Standart Model

Standart model (SM), maddenin çok küçük mesafelerde ve çok yüksek enerjilerde nasıl davranacağını en iyi anlatan, deneylerle defalarca sınanmış bir çatı kuramdır. Bu kuram, temel parçacıklardan oluşan bir koleksiyonun birbirleri arasındaki etkileşimleri tarif eder. "Temel" parçacık derken, bu parçacıkların içinde kendilerinden daha küçük yapıların olmadığı kast edilir.

Moleküller atomların bir araya gelmesinden oluşur. Atomlar yörüngelerindeki elektronlar tarafından şekillenir. Elektronlar atom çekirdeği etrafında döner. Çekirdek ise proton ve nötronlardan oluşur. Bu ikisi de kuark ve gluonlardan yaratılmıştır. Bugün deneylerde elde ettiğimiz veriler bizlere daha öte minik parçacıkların olmadığını gösterdi (şimdilik!). İşte kuarklar, gluonlar (ek olarak, elektronlar, fotonlar...) gibi daha alt yapılarının olmadığını düşündüğümüz parçacıklar "temel" veya "noktasal" parçacıklardır. SM parçacıkları olarak da adlandırılan bu parçacıkların, eğer bir gün daha alt bileşenlere sahip oldukları keşfedilirse, temel olma özelliklerini kaybedeceklerdir. Tıpkı daha önce atoma, atom çekirdeğine, proton ve nötrona olduğu gibi.

Temel parçacıklar üç kategoride ele alınır: madde, kuvvet taşıyıcılar ve Higgs bozonları. Terminolojide ise bunlar fermiyon, ayar bozonları ve Higgs bozonları olarak geçer. Fermiyonlar ve ayar bozonları, spin olarak adlandırılan "belirli" bir açısal momentum taşırlar. Açısal momentum bir cismin ne kadar çabuk veya ne kadar enerjik döndüğünün bir ölçüsüdür. Bütün temel parçacıklar, sabit bir değerin (ћ) yarım veya tam katları kadar miktarda spin taşır. Tüm ayar bozonları tam katlı spine (1ћ), tüm fermiyonlar da yarım katlı spine (ћ/2) sahiptir. Çift sayıda fermiyonun bir araya gelmesiyle kompozit bir bozon üretmek mümkündür (mezonlar gibi). Tek sayıda fermiyon da bir araya gelerek kompozit fermiyonlar oluşturabilir (proton veya nötron gibi). Spin, uzay-zamana bağlı bir kuantum sayısıdır. Bir de iç kuantum sayıları vardır, yükler gibi.

6 adet kuark ve 6 adet lepton olmak üzere toplamda 12 temel fermiyon vardır: 

6 kuark (u,d,s,c,b,t): bunlar "elektrik" yükü, "çeşni" yükü ve "renk" yükü taşırlar.

Leptonlar: elektron, muon, tau, nispeten ağırdırlar, elektrik yükü ve lepton yükü taşırlar. Elektron nötrinosu, muon nötrinosu ve tau nötrinosu ise son derece hafiftirler ve sadece lepton yükü taşırlar.

Bir de spini olmayan skaler parçacıklar vardır, Higgs bozonu gibi.

Her bir temel parçacığa muadil bir anti-parçacık bulunur. Bir anti-parçacığın iç kuantum sayıları ile parçacığın iç kuantum sayıları zıt işaretlidir. Diğer tüm özellikleri aynıdır.

Doğadaki temel kuvvetler, Ayar bozonları  denen aracılarla taşınırlar. Elektromanyetik, zayıf ve güçlü etkileşimler sırasıyla foton, W & Z bozonları ve gluon denilen ayar bozonları vasıtasıyla kendilerini gösterir. Bu ayar bozonları olmasaydı doğada tek bir atom dahi oluşmazdı.

Fermiyonlar ayar bozonlarını kendi aralarında değiştokuş ederek etkileşirler. Örneğin iki elektronun birbirlerini itmesi, aslında aralarında bir foton alışverişi sayesinde gerçekleşir. Diğer bir deyişle elektronlar doğrudan birbirleriyle etkileşime girmek yerine, aracı kullanırlar. Bu sayede etkileşime giren iki elektronun yükü korunmuş olur. Tüm aracı kullanan etkileşimler, bir korunum yasası ile ilintilidirler. 

Foton ve aracı olduğu elektromanyetik etkileşim kuantum elektrodinamiği  kuramı ile tarif edilir. Gluon ve aracı olduğu güçlü etkileşim  kuantum renk dinamiği kuramıyla açıklanır. Güçlü etkileşim, atomların yapı taşı olan protonları bir arada tutmakla sorumlu kuvvettir. Protonlar (ve tabii nötronlar) kuarklarda oluşur ve kuarklar aralarında gluon alışverişi yaparak birbirlerine bağlanırlar. Bu öyle güçlü bir etkileşimdir ki insanoğlu henüz tek başına bir kuark gözlemleyememiş, tüm kuarkları diğer kuarklarla bağlı durumlarda (baryonik madde) gözlemleyebilmiştir. Z & W bozonları ve aracı oldukları zayıf etkileşim ise radyoaktivite olaylarından sorumludur. Zayıf etkileşim bozonları, diğer aracı bozonların aksine oldukça ağır parçacıklardır. W ve Z bozonu sırasıyla protondan yaklaşık 80 ve 90 kat daha ağırdır. Bu durum, zayıf etkileşimin erimini son derece kısıtlı hale getirir ve çekirdek boyutu içerisine hapseder. Güçlü etkileşime aracı olan gluonlar kütlesiz olmalarına rağmen, diğer kuvvetlerde gözlenmeyen bir özellik sayesinde güçlü etkileşim de çekirdek boyutlarına hapsedilmiş durumdadır. Vakum ortamının doğasıyla da ilişkili olan bu hapsolma durumu sayesinde evren kendi içine çökmüyor ve atom çekirdekleri kararlı bir şekilde kendi sınırlarına çekilmiş oluyor.

Evrenin ilk var olduğu dönemde, SM'ye göre, bütün temel fermiyonlar ve ayar bozonları kütlesizdi. Bir noktada, bir faz değişimiyle her şey değişti ve hiperyük ve izospin korunumu denilen durum kırıldı. Bu faz değişimi esnasında kuarklar ve elektrik yükü olan leptonlar kütle kazandı. Kütlesiz bazı ayar bozonları da skaler Higgs bozonları ile karışıp W ve Z bozonlarını oluşturdu. Bu duruma elektrozayıf simetri kırılması deniyor. Bu kırılmadan sonra bildiğimiz anlamda tek çeşit Higgs bozonu kaldı. 2012'de bu Higgs bozonu CERN'de gözlemlenerek Standart Modelin keşfedilmeyi bekleyen son parçası da tamamlanmış oldu.

* http://www.quantumdiaries.org/2014/12/01/standard-model-introduction/ sitesinden derlenmiştir.