörülenden daha büyüktü.

Elektrik yükü

Kuarklar kesirli elektrik yüküne sahiptir ve bu değer, çeşnisine bağlı olarak temel yükün (e) -¹⁄₃ ya da +²⁄₃ katı olabilir. Yukarı tip kuark adı verilen yukarı, tılsım ve üst kuarkların elektrik yükü +²⁄₃ iken; aşağı tip kuarklar olarak adlandırılan aşağı, garip ve alt kuarklar -¹⁄₃ elektrik yüküne sahiptir. Antikuarklar, eşlerinin tersi elektrik yüküne; yukarı tip antikuarklar -²⁄₃ ve aşağı tip antikuarklar ¹⁄₃ elektrik yüküne sahiptir. Bir hadronun elektrik yükü, barındırdığı kuarkların elektrik yükleri toplamına eşit olduğundan bütün hadronlar tam sayı yüklere sahiptirler. Üç kuarkın (baryonlar), üç antikuarkın (antibaryonlar) ve bir kuark ve bir antikuarkın (mezonlar) kombinasyonu her zaman tam sayı değerini vermektedir. Örneğin atom çekirdeğinin bileşenlerinden iki aşağı kuark ve bir yukarı kuarktan oluşan nötron 0, iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan oluşan proton ise +1 elektrik yüküne sahiptir.

Spin

Spin büyüklüğü, indirgenmiş Planck sabiti ħ biriminden olan bir vektörle gösterilebilir. Kuarklar için herhangi bir eksen boyunca spin vektörü bileşeninin ölçümü yalnızca +ħ/2 ya da -ħ/2 değerlerini verebildiğinden kuarklar spin ¹⁄₂ parçacıklar olarak sınıflandırılır. Spinin verilen bir eksendeki -genel kabulle z eksenindeki- bileşeni, +¹⁄₂ değeri için yukarı ok ↑ işareti ile ve -¹⁄₂ değeri için aşağı ok işareti ile ifade edilir. Örneğin z ekseni boyunca spini +¹⁄₂ olan bir yukarı kuark u↑ ile ifade edilir.

Güçlü etkileşim ve renk yükü

Kuantum renk dinamiğine göre kuarklar, renk yükü olarak adlandırılan bir özelliğe sahiptir. Renk yükünün mavi, yeşil ve kırmızı olmak üzere rastgele belirlenmiş üç türü bulunur. Bunlardan her biri, sırasıyla antimavi, antiyeşil ve antikırmızı olmak üzere birer antirenk ile tamamlanır. Her kuark bir renk taşırken her antikuark da bir antirenk taşır.
Üç rengin farklı kombinasyonları ile yüklenmiş kuarklar arasındaki çekme ve itme sistemi güçlü etkileşim olarak adlandırılır. Güçlü etkileşime, gluonlar denilen kuvvet taşıyıcı parçacıklar aracılık eder. Güçlü etkileşimi tanımlayan teori kuantum renk dinamiğidir. Herhangi bir renk değeri ile yüklenmiş bir kuark, ona karşılık gelen antirengi taşıyan antikuarkla birlikte bir bağlı sistem oluşturabilir; üç (anti)kuark, birer (anti)renk benzer şekilde bağ oluşturacaktır. İki çekici kuarkın sonucu renk nötrlüğü olacaktır ve renk yükü ξ olan bir kuark ile -ξ olan bir antikuarkın bir araya gelmesi 0 renk yükü (veya beyaz renk) ve bir mezon oluşumu şeklinde sonuçlanacaktır. Optikteki toplanır renk modeline benzer şekilde, her biri farklı renkten olan üç kuarkın veya üç antikuarkın kombinasyonu da beyaz renk yükü ve bir baryon veya antibaryon oluşumu şeklinde sonuçlanacaktır.
Modern parçacık fiziğinde ayar simetrileri, parçacıklar arası etkileşimlerle ilgilidir. SU(3) (genellikle SU(3)c şeklinde kısaltılır) rengi, kuarklardaki renk yüküyle ilgili ayar simetrisidir ve kuantum renk dinamiği için tanımlayıcı simetridir. Kuantum renk dinamiğinin fiziği, üç boyutlu renk uzayında hangi yönlerin mavi, kırmızı ya da yeşil olarak tanındığından bağımsızdır. SU(3)c renk dönüşümleri renk uzayındaki dönmelere denk gelir (matematiksel ifadeyle bir karmaşık uzay). Kuarkların renklerine göre fB, fG, fR alt türleri olan her kuark çeşnisi (f) bir triplet oluşturur: SU(3)c'ün temel temsili altında dönüşen üç bileşenli bir kuantum alanı. SU(3)c'ün yerel olması, güçlü etkileşimin özelliklerini, bilhassa kuvvet taşıyıcıları olarak sekiz gluon türünün varlığını belirler.

Kütle

Kuarkların kütleleri, kuarkın kendi başına olan kütlesini ifade eden çıplak kuark kütlesi ile, kuarkın ve onu çevreleyen gluon parçacık alanının kütlesinin toplamını ifade eden bileşik kuark kütlesi olmak üzere iki farklı şekilde gösterilmektedir. Çoğu hadronun kütlesi, kuarkların kütlelerinden ziyade kuarkları bir arada tutan gluonların kütlelerinden gelir. Gluonlar tabiatları gereği kütlesiz olurken sahip oldukları enerji (özellikle kuantum renk dinamiği bağlanma enerjisi), hadronların kütlelerinin çoğunluğunu oluşturmaktadır. Örneğin protonun 938 MeV/c² olan durgun kütlesine, bileşeni oluşturan üç değerlik kuarkın katkısı 11 MeV/c² iken geriye kalanın çoğu gluonların kuantum renk dinamiği bağlanma enerjisine atfedilebilir.
Standart Model'e göre temel parçacıkların kütleleri, Higgs bozonu ile bağlantılı olan Higgs mekanizmasından kazanır. Fizikçiler, kütlesi (~171 GeV/c²) olan üst kuarkın kütlesi üzerine yapılacak olan ilerki araştırmaların kuarkların ve diğer temel parçacıkların kütlelerinin orijinine dair daha fazla bilgi vereceğini düşünmektedirler.

Etkileşen kuarklar

Kuantum renk dinamiğinin tanımladığı gibi kuarklar arasındaki güçlü etkileşime, gluonlar olarak bilinen kütlesiz vektör ayar bozonları aracılık eder. Her bir gluon, birer renk yükü ile antirenk yükü taşır. Parçacık etkileşimlerinin standart referans sisteminde gluonlar, kuarklar arasında sürekli olarak sanal emisyon ve absorbsiyon yolları ile takas edilir. Bir gluon kuarklar arasında taşındığında, hem kuarkta hem de gluonda renk değişimi olur. Örneğin bir kırmızı kuark bir kırmızı-antiyeşil gluon yayarsa, yeşile ya da bir yeşil kuark bir kırmızı-antiyeşil gluon soğurursa kırmızıya dönüşür. Böylece, her kuarkın rengi sürekli değişirken güçlü etkileşim korunmuş olur.
Gluonlar renk taşıdıklarından, diğer gluonları yayma ve soğurma yetisine sahiptirler. Bu da asimptotik özgürlük olarak adlandırılan kuarkların birbirlerine yakınlaşırken aralarındaki renk dinamiği bağlanma kuvvetinin zayıflamasına sebep olur. Diğer taraftan kuarklar arasındaki mesafe arttığında bağlanma kuvveti de güçlenir. Renk alanı gerilmiş bir hâle gelir ve alanı güçlendirmek için uygun renkten daha çok gluon kendiliğinden yaratılır. Belli enerji eşiğinin üzerinde kuark ve antikuark çiftleri üretilir. Çiftler, ayrılmış kuarklar ile bağlanır ve yeni hadronların oluşmasına sebep olur. Kuarkların hiçbir zaman izole bir şekilde görülemeyeceğini söyleyen bu olgu renk hapsi olarak tanımlanmaktadır. Bu hadronlaşma süreci, yüksek enerjili çarpışmalarda oluşan kuarkların bir başka yolla etkileşime girmeye başlamasından önce meydana gelir. Buradaki tek istisna, hadronize olmadan önce bozunmaya uğrayabilen üst kuarktır.

Deniz kuarkları

Hadronlar, kuantum sayılarına katkıda bulunan değerlik kuarklar (qᵥ) ile birlikte, deniz kuarkları (
q
s) olarak bilinen sanal kuark-antikuark (qq) çiftleri içerir. Sanal kuark-antikuark çiftleri, hadronlardaki değerlik kuarkların çevresinde bir çeşit "bulut" veya "zırh" olarak nitelendirilebilecek biçimde olma eğilimindedir. Bu bulut sanal gluonlardan oluşan dıştaki başka bir katmanla tamamlanır. Bu katmanlar çevrelediği değerlik kuarka göre bir renk alır. Kuantum renk dinamiği, değerlik kuarkın antirengini taşıyan buluttaki sanal antikuarkların alanın içinde daha yakın olmalarını sağlar. Örneğin kırmızı bir kuark için, antikırmızı sanal antikuarklar, kırmızı sanal kuark eşlerinden ziyade kırmızı değerlik kuarka yakınlaşma eğiliminde olacaktır.

Kuark maddesinin diğer evreleri

Yeterli düzeyde uç şartlar altında, kuarklar hapisten kurtularak serbest parçacık haline gelebilir. Asimptotik özgürlük boyunca, yüksek sıcaklıkta güçlü etkileşim zayıflar. Nihayetinde renk hapsi kaybolacak ve serbest hareket eden kuarklar ve gluonların son derece sıcak bir plazması oluşabilecektir. Maddenin bu teorik evresine kuark-gluon plazması adı verilir. Bu durum için gerekli olan kesin koşullar bilinmemekle birlikte çeşitli tartışma ve deney konusu olmuştur. 2000'lerdeki tahminler, gerekli sıcaklığın (1,90±0,02)×10¹² kelvin olduğunu göstermektedir. 1980'lerde ve 1990'larda Avrupa Nükleer Araştırma Merkezinde (CERN) yapılan denemelere karşın şimdiye kadar serbest kuarklar ve gluonlar için gereken koşullara hiçbir zaman erişilememiştir. Öte yandan 2000'li yıllarda Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı'nda gerçekleştirilen deneyler sonucunda "neredeyse kusursuz" akışkan hareketi yapan sıvı benzeri kuark maddesi için kanıtlar bulunmuştur.
Kuark-gluon plazması, ağır kuark çiftlerinin sayı bakımından yukarı ve aşağı kuark çiftlerinden büyük farkla fazla olması ile nitelendirilebilir. Hadronların kararlı olamayacağı kadar yüksek bir sıcaklığa sahip olan Büyük Patlama sonrasındaki 10⁻⁶ saniyeden öncesinde, kuark dönemi olarak adlandırılan dönemde, evrenin kuark-gluon plazması ile dolu olduğu düşünülmektedir.
Yeterli düzeyde yüksek baryon yoğunluklarında ve görece düşük sıcaklıklarda kuark maddesinin, zayıf etkileşen kuarkların Fermi sıvısına yozlaşması beklenir. Bu sıvı renkli kuark Cooper çiftlerinin yoğunlaşması ve böylece de yerel SU(3)c simetrisinin kırılması ile karakterize edilebilir. Cooper çiftleri renk yükü barındırdıklarından, buna benzer kuark maddesi evreleri renk süperiletkeni olacaklar; renk yükü, kuark maddesinden hiçbir dirençle karşılaşmadan geçebilecektir.