Deneysel olarak bulunmadan önce keşfedilen kuarklar sanki bir şaka gi­biler. Hiçbir anlamı olmayan adları ka­dar, gariplik, güzellik ya da renk gibi özellikleri de ünlü İngiliz ozan James Joyce'un bîr şiirinden alınma. Yine de, bu kimseyi yanıltmasın! Bu parçacık­lar gerçekten var ve bizi çevreleyen maddenin bugün bilinen en küçük öl­çekteki önemli bir kesimini oluştu­ruyorlar. Kuarklan Kim Buldu? Pek çok başka bilimsel buluş gibi, kuarklar da toplu bir çalışmanın ürii-nleri^ ama bu adı öneren o sıralarda Ca-lifornia Teknoloji Enstİtüsü'nde çalış­makta olan Amerikalı fizikçi Murray Gell-Mann. Bu bilimadamı sanki onları bulmadan önce James Joyce'un bulma-camsı dizesi "Three Quarks for Mr. Mark" (Bay Mark için üç kuark}'daki "kuorks" sesini düşlemiş gibidir. Ancak şiirsel konuların ötesinde, kuarklar herşeyden önce, fizikçilerin nesneleri (parçacıkları) sınıflama ve kuramları birleştirme gereksinimini karşılıyordu.			1930'lu yıllarda, temel taneciklerin tanımı oldukça yalındı. Doğada bilinen dört etkileşmeden (elektromanyetik çekim, kütleçekimi, kuvvetli etkileşme, zayıf etkileşme) biri olan kuvvetli etki­leşmeye duyarlı olduklarından, proton ve nötron gibi iki parçacık "hadron"lar olarak sınıflandırılıyorlardı. Öteki iki parçacık olan elektron ile onun nötri-nosu bu etkileşmeye duyarsızdılar ve onlar da "lepton'lar ailesini oluşturu­yorlardı. Kütlesi bulunmayan "ışık par­çacığı" olan foton da bunlara ekleni­yordu. Fotonun yeri 1940'lı yıllarda, kuantum mekaniğinin elektromanyeti­ğe girmesi sonucunda, kuantum elekt­rodinamiğinin İngilizce adının başharf-lerinden QED'nin (Quantum Elect-roDynamics) doğmasıyla açıklığa ka­vuştu. Daha sonra, fotonun elektro­manyetik kuvvetin taşıyıcısı olduğu an­laşıldı. Bununla birlikte, 1947 yılından sonra ortalık daha da karışmaya başla­dı. Fizikçiler gerçekten, yeni hadronla-rı önce kozmik ışınlar, sonra da parça­cık hızlandırıcılarında keşfettiler. Ayrı­ca, bu parçacıklar kuvvetli etkileşmeye uyduğu bilinen parçacıklar için olan kurallara göre bozunmuyorlardı. Bun-
								ları açıklama yolundaki ilk deneme 1950'li yıllarda hadronların yeni bir özelliğinin, "garip'liğin bulunmasıyla geldi. Bir bakıma elektrik yüküne ben­zeyen büyüklük olan "gariplik sayısı" yalnızca kimi (kuvvetli etkileşimce yö­netilen) tepkimelerde korunan çok il­ginç bir özellik sunuyordu. Bu gariplik sayısını taşıyan parçacıklara "garip" (strange) adı verildi. Hadronlar ailesi öylesine büyüyor-du ki, bunları sınıflama konusu başlı-başına bir sorun oluyordu. 1961 yılın­da, M. Gell-Mann, grup matematiği ku­ramına dayalı bir çözüm önerdi. Kuan­tum mekaniğinde, parçacıklar arasın­daki tepkimeler aslında, matematikte­ki birtakım gruplarla aynı simetri özel­liklerini taşıyan bir matrisle tanımla­nırlar. Grupları daha yalın ve artık da­ha küçük bir hale indirgenemez alt gruplara ayırma yöntemini (tamsayıla­rı bölmede asal sayıların oynadığı rol gibi) kullanarak, değişik parçacık aile­leri, biraraya geldiklerinde başka aile­leri oluşturmaya yarayacak indirgene­mez alt gruplar aracılığıyla tanınabilir. Bunlar M. Gell-Mann'in kuarklar adını verdiği "simetri taşları".
		BİLİM ve TEKNİK 70 Temmuz 2003

					sonra bunlara "parton"lar adı verildi (çünkü bunlar proton ve nötron parçalarını oluşturuyordu, kendileri­ne de İngilizce'deki part (bölüm) sözcüğünden yola çıkarak bu ad veril­mişti). Gell-Mann'in bu partonları ku­arklar olarak tanımasına değin aradan yıllar geçti. Kuarkların Özellikleri Nelerdir? M. Gell-Mann'in şemasında proton ile nötron "garip" olmayan hadronla-rın bir bölümünü meydana getiriyor­lardı ve her İkisi de üç kuarkm yardı­mıyla "oluşmuşlardı". Bununla birlik­te, M. Gell-Mann kuarklarını parçacık­lar gibi ele almaya, özellikle bunların elektriksel yükleri elektron ve proto­nun taşıdığı birim yükün bir kesri ola­cakları için karşı çıkıyordu. Ancak, bu­gün "garip" olmayan tüm hadronlar, adına yukarı "u" (up) ve aşağı "d" (down) denen ve elektrik yükleri sıra­sıyla 2/3 ve -1/3 olan iki tür kuark ile oluşturulabiliyor. Bu durumda, proton için 2 yukarı (u) ve 1 aşağı (d), nötron içinse 2 aşağı (d) ve 1 yukarı (u) kuark gerekiyor. Garip olan parça­cıkların tümü, adına garip "s" (stran-ge) denen ve elektrik yükü -1/3 olan üçüncü bir tür kuarktan oluşuyorlar. Ancak, Q parçacığı sorun yaratıyor­du. Eğer üç tane s kuarkından oluştu­ğu varsayılırsa onun tüm özellikleri açıklanabiliyordu, ama böyle tam anla­mıyla özdeş parçacıkların bileşimi			"Pauli'nin dışarlama ilkesi" tarafından yasaklanıyordu. Bu yüzden, bilinme­yen ve dışarıdan da görülemeyen bir özelliğin onları ayırdetmeye olanak sağlayacağını varsaymak gerekiyordu. Bu yeni tür yük elektriksel yük gibi iki değil, üç duruma izin veriyor. "Renk yükü" terimini yaratan, üç te­mel renkle (mavi + kırmızı + sarı = be­yaz = sıfır) kurulan benzerlik kendini kısa sürede kabul ettirdi, ancak bu yalnızca bir benzerlikti. Birtakım had-ronların bozunmasmı ve kuarkların da protonun İçinde birleşmelerini sağ­layan kuvvetli etkileşim, bu renk yük­lerinin etkileşmesiyle açıklanıyor. İlk kez 1973 yılında bulunan bu kuvvetli etkileşim kuramı İngilizce'deki adı olan "quantum chromodynamics" İn kısaltmasıyla QCD olarak bilinir. Kaç Tane Kuark Var? 196O'lı yılların sonlarında, üç tür kuark, yani u, d ve s gözlenmişti. Fi­zikçiler zamanla, bunlardan ikisinin parton, yani etkileşmelere uğrayan gerçek parçacık olduklarını kabul et­mek zorunda kaldılar. Kuarklar "elektromanyetik" ve elbette "kuvvetli etkileşme"nin yanısıra, ancak parçacık düzeyinde sezilebilen "zayıf etkileş­me" gibi üçüncü bir türe de duyarlı­dırlar. Kuramcılar otuz yıllık bir çaba­nın ardından, etkileşmelerin fotonlar aracılığıyla yapıldığı kuantum elektro­dinamiği modelinde, bir zayıf etkile­şim kuramı oluşturdular. Burada, fo­tonun rolünü üçlü bir grup (W+, W" ve Z°) üstleniyor. Bu kuramın en önemli sonucu, bu iki kuvvetin, yani elektro­manyetik ve zayıf etkileşmelerin İkisi­nin de aynı temel kuvvetin, yani elekt-rozayıf etkileşmenin iki farklı yanın­dan başka bir şey olmadıklarıydı. Bu kuramı gözlemlerle birleştirmenin en güzel yolu, doğrudan görülemeyecek kadar ağır, ama varlığı kimi tepkimele­ri olanaksız kılacak dördüncü bir ku-arkın daha varlığını Öne sürmekti. Za­yıf etkileşme için doğru kuramı bul­muş olma İnancı Öyle büyüktü ki, yeni bir kuark için olan bu önerme (postu-late) kanıtın yerini alıyordu. Eğer da­ha ağır olsaydı, daha sonra, bir sonra­ki hızlandırıcıda gözlenecekti. Gerçek­ten de, 1974 yılında bulundu ve (biraz da büyücülük çağrışımıyla) "çekici" (charming) (c) kuark adı verildi. Bu c
			Bu düşünce yalnızca bilinen tüm hadronları doğru şekilde sınıflamakla kalmadı, aynı zamanda "gariplik" de­ğeri 3'e eşit olan bir parçacığın da var olması gerektiğini öngördü. 1963 yı­lında, garipliği 3 olan (omega) parça­cığının bulunuşu Gell-Mann'in kura­mının ilk deneysel doğrulanışı oldu. Ama bu aşamada kuarklar daha yal­nızca matematiksel birer nesne duru­mundaydılar. Kuarkları Kim Keşfetti? Farklı bir araştırma alanında, Stan-ford Üniversitesi fizikçileri, 19601ı yıl­ların başlarında yüksek enerjili yeni bir hızlandırıcı kurdular ve adına Stanford Doğrusal Hızlandırıcısı'nın (Stanford Linear Accelerator) başharf-lerinden SLAC dediler. Üç kilometre uzunluğundaki bu aygıt protonu ince­lemeye yarıyordu. Daha önce yapılmış olan deneyler, bu parçacığın ölçülebi­lir bir boyu olduğunu ve hacmi de sı­fır olmadığından, içinin (ondan daha küçük) başka bir şeyie doldurulması gerektiğini gösteriyordu. Henry Ken-dall, Jerome Friedmann ve Robert Taylor hidrojen (ya da nötronu incele­mek üzere döteryum) hedefler üzerin­de bir elektron demetini odaklamayı ve bu elektronların dünyanın en güç-lü elektronik mikroskopunu çalıştır­mak üzere gerekli olan enerjiyi taşı­malarını öneriyorlardı. Bu deneylerin sonuçları somuttu. Nötronda olduğu gibi, protonun da içinde üç "sert tane­cik" algılanıyordu ve kısa bir zaman
									Temmuz 2003 7l BİLİM ve TEKNİK

kuarkı mucizevi bir şekilde, kuram ile deneyler arasındaki tüm çelişkileri çö­züyordu. Ek bir kuarkın varlığı, yeni parçacıkların, örneğin bütün kuark türlerinin kendi aralarındaki bileşim­lerinin varlığına da işaret ediyordu. Bunu izleyen yıllarda, c'nin çekicili­ğiyle karşılaşması olası tüm parçacık­lar saptandı. Kuramın bir başka başarısıysa, lep-tonlar ile kuarklar arasında derin bir bağlantının elde edilmesi oldu. Lep-tonlar şimdi artık dörde ulaşmıştı, çünkü müon (elektronun yeğenlerin­den biri) ve onunla bağlantılı olan nöt-rino sırasıyla 1936 ve 1962 yıllarında bulunmuşlardı. Dört leptonda olduğu gibi, dört kuark da ikişerli iki grupta toplanıyordu. Böylece, gerçekten te­mel denebilecek İlk parçacık ailesi be­lirmiş oluyordu. Bunlar elektron, elektronun nötrinosu ve u (yukarı) ile d (aşağı) kuarklarıydı. İkinci ailedeyse, müon, müonun nötrinosu ve s (garip) ile c (çekici) kuarkları vardı. 1932 yı­lından beri ilk kez olarak, temel tane­ciklerin (Mendelyefin kimyasal ele­mentler için hazırladığına benzeyen) akıllı bir çizelgesi, üstelik bunların et­kileşmelerine ilişkin eşsiz bir kuramla birlikte ortaya çıkıyordu. 1975 yılında, yeni bir leptonun, (tau) nun bulunması yeni sıçramalara yol açtı. Eğer leptonlarla kuarkları kü­meleyen çizelge doğruysa, yeni birta­kım kuarkları da beklemek gerekmek­teydi. Bu öngörü, bir kez daha doğru çıktı. Önce 1977, sonra da 1992 yılla­rında, Chicago'daki Fermilab'den Le-on Ledermann, özellikle kendisi için kurulan Tevatron hızlandırıcısında, gi­derek daha devasa aygıtlar aracılığıy­la, önce "alt" kuarkı b'yi ("bottom"), sonra da listedeki sonuncu olan "üst" kuarkı t'yi (top) göstermeyi başardı. 1995 yılında, temel tanecikler çİzelge-si bir kez daha bakışımlı (simetrik) ha­le gelmişti ve artık altı lepton için altı kuarktan oluşan üç aileyi içermek­teydi. Liste tamamlanmış mıydı? Cenev­re'deki LEP (Large Electron - Positron Collider - Elektron Pozitron Çarpıştırıcısı) adlı parçacık hızlandırı­cısı önce buna kısmi bir yanıt verdi: yalnızca üç tür hafif nötrino vardır. Sonra gökbilimciler buna daha sağlam bir yanıt eklediler: süpernova gözlem­lerinin ve evrendeki döteryum miktarı

ölçümlerinin sonuçları, yalnız ve yal­nız üç tür nötrinonun bulunduğunu ortaya koyuyordu. Leptonlarla kuark­lar arasındaki kesin ilişki böylece, ev­renimizde yalnızca altı tür kuark bu­lunduğunu öne sürmekte. Şimdi harıl harıl bu sayının kökeni araştırılıyor... Kuarklar Nerede Bulunurlar? Proton İle nötronda bulunan u ve d ile önce kozmik parçacıklarda orta­ya çıkan s kuarklarından başka, an­cak fizikçilerin kullandığı parçacık hızlandırıcılarında kendini gösteren üç ağır kuark daha biliniyor. Peki bunlara başka bir yerde daha rastla­nabilir mi? Bu soruya verilecek yanıt

Kuarklar Birbirleriyle Nasıl Etkileşiyorlar? Fizikçiler, parçacıkların daha "par-ton" olarak bilindikleri zamanlarda ya­pılan ilk gözlemlerinden, bunların pro­ton ya da nötron İçinde Özgür biçimde, kolaylıkla yer değiştirdikleri sonucuna ulaştılar. Proton, içindeki kuarkların çıkarılması İçin parçalanabilecek miy­di? Ne yazık ki, siz kuarkları birbirle­rinden ayırmaya çalıştıkça, tıpkı uzatıl­maya çalışılan bir yayın buna daha bü­yük bir kuvvetle direnmesi gibi, kuark­lar arasındaki etkileşim de artar. Renk yükünün etkileşmesi demek olan kuantum kromodinamiği kuramı, kuarklarm adına "glüon" denen (ve elektromanyetik etkileşmedeki "fo-ton"a karşılık gelen) parçacıkları de­ğiş tokuş ederek etkileştiklerini açıklı­yor. Ayrıca, QCD bir kuarkın kendini "çıplak" olarak göstermesini de yasak­lıyor. Çünkü bu kurama göre, bir ku­ark çevresinden yalıtılamaz ve eğer buna zorlanırsa çevresi kuantum boş­luğundan doğrudan toplanan onlarca parçacık tarafından kuşatılır. En azın­dan bir "kuark-karşıt kuark" çifti ge­reklidir, ama bu olgularda geçerli olan dinamikler zincir şeklinde birbirini iz­leyecek ve sonuçta başka çiftleri de oluşturacak olan dalgalanmaları başla­tır. Stanford'da ve Hamburg'daki DESY'de 1970'li yıllarda yapılan İlk SPEAR deneyİerindeki gözlemlerden beri, çok yüksek enerjili parçacıklar arasındaki çarpışmaların, sıkıca içiçe geçmiş, koni biçimli parçacık kümele­ri yarattıkları biliniyor. Bu ise, en ya­lın durumlarda bile, sırt sırta atılan iki demet demektir. Adına uçaklardaki gi­bi "jet" denen bu demetler, boşluktan fırlatılan ve büyük bir hızla giden iki kuarkın bir gösterimi. Bu jetler, ku­arklarm dinamiğinin varlığının eşsiz birer görsel kanıtı. Bundan başka, üç jetli olaylar da var: üçüncü jet, yalıtılmış halde tek başına gözlenemeyecek olan bir glü-onun madde haline geçmesi. Kuarklar Gerçekten Temel Tanecik mi? Kimi kuramcılar kuarkların da birta­kım alt bileşenlerden oluştukları bir ma-

"evet", çünkü kuarklar gerçekten bir­den fazla yerde bulunabilirler. Daha kesin konuşmak gerekirse, kuarklar heryerdedir, hatta boşlukta bile... As­lında gerçek bir fiziksel nesne olan kuantum boşluğu bu evrende bulu­nan tüm alanları ve olası tüm parça­cıkları içerir, ayrıca bunların sürekli yaptıkları dalgalanmalar ölçülebilir. Kullanılan hızlandırıcılar, yüksek miktarda enerjiyi çok küçük bir ha­cimde yoğunlaştırmaya, böylece de zamanın büyük bölümünde kararsız davranan bir "parçacık-karşıt parça­cık" çiftinin oluşması İçin yeterli bir dalgalanmayı tetiklemeye olanak ve­ren aygıtlar. Altıncı kuarkı bu "boş­luktan çıkarmak için gerekli enerji

E=mâ

korkunç büyüklükte oldu.

formülü kullanılarak, bu kuarkın küt­lesinin bir kurşun atomununkine eşit olduğu hesaplanabilir.

Temmuz 2003 72 BİLİM veTEKNİK

uzanan bir döneme karşılık gelir. Zamanın tersine döndürüldüğü bir filmde, evrenin enerji yoğunluğu önce molekülleri, sonra atomları, en son da atom­ların çekirdeklerini parçalayacak kadar artar. Yapı­lan hesaplar, bunun ötesinde, yani evrenin yaşı da­ha ancak 1 mikrosaniye (saniyenin milyonda biri) kadarken, sıcaklığının, maddenin kuarkların ve gidonların kendilerini sınırlamadan, özgürce dola­şabildikleri haliyle uyumlu olduğunu gösteriyorlar. Kuarklarla glüonlardan oluşan ve adına plazma de­nen bu durum laboratuarda ayrıntılı biçimde ince­lendi ve sonuçlar 2000 yılının ilkbaharında,

CERN'de (Centre Europeen des Recherches Nucle-aires) (Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi) çalışan gruplarca (belki de fazla hızlı bir şekilde) kamu­oyuna duyuruldu. ABD'deki Brookhaven laboratu-varında 2000 yılı ilkbaharında çalışmaya başlayan RH1C hızlandırıcısı, kuarkların ve gidonların özgür oldukları, çok uzak geçmişte kalan bu anı yeniden canlandırmak için bayrağı devraldı. Peki, bu ener­jilerin ötesinde kuarklara ne olur? Kuram bütün et­kileşmelerin, hatta leptonlarla kuarkların da birle­şerek, tek bir çeşit temel taneciğe izin verecekleri­ni öngörüyor.

Kuarklar Hep Var mıydı?

Evrenin başlangıcına ilişkin kuramlar Büyük Patlama), astrofizikle parçacık fiziğinin yakınlaş­ması sayesinde, giderek daha kesin bir hal alma­ya, hatta Büyük Patlama'nın da deneysel çalışma­lara katkıda bulunduğu düşünülmeye başladı! Ger­çekten de, evrenin ilk hali yalnızca tek tek parça­cıklardan oluşuyordu ve hızlandırıcıda yapılan bir deney tam olarak, bu senaryonun bir bölümüne, sı­caklık (dolayısıyla da enerji) arttıkça daha gerilere

tematiksel çerçeve kurmaya çalıştılar, ancak bu denemeler marjinal çabalar ol­maktan öteye geçemedi. Fizikçilerin uğ­raşıları daha çok, bütün kuvvetlerin tam anlamıyla birleştirilmesi üzerinde yo­ğunlaşmış durumda ve bu konuda en tutkulu kuramlar uzay-zaman yapısına saldıranlar. Böylece, kütleçekimini de şenel yapıya katan süpersicim kuramla­rı, temel "taneciklerin (yaklaşık 10' metre uzunluğundaki) kuantum sicim-

ler olduğu ve İncelmiş topolojilerde ge­lişen çok boyutlu uzaylarda geçerli. İs­ter leptonlar, İsterse kuarklar olsun, bi-

zım gözlemlediğimiz parçacıklar, yalnız­ca bu sicimlerin farklı titreşim kiplerinin gösterimlerinden başka bir şey değiller. Son derece soyut olan, bu "herşeyin ku­ramı" laboratuarda denenmekten uzak, ama elektronun bulunuşundan yüz yıl kadar sonra, yeni girdiğimiz yüzyılda da fizikçilerin tutkularının güzel bir göster­gesi durumunda. Yrd. Doç. Dr. Ercüment Akat Yeditepe Üniversitesi Fizik Bölümü

Leptonlar Kuarklar Elektron Elektronun nötrinosu Aşağı Yukarı Kütle Müon Müonun nötrinosu Garip Çekici Tau Taunun nötrinosu Ait Üst Elektrik Yükü -1 0 -1/3 +2/3

Temmuz 2003 73 BİLİM veTEKNİK