Parçacık Fiziği

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.
2.
3.
4.
23.05.2016
Temel Olmayan Parçacıklardan Temel Parçacıklara
4 Temel Kuvvet
Parçacık Aileleri
Korunum Yasaları
A.Ozansoy, 2016
2
1.Temel Olmayan Parçacıklardan Temel Parçacıklara
Madde nelerden yapıldı ve onu bir arada tutan ne?
Neden bazı maddeler benzer özellik gösteriyor?
•Temel
olmalı…!
yapı
taşları
 Temel parçacıklar ve onlar arasındaki temel etkileşmeleri inceleyeceğiz.
“ 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
23.05.2016
A.Ozansoy, 2016
3
Atom fikri: Democritus (M.Ö 460M.Ö 370) 
Atom gerçekten temel miydi?
“Temel” yapı taşlarına bölünemeyen
anlamında “atom” dedi.
Benzer kimyasal özellik gösteren atomlar, gruplar
halinde sınıflandırıldı. Bu atomun daha temel yapı
taşlarından 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.
25.5.2016
A.Ozansoy
4
• 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: Deep
Inelastic Scattering) deneyleri, SLAC, 1960’ ların sonu)
25.5.2016
A.Ozansoy
5
2. Dört Temel Kuvvet
Elektrozayıf kuvvet
Kuvvet
Göreli
Şiddet
Güçlü
1
Elektromanyetik
10-2
Zayıf
Kütle çekim
Karakteri
stik
10
Belirleyici olduğu durumlar
10-15 m
Kuarkları bir arada tutar
Zaman
< 10-22 s
-5
Menzil
10-14 - 1020
s
10-8 - 10-13
s
Çekirdeği bir arada tutar
∞
10-18 m
e-’ ların çekirdeğe bağlanarak kararlı
atom oluşturmaları
Radyoaktif bozunmalar
Güneşteki reaksiyonlar
∞
10-39
Gezegenleri bir arada tutar.
Güneşsistemini bir arada tutar
 Temel parçacık fiziğinde kuvvet sözcüğünden ziyade etkileşme sözcüğü tercih
edilir. 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
6
Temel etkileşmeler, aracı parçacıkları ve özellikleri
Etkileşme
Aracı
Simge
Yük (e)

Spin ( h)
Parçacık
Durgun
Enerji
(GeV)
Güçlü
Gluon
g
0
1
0
EM
Foton

0
1
0
Zayıf
Zayıf
W_, W+
-1, +1, 0
1
MW=80.4
Bozonlar
ve Z
MZ=91.2
bozon
Kütle
Graviton
0
2
0
Çekim
23.05.2016
A.Ozansoy, 2016
7
Temel
Parçacıklar
Kuvvet Taşıyıcılar(Ayar
Bozonları)
Madde
Leptonlar
Kuarklar
+ Higgs
Bozonu
Hadronlar
Baryonlar
(qqq)(fermiyon)
Mezonlar
(q-antiq)
(Bozon)
q: kuarkı temsil
etmektedir.
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.
23.05.2016
A.Ozansoy, 2016
8
3. Parçacık Aileleri
1. Aile
23.05.2016
2. Aile
3. Aile
A.Ozansoy, 2016
Şekil Kaynak [1]’ den alınmıştır.
9
Lepton aileleri
Kuark aileleri
+2/3e
-1/3e
1. Aile
2. Aile
3. Aile
1. Aile
2. Aile
3. Aile
Kuarklar, keptonlar ve girdikleri
temel etkileşmelerin biçimsel olarak
gösterilmesi.
Şekil Kaynak [2]’ den alınmıştır.
23.05.2016
A.Ozansoy, 2016
10
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 (qanti_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
11
Kuark Çeşnileri:
Kuarkın adı
Simgesi
Yükü (e)
Yukarı (up)
u
+2/3
Aşağı (down)
d
-1/3
Tılsımlı (Sihirli)
(charm)
Acayip (strange)
c
+2/3
s
-1/3
Üst (top)
t
+2/3
Alt (bottom)
b
-1/3
 Kuarklar, spini ½ olan fermiyondurlar. Elektrik yükleri, elektron yükünün kesirli
katlarına (+2/3 veya -1/3 katı) eşittir. Kuarklar doğada serbest olarak
bulunamazlar, hadronlar (mezon ya da baryon) olarak bağlı durum oluştururlar.
 Kuarklar renk yükü denen bir kuantum sayısına daha sahiptirler. Yukarıdaki
tabloda adı geçen her kuark çeşnisi 3 farklı renkte bulunurlar Kırmızı, yeşil ve
mavi. (Bu renk yükü günlük anlamda kullandığımız renk anlamında değildir.)
Her kuark bir renk yükü taşırken antikuarklar antirenk yükü taşır.
23.05.2016
A.Ozansoy, 2016
12
23.05.2016
A.Ozansoy, 2016
13
Anti Parçacıklar (Karşıt Parçacıklar):
1920’ler Paul Dirac spin1/2 parçacıklar için göreli kuantum mekaniksel denklemi geliştirdi.
Negatif enerjili durumlara karşılık gelen çözümler var çözüm ‘ antiparçacıklar’
 Her parçacık için bir antiparçacık mevcuttur. Kütle, spin, ortalama ömür gibi
özellikleri parçacık ve antiparçacık için aynı iken sadece elektrik yükleri
birbirinin tersidir. Yüksüz parçacıkların antiparçacığı kendisidir (Nötrinolarda
durum farklıdır).
 Yüklü leptonlar dışında (e-, ve - ) antiparçacıkları, genelde parçacık
simgelerinin üzerine bir çizgi çekerek gösteririz.
 Parçacık ve antiparaçacık bir araya geldiğinde iki ya da daha fazla foton
oluşturacak şekilde yok olurlar.
e+ : pozitron, elektronun antiparçacığı
Yok olma süreci
Çift oluşum süreci. Sayfa düzlemin içine
doğru manyetik alan uygulanıyor. Yüklerinin
zıt olmasından dolayı elektron ve pozitron
ters yönlerde saparlar.
23.05.2016
A.Ozansoy, 2016
14
Leptonlarve antiparçacıkları
Anti elektron nötrinosu
Bu şekil Kaynak [3]’
ten alınmıştır.
23.05.2016
A.Ozansoy, 2016
15
Hadronlar:
Güçlü etkileşmeye girerler. Mezonlar (spini tam sayı olanlar) ve baryonlar (spini yarım
tamsayı olanlar olmak üzere iki grupturlar. Mezonlar bir kuark ve bir antikuarkın
birleşmesinden, baryonlar 3 tane kuarkın birleşmesinden oluşurlar. Proton ve nötron
birer baryondur. Pi ve K- mezonları da mezonlara örnektir. (Pi mezonları +, - ve 0 olmak
üzere 3 çeşittir. )
Bu şekil Kaynak [4]’
ten alınmıştır.
Mezonlar ve Baryonlar
23.05.2016
Şekilde t zaman eksenini göstermek üzere,
bozunumuna bir örnek olarak serbest nötron bozunumu
için Feynman Diyagramı verilmiştir. Beta bozunumundan
sorumlu etkileşme zayıf etkileşmedir. Diyagramda zayıf
etkileşmenin aracı parçacıklarından W- bozunu
görülmektedir.
A.Ozansoy, 2016
16
 Bazı mezonlar ve kuark içerikleri aşağıdaki şekilde verilmiştir.
uu  dd
2
uu  dd  2 s s

6
uu  dd  s s
' 
3
(*) 0 
(*) Aslında 0,  ve ’ farklı durumların kuantum mekaniksel bir karışımıdır.
 Bazı baryonlar ve kuark içerikleri
* t kuark kararsız olduğu için hemen bozunur
bu nedenle t kuark içeren herhangi bir mezon
ya da baryon yoktur.
23.05.2016
A.Ozansoy, 2016
17
4. Korunum Yasaları:
1. Baryon sayısı (B) : Tüm baryonlar için B=1 ve antibaryonlar için B=-1
2. Lepton sayısı (L) : Her aile için ayrı ayrı Elektron ve nötrinosu için Le=1,
Müon ve nötrinosu için L=+1
Tau ve nötrinosu için L=+1
3. 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 lepton
sayılarının ayrı ayrı korunmasını söyler (Le., L , L korunur).
Güçlü ve elektromanyetik etkileşmelerde acayiplik sayısı korunur, zayıf etkileşme
içeren süreçlerde korunur veya bir birim değişir.
Örnek: Müyon bozunumu
NOT!!!
Derste
8.
bölümle
(parçacık
fiziği) ilgili çözülen 6
örneği
mutlaka
inceleyiniz.
23.05.2016
A.Ozansoy, 2016
18
Kaynaklar:
1. http://www.dreamstime.com/royalty-free-stock-photography-standard-modelelementary-particles-diagram-particle-physics-fundamental-make-up-matterfundamental-force-carriers-image36590417
2. https://www.fiatphysica.com/blog/learning/particle-primer-physics
3. https://universe-review.ca/R02-14-CPviolation.htm
4. https://tr.wikipedia.org/wiki/Kuark
5. “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).
23.05.2016
A.Ozansoy, 2016
19