Fizikte Birlestirme Kuramlari

1. A

‹LE

2. A

‹LE

3. A

‹LE

ElektronElektrik yükü: -1Elektriksel ve kimyasaletkileşimlerden sorumlu.

MuonElektrik yükü: -1Elektrondan daha ağır ve kararsızbir parçacık. Ömrü saniyenin ikimilyonda biri kadar.

Muon NötrinosuElektrik yükü: 0Bazı parçacıkların bozunmasısonucu muonlarla birlikteortaya çıkıyor.

Tılsımlı KuarkElektrik yükü: +2/3Kütle: 1,5 GeV/c2

1974 yılında keşfedildi.

Garip KuarkElektrik yükü: -1/3Kütle: 0,15 GeV/c2

1964 yılında keşfedildi.

TauElektrik yükü: -1Daha da ağır ve çokkararsız bir parçacık.1975 yılında keşfedildi.

Tau NötrinosuElektrik yükü: 0Henüz gözlenmedi, ancakvarolduğuna inanılıyor.

Üst KuarkElektrik yükü: +2/3Kütle: >89 GeV/c2

1994 yılında keşfedildi.

Alt kuarkElektrik yükü: -1/3Kütle: 4,7 GeV/c2

Elektrozayıf kuvvetin ölçülmesinde önemli rolü var.

GluonlarKuarklar arasındakişiddetli çakirdekkuvveti taşıyıcıları.

FotonlarIşık parçacıkları;elektromanyetikkuvvet taşıyıcıları

W± ve Zo bozonlarıZayıf çekirdek kuvvetitaşıyıcıları(Higgs bozonlarıaranıyor)

GravitonlarKütleçekimkuvvetitaşıyıcıları

Kütleli tüm parçacıklararasında etkili.

Kütleçekim kuvveti, Kütleli tüm parçacıklarınbirbirlerini çekmesinden sorumlu.

Kuarklar ve leptonlararasında etkili.

Zayıf çekirdek kuvveti, bazı radyoaktifbozunmmalardan sorumlu.

Kuarklar ve yüklü leptonlararasında etkili.

Elektromanyetik kuvvet, elektrik,menyetizma ve kimyasal olaylardansorumlu.

Kuarklar arasında etkili.

Şiddetli çekirdek kuvveti, çekirdek içindekuarkların birarada tutulmasından sorumlu.

Elektron NötrinosuElektrik yükü: 0Her saniye milyarlarcasıvücudumuzdan geçiyor.

Yukarı KuarkElektrik yükü: +2/3Kütle: 4x10-3 GeV/c2 *Protonda iki, nötrondabir adet bulunur.

Aşağı KuarkElektrik yükü: -1/3Kütle: 7x10-3 GeV/c2

Protonda bir, nötronda ikiadet bulunur.

Temel Parçac›klarLEPTONLAR KUARKLAR

MMaaddddee AAttoomm EElleekkttrroonn PPrroottoonn

ÇÇeekkiirrddeekk NNööttrroonn

KKuuaarrkkllaarr

Kuantum Kütleçekim geçen süre 10-43 saniye

Atomlar ve Işıkgeçen süre 300 000 yıl

Evren fleffaflafl›p,›fl›kla doluyor

Gökada Oluşumugeçen süre 1 milyar yılGökadalar ortayaç›kmaya bafll›yor

Bugüngeçen süre 15 milyar yıl

‹nsan, nereden geldi¤inimerak etmeye bafll›yor

t = 300 000 y›l, 3000 K (0.5 eV, 10-10 m):atomlar olufluyor.

Eksi elektrik yüklü elektronlar, art›yüklü proton tafl›yan çekirdeklereba¤lanmaya bafll›yorlar. Sonundahafif element diye adland›r›lanhidrojen, helyum ve lityum atomlar›olufluyor. Ifl›n›m, art›k atomlar›parçalayabilecek enerjiden yoksun.

Evren “çorba”s›nda eskiden serbestçedolaflan elektronlar, atomlaraba¤land›klar› için, sürekli bunlaraçarp›p saç›lan fotonlar, art›k serbestçeyol alabiliyorlar.

Böylece evren fleffaf hale geliyor.Bunun sonucu ›fl›n›m yerine maddeyo¤unlu¤u baflat hale geliyor.

Gökbilim, (ancak ›fl›¤› görebildi¤iiçin) Evren’in oluflum tarihinde ancakbu noktaya kadar geri gidebiliyor.

t = 109 y›l, 18 K : Gökada Oluflumu.

Kütle yo¤unlu¤unda küçük ölçekliyerel oynamalar, y›ld›z ve gökadaoluflumu için tohum ifllevi görüyor.Önceleri, belli belirsiz yo¤unlukdalgalanmalar› olarak ortaya ç›kanfarklar, fliflme süreciyle h›zla boyutkazan›yorlar. Yine de mekanizmahala tam olarak bilinmiyor. Çekirdeksentezi, yani karbondan bafllay›pdemire kadar olan a¤›rçekirdeklerin oluflmas› süreci,termonükleer tepkimelerle,y›ld›zlar›n içinde bafll›yor.

Bu süreç uzun sürüyor; baz›elementler,milyonlarca hattamilyarlarca y›lda olufluyor.Y›ld›zlar›n çöküflü ve süpernovapatlamalar› s›ras›nda anl›ksüreçlerde daha da a¤›r elementlersentezleniyor.

t = 15 X 109 y›l, 3K : ‹nsanlar

Sonunda günümüze geldik.Kimyasal süreçler, ba¤›ms›z atomlar›bir araya getirerek moleküllerinoluflmas›n› sa¤l›yor. Elektronlar›nbir arada tuttu¤u bu yap›lar,giderek daha da büyüyerek, organikmolekül dedi¤imiz daha karmafl›kyap›lara dönüflüyor.

Sonunda bu organik moleküller, d›fletkenlerin de yard›m›yla kendilerinikopyalaman›n yolunu ö¤reniyorlar.Y›ld›z tozlar› ve karmafl›k flifreler(DNA), yaflam› sentezliyor.

Dört milyar y›l süren uzun birevrim sonunda, rastlant›lar›nyads›namayacak katk›lar›ylaDünya’ya egemen olan insan,çevresindeki evreni incelemeyebafll›yor.

Kütleçekim ayr›l›yor.Elektromanyetik, zay›f ve fliddetliçekirdek kuvvetleri bir bütün olarakduruyorlar (Büyük Birleflim)

Büyük Birleşme geçen süre 10-35 saniye

Elektrozayıf Dönemgeçen süre 10-10 saniye

Elektromanyetik ve zay›f çekirdekkuvvetleri bafllang›çtaki birleflikkuvvetten ayr›l›yorlar.

Proton ve Nötronlargeçen süre 10-4 saniye

Kuarklar birleflip proton venötronlar› oluflturuyorlar

"fiiflme" durdu; geniflleme sürüyor.Büyük birleflme k›r›l›yor. fiiddetliçekirdek kuvvetiyle, elektrozay›fkuvvetin etkileri ortaya ç›k›yor.

t = 10-35 s, 1027 K (1016 GeV, 10-32m): fiiflme

Evren’in geniflli¤i her 10-34 saniyede birkatlan›yor. fiiflme 10-32 s sonundaduruyor. Evren 1050 kat geniflledi.Evren’in çap›, yaklafl›k on milyon ›fl›ky›l›na ç›k›yor. Evren’in görünebilenbölümüyse üç m kadar. Bu, Evren’iniki ucunun, ›fl›¤›n kendilerineyetiflmesinden önce neden ayn›s›cakl›kta olmalar›n› aç›kl›yor. fiiflme,Evren’i düzlefltiriyor.

t = 10-32s : fiiddetli kuvvet ayr›l›yor

Yeni bir faz geçifliyle, fliddetli çekirdekkuvveti de ba¤›ms›zlafl›yor.

Madde ve karfl› madde aras›nda, maddelehinde milyarda bir oran›nda fazlal›kolufluyor. S›cakl›k, hala kuarklar›nbirleflmesine izin vermeyecek kadaryüksek. Temel parçac›klar, bir kuarkgluon plazmas› halinde bulunuyorlar.

t = 10-10s, 1015 K (100 GeV. 10-18m) :

Evren h›zla genifllemeye devam ediyor.S›cakl›k, “termodinamik” kurallar›uyar›nca düzenli biçimde azal›yor.Sonunda zay›f çekirdek kuvveti de"donarak" ba¤›ms›z biçimde etkinleflenbir kuvvet haline geliyor.

Do¤an›n dört temel kuvveti dehareketlerinde ba¤›ms›z hale gelmifloluyorlar. Kuarklarla, antikuarklarbirbirlerini yokederken geriye küçükoranda bir madde fazlas› kal›yor.Elektrozay›f kuvveti tafl›yan parçac›klarolan W ve Z bozonlar› bozunuyor.

Bu süreç içinde s›cakl›k, kara cisim›fl›n›m›ndan kaynaklanan fotonlar›nbir madde-karfl› madde çiftiyaratacak enerjiyi yitirdi¤i noktayakadar düflüyor. Sonunda Evren’ins›cakl›¤› bu kritik noktan›n alt›nadüfltü¤ünde, bafllang›çta ortayaç›km›fl olan büyük kütleli karars›zparçac›klar yok oluyor.

t = 10-4 s, 1013 K (1GeV, 10-16m):

Evren’in gözleyebildi¤imiz k›sm›Günefl Sistemimizin boyutlar›nakadar büyümüfl durumda. S›cakl›kazald›kça kuarklarla antikuarklar›nbirbirlerini yok etmesi süreci sonaeriyor. Arta kalan kuarklar proton venötronlar› oluflturuyorlar.

t = 1s, 1010 K (1MeV, 10-15m):nötrinolar ayr›l›yorlar

Elektrik yüksüz parçac›klar olannötrinolar etkisiz hale geliyorlar.Elektron ve pozitronlar birbirleriniyok ediyor ve yeniden oluflmuyorlar.Ancak fazladan bir miktar elektronkal›yor.

Protonlar, daha a¤›r olan nötronlaragöre çok daha kararl› parçac›klar. Bunedenle aralar›ndaki denge sürekliolarak proton lehine gelifliyor. Bu ikiparçac›k aras›nda, 50:50 olan oranbu evrede 25:75 durumuna geliyor.

t < 10-43 s: Büyük Patlama

Evren, sonsuz bir enerjiyo¤unlu¤undaki tek bir noktadanbafllayarak h›zla genifllemeye bafll›yor.

t = 10-43s, 1032K (1019 GeV, 10-34m):

Kütleçekim "donuyor"Bafllang›çta tüm madde parçac›klar›ylakuvvet tafl›y›c› parçac›klar, bir termaldenge içindeler (ayn› oranda oluflupyok oluyorlar). Bu parçac›klar, (yanimadde) fotonlarla (yani ›fl›n›mla) birarada, ayr›flmam›fl ayn› "çorba" içindebulunuyorlar.

Bir "faz geçifli" sonucu, kütleçekim,elektromanyetik, zay›f ve fliddetliçekirdek kuvvetlerinden ayr›larak,ba¤›ms›z bir kuvvet olarak "donuyor".Öteki üç kuvvet, kuark ve leptonlarüzerindeki etkileri bak›m›ndanbirbirlerinden farks›z. Kütleçekimininayr›lmas›, temel kuvvetler aras›ndakiilk simetri bozulmas›.

37

7.

S

AY

IN

IN

E

K‹

D‹

R

TÜB‹TAK

Çekirdeklerin Oluşumugeçen süre 100 saniye

Proton ve nötronlar birlefliphelyum çekirdeklerinioluflturuyorlar

t = 3 dakika, 109 K (0.1) MeV, 1012m):Çekirdekler olufluyor

Art›k s›cakl›k, çekirdeklerinoluflmas›na izin verecek kadar düflük..Evren’deki koflullar, günümüzdey›ld›zlar›n merkezlerindeki, ya datermonükleer bombalar›n patlamakoflullar›n› and›r›yor. Döteryum (a¤›rhidrojen), helyum ve lityum gibigörece a¤›r çekirdekler, varolannötronlar› yakal›yorlar. Artakalannötronlar da yaklafl›k 1000 saniyeiçinde bozunuyorlar. Nötron-protonoran› 13:87’ye iniyor.

Evren’in yap›s› büyük ölçüdetamamlanm›fl oluyor. Temel olarakprotonlardan (% 75) ve helyumçekirdeklerinden olufluyor. S›cakl›k,hala atomlar›n oluflmas›na izinvermiyor. Elektronlar, serbestparçac›klardan oluflan bir gazdurumunda.

Evren’in Tarihi

Herşeyin Kuramı

Elektromanyetizma19. yüzy›lda, fizi¤in en önemli u¤raflalanlar›ndan olan elektrik vemanyetizman›n, asl›nda birbirleriyledo¤rudan iliflkili oldu¤u James ClerkMaxwell’in çal›flmalar›yla gün yüzüneç›kt›. Maxwell, kendi ad›yla an›lan

"Maxwell Denklemleri"ndeözetledi¤i çal›flmas›nda, elektrik vemanyetizma olgular›n› tek bir"elektromanyetizma" kuram›ndabirlefltirdi. Bu, ayn› zamandaelektromanyetik dalga kuram›n›n dabafllang›c› oldu.

J. C

. Max

wel

l

fiiddetli Çekirdek Kuvvetifiiddetli çekirdek kuvveti,atom çekirde¤i içindenükleonlar› (protonlar venötronlar) birarada tutantemel kuvvet. Nükleonlar›nfliddetli etkilefliminde,

mezon adl› parçac›k al›flverifli olur. Kuram›gelifltirenler, 1932 y›l›nda nükleonlar›n varl›¤›n› öne

süren Alman fizikçi WernerHeisenberg (1901-1976) vemezonlar›n varl›¤›n› ortayakoyan Japon fizikçi HidekiYukawa (1907-1981).

W. H

eise

nber

g

H. Y

ukaw

a

QCD

Kuantum Renk Dinami¤i (QuantumChromodynamics-QCD), fliddetlietkileflimi, temel parçac›klar›n "renk" ve"tat"lar›yla aç›kl›yor. Kuarklarla, fliddetlikuvveti tafl›yan gluonlar renk yükünesahip. ABD'li fizikçi Murray Gell-Mann

(1929-) taraf›ndan 1972 y›l›nda son biçimi verilen modele görenükleonlarla, mezonlar, üç “renk” (k›rm›z›, mavi ve yeflil) ve alt›ayr› "tat" tafl›yan kuarktan olufluyorlar. Kuarklar, yukar› ve afla¤›,garip ve t›ls›ml›, alt ve üst diye ayr›l›yor. Bunlar, üçlü gruplarhalinde proton ve nötronlar› oluflturuyorlar. Mezonlarsa birerkuark ve antikuarktan olufluyor. Bu birleflimlerde, kuarklar›n

üstüste gelen renkleri "silindi¤inden" proton ve nötronlar"renk yükü" tafl›m›yorlar. Gluonlar ve mezonlar renk

yükleriyle fliddetli kuvveti tafl›yorlar. Do¤adagözlenen parçac›klar›n renk yükü tafl›mayacaklar›n›

Japon fizikçi Yoichiro Nambu (1921-) öne sürdü.

M. G

ell-

Man

n

Y. N

ambu

Elektrozay›f Kuvvet

Elektromanyetik ve zay›f çekirdek kuvvetleri, 1960'l›y›llarda özdefllefltirildi. Bu alanda çal›flmalar yürüten

Pakistanl› fizikçi Abdus Salam(1926-1997) ve ABD'li StevenWeinberg (1933-) ile Sheldon L.Glashow (1932-), 1979 y›l›ndaNobel ödülünü paylaflt›lar.Elektrozay›f kuram›,elektromanyetik kuvvetintafl›y›c›s› olan fotonlarla, çekirdek

bozunmas›ndan sorumlu zay›f kuvvet tafl›y›c›lar›bozonlar›n 100 GeV enerji düzeyinde özdefl etkilerkazanmas›n› aç›kl›yor. Etkileflmede, fotonlarlabozonlar, (henüz gözlenmemifl) Higgs parçac›¤›arac›l›¤›yla kütle kazan›yorlar.

A. S

alam

S. L

. Gla

show

S. W

einb

erg

Büyük Birleflik Kuram

Büyük Birleflik Kuram (GrandUnified Theory - GUT),elektrozay›f ve fliddetliçekirdek kuvvetleriniözdefllefltirme çabas›. “GUTkuvveti”nin tafl›y›c›lar›, W±, Z0

bozonlar›, 8 gluon ve birleflmede ortayaç›kaca¤› hesaplanan X ve Y parçac›klar›.GUT kuvveti, 1015 GeV gibi muazzamenerjiler istiyor. Fizikçiler, "boyutbüyüterek" birlefltirme enerjisini, parçac›kh›zland›r›c›lar›n›n erimindeki 1 TeV

düzeyine düflürmeyiumuyorlar. Önemlikatk› yapanlar,Glashow, Weinbergve Türk fizikçi FezaGürsey (1921-1992).

F. G

ürse

y

QEDMaxwell’in kuram›ndansonra, elektromanyetikkuvvetle ilgili en önemliad›m, etkileflimin dahabaflar›l› bir modeli olankuantum elektrodinami¤i

(Quantum Electrodynamics-QED). QED, k›saca, elektrikyüklü parçac›klarla elektromanyetik alan›n etkileflim kuram›.QED, Amerikal› fizikçiler Richard P. Feynman ile Julian S.Schwinger (1918-1994) ve Japon Shin’ichiro Tomonaga(1906-1979) taraf›ndan 1940’lar›n sonunda tamamland›.Ifl›¤›n kuantum kuram› olarak da adland›r›lan QED,

elektromanyetik kuvveti tafl›yan kütlesizfotonlar›n, yüklü parçac›klarlaetkileflmesini aç›kl›yor. Etkileflimlerdeki,

foton al›fl-verifli Feynmandiyagramlar›ylagösteriliyor.

S. T

omon

aga

J. S.

Sch

win

ger

R. P

. Fey

nman

Zay›f Çekirdek KuvvetiTemel parçac›klar aras›nda etkiliolan zay›f çekirdek kuvvetininetkin oldu¤u aral›k çok k›sa.Kütleli kuark ve leptonlar›n, dahahafif kuark ve leptonlarabozunmas›ndan sorumlu bu

kuvvetin tafl›y›c› parçac›klar› W± ve Zo bozonlar›. Zay›fkuvvet ayr›ca, leptonlar (elektronlar ve nötrinolar)aras›ndaki tepkimeleri düzenliyor. Modelin oluflmas›nda

önemli iki ad›m, Avusturyal› fizikçiWolfgang Pauli’nin (1900-1958) 1932

tarihli nötrino kuram› ve ‹talyanfizikçi Enrico Fermi’nin(1901-1954) 4-fermiyonlu zay›f

etkileflimler modeli.

E. F

erm

i

W. P

auli

Klasik Alan Kuramları Kuantumlu Alan Kuramları

Kütleçekim Kuvveti

Kütleçekim, temel kuvvetler aras›nda enzay›f olan›. Ufac›k bir m›knat›s bile,koskoca dünyan›n çekim gücünüaltederek masam›z›n üzerindeki birtoplu i¤neyi kald›rabiliyor. Buna karfl›n,en uzak erimli kuvvet. Dünya'n›n,

Günefl'in, Samanyolu'nun, gökada kümelerininetkileflimini kütleçekim yönetiyor. Düz (Euclides)geometrisinin geçerli oldu¤u eski Evren modelindekütleçekimin etkilerini, ‹ngiliz matematikçi IsaacNewton kuramsallaflt›rd›. Ortaya koydu¤u yasalar,küçük ölçekte (Evren'in bu ölçekte düz görünenbiçimi nedeniyle) geçerlili¤ini koruyor. Amakütleçekimi çok daha baflar›l› biçimde aç›klayanAlman matematikçi ve fizikçi Albert Einstein (1879-1955). Genel görelilik yasas›yla (1916) Einstein,kütleçekimin, uzay-zaman›n e¤rili¤indenkaynaklanan bir etki oldu¤unu kan›tlad›. Bu kuvveti,henüz gözlenememifl graviton adl› bir parçac›¤›ntafl›d›¤› varsay›l›yor. Evren'in bafllang›c›nda birleflik

dört kuvvetten ilk kopan,kütleçekimi. Bu nedenle dört

kuvvetin yenidenözdeflleflmesi için

neredeyse BüyükPatlama fliddetinde

enerjiler gerekiyor.

A. E

inst

ein

Sicim Kuram›

Sicim kuram›, dörttemel kuvvetiözdefllefltirmede,di¤erlerine göre dahabaflar›l› bir kuram.Parçac›klar, standart

modelde uzay-zamanda ayr›k"noktalar" halinde tan›mlan›yor.Oysa sicim kuram›, tümparçac›klar›, sürekli titreflimiçinde bulunan bir göreli sicimolarak betimliyor. Sicimin de¤ifliktitreflimleri, de¤iflik madde vekuvvet parçac›klar›na karfl›l›kgeliyor. Bilinen her parçac›¤›n bir"süper karfl›t›" oldu¤unu varsayansüpersimetri modellerini deiçeren süpersicim kuram›, dörtkuvveti özdefllefltiren en baflar›l›kuram. Yaln›z bu, bildi¤imiz dörtboyuta (üç uzay ve bir zamanboyutuna) ek olarak 6 uzay

boyutu daha gerektiriyor. 1019

GeV gibi eriflilmesi olanaks›zenerji düzeylerinde birleflmesa¤layacak sicim modellerindeen önemli katk›lardabulunanlardan birisi Amerikal›fizikçi Edward Witten (1949-).

E. W

itten

Fizikte Birlefltirme Kuramlar›

3 7 7 . S A Y I N I N E K ‹ D ‹ R

TÜB‹TAK