FİZ314 Fizikte Güncel Konular

2015-2016 Bahar Yarıyılı Bölüm-8

23.05.2016 Ankara

A. OZANSOY

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 1

Bölüm 8: Parçacık Fiziği

1. Temel Olmayan Parçacıklardan Temel Parçacıklara2. 4 Temel Kuvvet3. Parçacık Aileleri4. Korunum Yasaları

23.05.2016 A.Ozansoy, 20162

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 3

Madde nelerden yapıldı ve onu bir arada tutan ne?Neden bazı maddeler benzer özellik gösteriyor?

1.Temel Olmayan Parçacıklardan Temel Parçacıklara

•Temel yapı taşları

olmalı…!

“ Temel parçacık ” ne demektir?

Temel parçacık, bir iç yapısı olmayan yani daha küçük bileşenlerden oluşmayan parçacık demektir.

Geçmişte farklı zamanlarda atom, çekirdek ve nükleonlar (proton ve nötron)temel parçacık olarak düşünülmüştür

Temel parçacıklar ve onlar arasındaki temel etkileşmeleri inceleyeceğiz.

25.5.2016 A.Ozansoy 4

Atom gerçekten temel miydi?

Benzer kimyasal özellik gösteren atomlar, gruplarhalinde sınıflandırıldı. Bu atomun daha temel yapıtaşlarından oluştuğunun göstergesiydi.

•J. J. Thomson (1897) Atomun içinde daha hafif bir şeylerin olduğu anlaşıldı.(Elektronun keşfi)

•E. Rutherford ve öğrencileri(1911) Atomun merkezinde daha küçük ve daha ağır bir şeyin olduğu sonucuna varıldı. (Çekirdeğin keşfi)

Bu deneylerin sonuçlarına göre atom temel bir parçacık değildi…!

Bütün atomlar, elektronların ve çekirdeğin bir kombinasyonu olarak açıklandı.

Atom fikri: Democritus (M.Ö 460-M.Ö 370)

“Temel” yapı taşlarına bölünemeyen anlamında “atom” dedi.

25.5.2016 A.Ozansoy 5

• Çekirdek gerçekten temel miydi?

• 1919-1920 protonun keşfi (Rutherford)

• 1932 nötronun keşfi (Chadwick)

• Bütün çekirdekler nötronların ve protonların bir kombinasyonu olarak açıklandı.

Nükleonlar temel mi?

• Nötron ve protonlar da kuarkların bir kombinasyonu olarak açıklanmıştır (DIS: DeepInelastic Scattering) deneyleri, SLAC, 1960’ ların sonu)

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 6

KuvvetGöreli

Şiddet

Karakteri

stik

Zaman

Menzil Belirleyici olduğu durumlar

Güçlü 1 < 10-22 s 10-15 m Kuarkları bir arada tutar

Çekirdeği bir arada tutar

Elektromanyetik 10-210-14 - 10-

20 s∞

e-’ ların çekirdeğe bağlanarak kararlı

atom oluşturmaları

Zayıf10-5

10-8 - 10-13

s10-18 m Radyoaktif bozunmalar

Güneşteki reaksiyonlar

Kütle çekim10-39 ∞ Gezegenleri bir arada tutar.

Güneşsistemini bir arada tutar

Elek

tro

zayı

fku

vvet

2. Dört Temel Kuvvet

Temel parçacık fiziğinde kuvvet sözcüğünden ziyade etkileşme sözcüğü tercihedilir. Parçacıklar arasındaki temel etkileşmelerin bir aracı parçacık vasıtasıyla(değiş-tokuşu ile) gerçekleştiği dikkate alınır. Bu parçacıklara aracı parçacıklar,kuvvet taşıyıcıları ya da ayar bozonları denir.

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 7

Etkileşme Aracı

Parçacık

Simge Yük (e) Spin ( h) Durgun

Enerji

(GeV)

Güçlü Gluon g 0 1 0

EM Foton 0 1 0

Zayıf Zayıf

Bozonlar

W_, W+

ve Z

bozon

-1, +1, 0 1 MW=80.4

MZ=91.2

Kütle

Çekim

Graviton 0 2 0

Temel etkileşmeler, aracı parçacıkları ve özellikleri

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 8

Temel Parçacıklar

Madde

Leptonlar Kuarklar Hadronlar

Baryonlar

(qqq)(fermiyon)

Mezonlar

(q-antiq) (Bozon)

Kuvvet Taşıyıcılar(Ayar Bozonları)

+ HiggsBozonu

Lepton ismi ; Yunanca, ‘ hafif’ anlamındaki ‘ leptos’ dan gelir. Aynı şekilde mezon ismi ‘orta’ anlamındaki ‘ mezos’ dan gelir ve ‘ baryon’ ‘ ağır’ demektir.Higss bozonu parçacıkların kütle kazanmalarından sorumlu parçacıktır.

q: kuarkı temsil etmektedir.

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 9

3. Parçacık Aileleri

1. Aile 2. Aile 3. AileŞekil Kaynak [1]’ den alınmıştır.

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 10

1. Aile 2. Aile 3. Aile

Lepton aileleri

1. Aile 2. Aile 3. Aile

Kuark aileleri

Kuarklar, keptonlar ve girdikleri temel etkileşmelerin biçimsel olarak gösterilmesi.

Şekil Kaynak [2]’ den alınmıştır.

+2/3e-1/3e

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 11

Parçacık Sınıfı Yapı Açıklama Spin

Yüksüz leptonlar (nötrinolar)

Temel Sadece zayıf etkileşmelere girer

1/2

Yüklü leptonlar Temel Zayıf + em etkileşmelere girer 1/2

Kuarklar Temel Zayıf + em+ güçlü etkileşmelere girer

1/2

Kuvvet Taşıyıcıları(Ayar Bozonları ya

da aracı parçacıklar)

Temel

Foton em etkileşmenin aracı parçacığı, W ve Z zayıf etk. aracı parçacığı, Gluon güçlü

etk. aracı parçacığı

1

Higgs Bozonu Temel Parçacıklara kütle kazandırmaktan sorumlu

0

Mezonlar (q-anti_q)

Kompozit (iç yapısı var)

Zayıf + em+ güçlü etk. girer Tam sayı (0,1)

Baryonlar (qqq) Kompozit Zayıf + em + güçlü etk. girer Yarım tam sayı (1/2, 3/2, 5/2)

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 12

Kuarkın adı Simgesi Yükü (e)

Yukarı (up) u +2/3

Aşağı (down) d -1/3

Tılsımlı (Sihirli)(charm)

c +2/3

Acayip (strange) s -1/3

Üst (top) t +2/3

Alt (bottom) b -1/3

Kuarklar, spini ½ olan fermiyondurlar. Elektrik yükleri, elektron yükünün kesirlikatlarına (+2/3 veya -1/3 katı) eşittir. Kuarklar doğada serbest olarakbulunamazlar, hadronlar (mezon ya da baryon) olarak bağlı durum oluştururlar.

Kuarklar renk yükü denen bir kuantum sayısına daha sahiptirler. Yukarıdakitabloda adı geçen her kuark çeşnisi 3 farklı renkte bulunurlar Kırmızı, yeşil vemavi. (Bu renk yükü günlük anlamda kullandığımız renk anlamında değildir.)Her kuark bir renk yükü taşırken antikuarklar antirenk yükü taşır.

Kuark Çeşnileri:

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 13

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 14

Anti Parçacıklar (Karşıt Parçacıklar):

1920’ler Paul Dirac spin1/2 parçacıklar için göreli kuantum mekaniksel denklemi geliştirdi.Negatif enerjili durumlara karşılık gelen çözümler varçözüm ‘ antiparçacıklar’

Her parçacık için bir antiparçacık mevcuttur. Kütle, spin, ortalama ömür gibiözellikleri parçacık ve antiparçacık için aynı iken sadece elektrik yükleribirbirinin tersidir. Yüksüz parçacıkların antiparçacığı kendisidir (Nötrinolardadurum farklıdır).

Yüklü leptonlar dışında (e-, - ve - ) antiparçacıkları, genelde parçacıksimgelerinin üzerine bir çizgi çekerek gösteririz.

Parçacık ve antiparaçacık bir araya geldiğinde iki ya da daha fazla fotonoluşturacak şekilde yok olurlar.

e+ : pozitron, elektronun antiparçacığıYok olma süreci

Çift oluşum süreci. Sayfa düzlemin içinedoğru manyetik alan uygulanıyor. Yüklerininzıt olmasından dolayı elektron ve pozitronters yönlerde saparlar.

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 15

Leptonlarve antiparçacıkları

Anti elektron nötrinosu

Bu şekil Kaynak [3]’ ten alınmıştır.

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 16

Hadronlar:

Güçlü etkileşmeye girerler. Mezonlar (spini tam sayı olanlar) ve baryonlar (spini yarımtamsayı olanlar olmak üzere iki grupturlar. Mezonlar bir kuark ve bir antikuarkınbirleşmesinden, baryonlar 3 tane kuarkın birleşmesinden oluşurlar. Proton ve nötronbirer baryondur. Pi ve K- mezonları da mezonlara örnektir. (Pi mezonları +, - ve 0 olmaküzere 3 çeşittir. )

Şekilde t zaman eksenini göstermek üzere, -bozunumuna bir örnek olarak serbest nötron bozunumuiçin Feynman Diyagramı verilmiştir. Beta bozunumundansorumlu etkileşme zayıf etkileşmedir. Diyagramda zayıfetkileşmenin aracı parçacıklarından W- bozunugörülmektedir.

Bu şekil Kaynak [4]’ ten alınmıştır.

Mezonlar ve Baryonlar

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 17

Bazı mezonlar ve kuark içerikleri aşağıdaki şekilde verilmiştir.

(*) Aslında 0, ve ’ farklı durumların kuantum mekaniksel bir karışımıdır.

3

6

2

2(*)

'

0

ssdduu

ssdduu

dduu

Bazı baryonlar ve kuark içerikleri

* t kuark kararsız olduğu için hemen bozunurbu nedenle t kuark içeren herhangi bir mezonya da baryon yoktur.

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 18

4. Korunum Yasaları:

1. Baryon sayısı (B) : Tüm baryonlar için B=1 ve antibaryonlar için B=-12. Lepton sayısı (L) : Her aile için ayrı ayrı Elektron ve nötrinosu için Le=1,Müon ve nötrinosu için L=+1Tau ve nötrinosu için L=+13. Acayiplik Sayısı(S): acayip kuark için S=-1, antiacayip kuark için S=+1

• Baryon sayısının korunumu, bir çekirdek tepkimesi veya bozunumunda olaydan önceki ve sonraki baryon sayısının korunduğunu ifade eder.

• Lepton sayısının korunumu, herhangi bir süreçte tüm lepton tipleri için leptonsayılarının ayrı ayrı korunmasını söyler (Le., L , L korunur).

• Güçlü ve elektromanyetik etkileşmelerde acayiplik sayısı korunur, zayıf etkileşmeiçeren süreçlerde korunur veya bir birim değişir.

Örnek: Müyon bozunumu

NOT!!! Derste 8.bölümle (parçacıkfiziği) ilgili çözülen 6örneği mutlakainceleyiniz.

23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 19

Kaynaklar:

1. http://www.dreamstime.com/royalty-free-stock-photography-standard-model-elementary-particles-diagram-particle-physics-fundamental-make-up-matter-fundamental-force-carriers-image36590417

2. https://www.fiatphysica.com/blog/learning/particle-primer-physics3. https://universe-review.ca/R02-14-CPviolation.htm4. https://tr.wikipedia.org/wiki/Kuark5. “Fen ve Mühendislik için Fizik ” , Cilt-II, R.A. Serway ve R.J. Beichner, (Çeviri

Editörü: Prof. Dr. Kemal Çolakoğlu), 5. Baskıdan çeviri, Palme Yayıncılık 2002, Ankara. (Aksi belirtilmediği sürece, sunu dosyası içindeki tüm şekiller bu kaynaktan alınmıştır).