Evrendeki dört temel kuvvetten üçünün (kütle çekimi hariç) aracı parçacıklarını (bozonları) biliyoruz. Güçlü nükleer kuvvetin aracı parçacıkları, gluonlardır. Gluonlar, kuarkları birbirine bağlar. Bu makalede kuarkların ve gluonların renkleri üzerinde duracağız.
Altı kuark biliyoruz: Kuarklar: u, d, s, c, b, t.[Sırayla u, up (yukarı); d, down (aşağı); s, strange (tuhaf); c, charm (büyülü); b, bottom (dip); t, top (tepe)].
Bu konunun ayrıntılarını Kuarklar: Atomun Dip Parçacıkları adlı dosyamızda bulabilirsiniz.
Kuarklar, üçlü ve ikili olarak gruplanabiliyor. Üç kuarklı yapılara, baryon; iki kuarklılara mezon diyoruz. Atom çekirdeğini oluşturan nükleonlar, yani proton ve nötronlar, birer baryondur. Proton iki u, bir d kuarkından; nötron da bir u, iki d kuarkından oluşur. Aşağıdaki harika şekiller, Wikipedia’dan alınmıştır.
Proton: uud Nötron:udd
Güçlü kuvvet, altı kuark, sekiz gluon ve üç renk ile açıklanır. Gluonlar, güçlü nükleer kuvvetin aracı parçacıklarıdır. Başka sözlerle kuarklar, gluonlarla birarada tutuluyor. Deneyler, gluon parçacıklarının yüksek enerjili olduklarını göstermiştir. Bilimsel araştırmanın, doğanın önümüze koyduğu soruları çözme sanatı olduğu söylenir. Evet, kuarkların varlığı sorunu çözüldükten sonra sıra, onların nasıl olup da ikili ve üçlü kombinasyonlara girdiğini açıklamaya geldi. Başka sözlerle örneğin protonun içinde iki u ve bir d kuarkı, nasıl bir arada bulunmaktadır diye soruldu. Kuantum kuramında Pauli Dışlama İlkesi diye bilinen bir ilkeye göre iki parçacık ancak zıt spinli olursa, aynı atomik orbitali paylaşabilir. Aslında özdeş elektronlar, 
spinleriyle farklı olabilirler. İşte bunun gibi aynı özellikte olan iki u kuarkının bir arada bulunabilmesi için bilimciler (sadece fizikçiler dersem kümeyi daraltmış olacağım!) renk teorisi icat ettiler ve ona da kuantum renkdinamiği (the Quantum Chromodynamics = QCD) gibi havalı bir ad verdiler. Gell-Mann ve bilim tuvalinde çalışan başkaları renklerin üç türde olması gerektiğini açıkladılar. Üç asal renk vardır: Renkler, bir paletteki ana renkler olan kırmızı,yeşil ve mavidir. Üç eksendeki üç yön gibi. Kuarkları, üç koordinat ekseninin üç renkle isimlendirildiği birer vektör gibi de düşünebiliriz. Gelelim protondaki kuark renklerine. İki yukarı (u) kuarktan birisi mavi, diğeri yeşil ise Pauli Dışlama İlkesine uyulmuş olur. Bu renk yükü, güçlü nükleer kuvvete elektrik yükü eşdeğerini verir. Fakat elektrik yükü artı ve eksi olarak iki türde iken, kuarkların renk yükünün üç türde olduğunun altını çizmeliyiz. Renk yükü kavramı, kuark kombinasyonlarının nasıl kuark ve antikuark (mezonlar) ve üç kuark (baryonlar) biçiminde olduğunu açıkladı.
Doğadaki maddeler, renklerin renksizlik sağladığı ya da renk yükünün sıfırlandığı kombinasyonlardadır. Bunun için birinci olarak farklı renklerdeki kuarkların birbirini çektiğini akılda tutmalıyız. Antikuarklar da renk bakımından antirenklere sahiptir. Fakat kuarklar gluon değiş tokuşu ile simetrilerini koruyabilirler.
Gluonların iki rengi vardır, bir renk ve bir başka antirenk. Onlar da kuarklar tarafından yayılır ve soğurulur. Baryonların üç kuarktan, mezonların ise bir kuark ile bir antikuarktan yapılı olduğunu biliyoruz. Kırmızı, yeşil ve mavi ışınların kombinasyonu beyazdır. O zaman tüm baryonlarda her kuarkın rengi farklı olursa, tüm baryonları açıklayabiliriz. Buradaki renklerin bizim gündelik anlamda kullandığımız renkle ilgisi yok. Nasıl ki eşit nicelikteki pozitif ve negatif elektrik yükü, birbirini nötürleştirirse, bir kuark ile onun antikuarkı zıt renkleri dolaysıyla birbirini iptal eder. Örneğin kırmızı bir kuark, bir antikırmızı kuark ile bir mezon oluşturmak üzere birleşince renksiz bir mezon oluşur.
Benzer yükler birbirini iter, bunun için izin verilen üçlü kuark birleşmesi ancak farklı renklerde olabilir. Örneğin, (ukırmızı), (umavi), (uyeşil), yani kırmızı (K), mavi (M) ve yeşil (Y). O zaman bir baryonun yapısındaki renk yükünü KMY olarak simgeleyebiliriz. Kırmızı + Mavi + Yeşil = Beyaz (B). O zaman (K) + (MY) = (B) yazabiliriz. Bunu mesonlara uyarlarsak (MY) ‘nin antikırmızı renkte olması gerektiğini söyleyebiliriz. Benzer şekilde (KM)’nin antiyeşile ve (KY)’in de antimaviye eşit olduğunu söyleyebiliriz.
1- Gluonlar, kuarklardan yayımlanır. Kuarklar, gluonlar yoluyla etkileşir.
2- Gluonlar, renk yüküne sahiptir. Bir gluon bir renk ve bir başka antirenkten oluşur. (Bir renk ve onun antirengi birlikte renksiz olur.)
3- Elektrik yükünün korunumuna benzer şekilde renk yükü de korunur.
Gluonların Renkleri
Kurakların üç asal renge sahip olduğunu biliyoruz: mavi, kırmızı ve yeşil. Peki ya aracı parçacıklar, yani gluonlar? Bu soru, kuarkların birbirine dönüşüp dönüşmemesiyle ilgili. Kuarkların birbirine dönüşmesini kabul etmeden pek çok 
dönüşümü açıklayamayız. Onun için tüm değişimleri açıklamaya yetecek kadar aracı parçacığa yani gluona gereksinimimiz var. Burada her gluonun iki renk taşıdığını akılda tutmalıyız: bir renk ve bir başka antirenk. Böylece sekiz gluonun buna yeteceği ortaya çıkar. Neden sekiz? Bu noktaya aşağıda değineceğim; ama bir deneysel bilimcinin bu konudaki esprisini anlatmazsam olmaz. Fermilab yöneticiliği yapmış Nobel Ödüllü Leon Lederman (denel fizikçi), Tanrı Parçacağı’nda (1993) sekiz gluon sınırı konusunda şöyle der: “Eğer bir kuramcıya ‘neden sekiz?’ diye sorarsanız bilgece ‘çünkü sekiz, dokuz eksi birdir’ diyecektir.”
Şimdi bir kırmızı kuarkın hızlanarak nasıl mavi kuark olacağını örnekleyelim. Kırmızı kuark bir gluon (kırmızı, antimavi gluon) yayımlar. Bu durumda toplam renk, kırmızı + antimavi + mavi = kırmızı korunur (Aynı zamanda momentum ve enerji de korunur). Böylece kırmızı kuark, mavi kuarka dönüşmüştür.
Mavi bir kuark, yeşil bir kuarka dönüşürken ne olur? Bir mavi-antiyeşil gluon yayılır, bu durumda toplam renk, mavi + antiyeşil +yeşil = mavi korunur.
Aşağıdaki şekilde bazı kuark dönüşümleri için yayılması gereken gluonların renkleri gösterilmiştir (q, kuarkı, r (red, kırmızı), b (blue, mavi), g (green, yeşil), üzeri çizgili simgiler ise antirengi gösteriyor):
(a) Kırmızı kuark, kırmızı-antimavi bir gluon yayınca mavi bir kuarka dönüşür; kırmızı-antiyeşil bir gluon yayınca yeşil bir kuarka dönüşür.
(b) Yeşil kuark, bir yeşil-antikırmızı gluon yayarak, kırmızı kuarka dönüşür; yeşil kuark bir yeşil antimavi gluon yayarak mavi kuarka dönüşür.
(c) Mavi kuark, bir mavi-antiyeşil gluon yayarak, yeşil kuarka dönüşür; bir mavi-antikırmızı gluon yayarak kırmızı kuarka dönüşür.
Mantıki olarak elde edebileceğimiz çiftlerin (renk, anti renk) sayısı dokuzdur: kırmızı-antikırmızı, mavi-antimavi, yeşil-antiyeşil; kırmızı-antimavi, kırmızı-antiyeşil, mavi-antikırmızı, mavi-antiyeşil, yeşil-antikırmızı, yeşil-antimavi. Hesaplamalar ise ancak sekiz etkileşime izin vermektedir.Bunlar aşağıda gösteriliyor; antirenkler üzerinde çizgi ile gösteriliyor (r:red-krımızı, b:blue-mavi, g: green-yeşil):
Şekil kaynağı: (http://www.rogerarm.freeuk.com/Pages/Gluons.htm)
Bir mavi kuark ve bir kırmızı kuark aşağıdan geliyor. Onlar arasında kırmızı/antimavi gluon değiştokuşu ile orjinal kuarkların rengi ters yüz oluyor. Renk yükü korunuyor; gluonlardan kuarklar izole edilemiyor, serbest kalamıyor.
Renk yükü, şuradan kaynaklanıyor. Üç çeşit yukarı kuark, üç çeşit aşağı kuark vb vardır. Her bir üçlü yapıdaki kuarklar, farklı renk yükündedir. Yani üç yukarı kuark derken, bir “kırmızı yukarı”, bir “yeşil yukarı” ve bir “mavi yukarı” kuarktan söz ediyoruz demektir. Bu renklerin gök kuşağında bildiğimiz renkle ilgisi yoktur, sadece kuark simetrisi ve kuarkların nasıl biraraya gelebileceği konusunda uydurulmuş bir kavramdır; ama sorunu çözdüğü için de kullanılan yararlı bir kavramdır. Örneğin omega eksi (W–) parçacığı üç tuhaf (strange) kuark içermektedir: W– : sss.
Bunların tek bir ortak yörüngede hareket ettiği bilinmektedir. Bunların “özdeş” olması halinde tek bir ortak yörüngede bulunmaları mümkün değildir. Ama bunları farklılık verebilirsek, aynı zamanda aynı kuantum durumunu işgal etmeleri mümkün olabilecektir. İşte renk yükü gereksinimi bu kuantum zorunluluğundan doğmaktadır. Söz konusu üç s kuarkını bir “yeşil s”, bir “mavi s” ve bir “kırmızı s” diye etiketlersek, sorun çözülmektedir. Bu renk teorisi kısaca Kuantum Kromodinamiği (QCD) olarak adlandırılır ve başarısı oldukça yüksektir. Gluonların varlığını gösteren ve 1980’den beri toplanan deneysel kanıtlar çok sağlamdır.
Güçlü nükleer kuvvetle ilgili hadron sürüsüyle ilgili ilk kuram 1964’te birbirinden bağımsız olarak Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından orta kondu. Gell-Mann hadronları sekizli ve onlu parçacık gruplamaları şeklinde düzenledi. Bu düzenleme, Mendeleev’in periyodik tablosu gibi karmaşadaki düzeni görmekti. Bu yapılara kuark adını Gell-Mann verdi. Kuarklar, hadronları oluşturuyor. İki hadron sınıfı var. Birincisi üç kuarklı yapılar, bunlara baryonlar denir. Bunlar proton (uud) , nötron (udd) , lambda (uds), sigma eksi, sigma sıfır, sigma artı gibi üyeler içerir. İkincisi iki kuarklı yapılar, bunlara mezonlar denir. Mezonlar, bir kuark ile bir antikuarktan oluşur. Pion (u ve anti d) ve kaon (s ve anti u), mezon örnekleridir.Kuarklar, çok değişik kütlelere (protonun kütlesinin yüzde 0.0047’si ile 189 katı büyüklükte bir aralıkta değişen) sahiptir.
Güçlü Nükleer Kuvvetin Garipliği: Asimtotik Serbestlik
Kuantum renk dinamiğinin (QCD) en çarpıcı keşiflerinden biri de kuarklarla gluonların etkileşme gücünün yakın mesafelerde zayıflamasıdır. Başka sözlerle kuark ve gulon etkileşimi, uzak mesafelerde daha kuvvetli olmaktadır. Bu ilginç bir sonuçtur; çünkü bilimciler buraya ayar simetrisi uygulamak istedi. Ayar kuramları, güçlü kuvvetin sıkı yakınlıkta çok zayıfladığını, kuarklar birbirinden uzaklaştıkça daha güçlü olduğunu tahmin edebilmişti. Harvard’dan David Politzer ve David Gross ile Princeton’dan Frank Wilczek’in keşfettiği sürecin adı, asimtotik serbestlik idi. Asimtotik, kısaca birbirine yaklaşmak; ama asla değmemek demektir. Güçlü nükleer kuvvet, kuarklar birbirine yaklaştıkça zayıflar. Bunun anlamı paradoksal olarak kuarklar bir araya geldikçe neredeyse serbestmiş gibi davranır. Buna bağlı olarak kuarklar birbirinden ayrıldıkça kuvvetler etkin biçimde güçlenir.Bildiğiniz gibi bu, elektriksel kuvvetin tam tersidir. Küçük uzaklıklar, yüksek enerjileri ima eder; buna göre güçlü nükleer kuvvet yüksek enerjilerde zayıflar.Kuarklar ayrılınca daha güçlü hale gelir ve onları birbirinden uzaklaştırmak için gereken enerji, biz kuarkları ayırmadan önce enerji girişi yeni bir kuark-antikuark çiftinin yaratılmasına yol açana dek hızla artar.
Bu garip özellik, gluonların fotonlardan farklı olduğunu açıkça gösterir. Çünkü gluonlar birbirleri üzerine bir kuvvet uygular; ama fotonlar birbirine hiç aldırmaz. İşte bu nokta, kuantum elektrodinamiği (QED) ile kuantum renk dinamiğinin (QCD) ayırım noktasıdır. Yine de özellikle yüksek enerji bölgesinde bu iki kuramın yakın benzerliği vardır.
Kısacası asimtotik serbestlik, güçlü kuvvetin yüksek yüksek enerjilerde zayıfladığını gösteriyor. Bu da yeterince yüksek enerjide güçlü kuvvetin zayıf kuvvete dönüşebileceği umudunu doğurdu; ama bu alandaki çalışmalar sürüyor.
Gluonlar, 1979’da yakalandı.
Deneylerde hem kuark jetleri, hem de gluon jetleri görülebilmektedir.(atomevren.com)
Yorum Ekle