Atom Altı Parçacıkların Kütleleri ve Vakum

Einstein'ın o meşhur E=mc^2 formülüne neredeyse ikokul öğrencileri bile aşinadır. Bu formül kütlenin enerjiye dönüşebileceğini, bu dönüşüm bir şekilde gerçekleştiğinde ise ne büyük miktarda enerji açığa çıkacağını anlatır. Bir miktar m kütleli durgun maddenin ışık hızı c'nin karesiyle çarpıldığında - ki ışık hızı saniyede 300bin km gibi çok yüksek bir değerdir - E kadar enerji elde ederiz. Bu E enerjisine maddenin "durgun kütle enerjisi" deriz.

Eğer parçacık fiziği ile ilgileniyorsanız, parçacıkları durgun kütle enerjileri cinsinden tanımlamak çok kolayınıza gelir. Bahsettiğimiz şeyler bizim günlük hayatımıza nisbetle son derece küçük yapılar olduğu için kütle vb. özelliklerini aşina olduğumuz birimlerle ifade edemeyiz. Örnek vermek gerekirse bilinen en ağır parçacığın -t kuarkının- kütlesi 3x10^-22 gramdır. Yani bir gramın 10trilyon kere milyarda biri kadardır. Böyle garip sayılar kullanmak yerine fizikçiler parçacıkların kütleleri yerine durgun kütle enerjilerini kullanırlar. Yukarıda bahsettiğimiz t kuarkının durgun kütle enerjisi 2,7x10^-6 joule, yani bir joule'ün milyonda üçü kadar bir değerdir. Enerji diliyle konuşmaya başladığımızda sayılar biraz anlaşılır olmaya başladı, ama hala çok küçükler. Birim olarak joule yerine GeV kullanalım:(1MeV=1,6x10^-10jolue). t kuarkının durgun kütlesi enerjisi (isterseniz "kütlesi" diyelim) 173 GeV'dir.

Etrafımızdaki bilindik herşeyi oluşturan maddenin hemen hemen tamamı atom çekirdeğinde bulunan proton ve nötronlardan ibarettir. 60kg kütleli bir insan 59,970 kg proton ve nötrondan, kalan 30 gramlık kısım ise elektrondan oluşur. Bu yüzden kütle dediğimiz şeyi anlamak için bir protonun yapısına odaklanalım.

Protonun Kütlesi

Bir protonun veya nötronun kütlesi yaklaşık 1GeV'dir. Parçacık hızlandırıcılarda protonların başka parçacıklarla çarpıştırılmasıyla, bilinenin aksine protonların kompozit yapılar olduğu ortaya çıktı. Yani protonları oluşturan daha küçük parçacıkların varlığı anlaşıldı. Günümüz fiziğine göre proton ve nötronları oluşturan iki tür parçacık var: u ve d kuarkları. Bu kuarkları bir arada tutan gluon adlı yapıştırıcı başka parçacıklar bulunmaktadır. Ama gluonlar, ışığı oluşturan fotonlar gibi tamamen kütlesizdir. Dolayısıyla bir protonun içindeki kuarkların kütlesinin toplamı, bize protonun kütlesini vermelidir. Ama durum hiç de göründüğü gibi kolay değil...

Bir protondaki kuarkların toplam kütlesine baktığımızda protonun toplam kütlesinin sadece yüzde 2'sine denk geldiğini görürüz. Öyleyse protona, nötrona dolayısıyla bütün bu maddeye kütle kazandıran şey nedir?

Kuantum Renk Dinamiği ve Vakum

Atom altı parçacıkların birbirleriyle etkileşimleri henüz tam olarak aydınlatılmış bir alan değildir. Ancak yine de gayet başarılı olan bir teori var elmizde: Kuantum Renk Dinamiği. KRD'ye göre kuark ve gluonlar, 3 tür yük taşımaktadır ve buna renk yükü ismi verilmiştir. Bizim bildiğimiz elektrik yükünden farklı olarak, iki değil, üç renk yükü vardır: kırmızı (r), yeşil (g) ve mavi (b) yükler. Tabii ki buradaki renk isimleri bildiğimiz anlamda renkler değiller. Ancak şöyle bir benzetim vardır: Tıpkı bu 3 rengin karışımından beyaz renk ortaya çıktığı gibi, kuarklar da öyle bir araya gelirler ki biz baktığımızda onların rengini göremeyiz, adeta bir tür beyaz olurlar; isterseniz renksiz görünürler diyelim. Örneğin bir protondaki üç kuarkın renk yükleri r, b ve g'dir ve bize renksiz bir proton olarak görünürler. Doğadaki gördüğümüz tüm parçacıklar renksizdir. 

Şimdi zihinsel bir deney yapalım ve bir protonu parçalayıp kuarkların rengini görmeye çalışalım: Bunun için protonumuzu çok hızlandırıp başka protonlarla çarpıştıralım. Çarpışma sonucunda da kuarkları görmeyi bekleyelim. Ancak çarpışmanın ardından çok acayip bir şey olur: Evet protonlar parçalanır, ama etrafa kuarklar saçılmaz... Etrafa başka protonlar ve renksiz bir sürü başka parçacıklar saçılır. (binbir çeşit mezonlar ve baryonlar, muonlar, elektronlar...) Ortamda olmadığını düşündüğümüz sayısız kuark bir anda ortaya çıkıvermiş, ve yeni yeni parçacıkların oluşmasına sebep olmuşlar. 

Çarpışma ile birbirinden ayrılmaları için zorladığımız kuarklar, birbirlerinden uzaklaştıkları anda bulundukları "ortamdan" başka kuarklar ile tutunarak yeni renksiz parçacıklar oluşturuverdi ve biz yine renkli bir parçacık göremedik. Kısacası, doğada bizim renkli parçacık görmemize izin verilmemektedir. İyi ama bu "ortam" nasıl bir ortam ki hiç yoktan yeni kuarklar sağlıyor, ortada olmayan yeni protonların, nötronların doğmasını sağlıyor?

 Aslında her an sayısız parçacığın sürekli var olup yok olduğu bir parçacıklar okyanusunun içinde bulunmaktayız. Ve normal şartlar altında asla bu ortamın farkına varamayız. Hatta o kadar ki, uzayda içinde bulunduğumuz bu ortama, "boşluk" anlamında vakum ismini vermişiz. Bu vakum ortamından bir parçacık çalabilmek için yukarda anlatıldığı gibi kuarkları birbirinden ayırmaya çalışalım. Yapışık kuarklar birbirlerinden ayrılmaya başladıkları hemen o anda vakumdan başka kuarklara yapışarak yeni bir renksiz parçacık oluştururlar. 

Çok ayrınıtısına girmeden somut bir örnek verelim: İçeriğinde yeşil renkli bir u kuark ve anti-yeşil renkli bir d kuark olan bir mezonumuz olsun. Bu mezonun iki kuarkını birbirinden uzaklaştırdığımız an, yeşil renkli kuark, vakumda bulunan anti-yeşil renkli başka bir kuarka yapışır, Boşta kalan anti-yeşil renkli d kuarkı da eş zamanlı olarak vakumdan başka bir yeşil renkli kuarkla yapışır. Sonuçta bir mezonu parçalamak isterken iki mezon elde etmiş oluruz. Bu olaya vakum diye bir şeyin varlığını ihmal ederek baktığımızda, yoktan madde yaratılmış algısı oluşur. Evet ortada bizim bildiğimiz anlamda olmayan bir kütle çıktı, bir mezon varken iki mezon oluştu ve kütle miktarı iki kat arttı. Ancak kütle-enerji dönüşümü açısından baktığımızda, başlangıçtaki mezonu parçalamak için harcadığımız enerji, yeni bir mezona dönüştü ve enreji korunumu yasası ihlal edilmedi!.

Gelelim Kütle Meselesine....

Peki bedenimizi, kullandığımız eşyaları, gördüğümüz sıradan maddeyi oluşturan proton ve nötronların içindeki kuarklar, vakum dediğimiz bu garip ortamla hiç etkileşime giriyor mu?

Eğer kuarkların kütleleri, protonun devasa kütlesini açıklamak için yetmiyorsa, gözümüzü kuarkların vakum ortamı ile ilişkisine çevirmemiz lazım demektir. Yine zihinsel bir deney yapalım:

Bir protonun iç yapısına daha yakından bakalım. Bu protonu oluşturan kuarklar sürekli protonu oluşturan diğer kuarklarla etkileşim halindedir. Ama nadiren, vakumda var olup yok olan görünmez kuarklarla da etkileşime girmesini bekleriz. Hatta doğrudan, bu vakum ortamına dalarak yok olmakta, sonra tekrar başka bir yerde ortaya çıkmaktadır. Nasıl ki vakumdaki görünmez kuarklar çok kısa anlar için yokluktan varlık alemine geliyor, sonra tekrar vakuma, yokluğa dalıyorsa; bizim protonumuzun kuarkları da çok kısa sürelerde yok olup tekrar var olmaktadır. Hatta protonun bir an için fotoğrafını çekmek mümkün olsa, protonu oluşturan u ve d kuarklarıyla beraber farklı kuarklar da görmemiz mümkündür. Çok kısa anlar için bu vakumdan gelen ekstra kuark çiftleri proton içinde var olup tekrar yok olabilirler.
Aynı şeyler kuarkları birbirine bağlayan gluonlar için de geçerlidir. Uzun lafın kısası, sürekli bu vakum ortamıyla etkileşim halindeyiz ve bu etkileşim sebebiyle, protonların özelliklerini açıklamak için kuarklara bakmak yeterli olmuyor. Basit bir analitik hesap yapar gibi, 3 kuarkın kütlesi 1 proton eder diyemiyoruz. O yüzden toplam 0.02 GeV kütleli kuarkların nasıl olup da 1 GeV kütleli protonu oluşturduğunu anlamak için kuarkların vakumla olan esrarengiz etkileşimini anlamamız gerekiyor.

Anlaşılması çok güç olan va çok karmaşık bir yapıya sahip olan vakum ile bildiğimiz anlamdaki sıradan maddeyi oluşturan parçacıkların etkileşimi, cevabı bilinmeyen bir çok soruyu da aydınlatacağa benziyor.

Ek: "Boşluk" olarak bildiğimiz ortamın aslında bizim kütlemizin büyük oranda kaynağı olduğunu açıklayan ingilizce bir video: http://www.youtube.com/watch?v=Ztc6QPNUqls