Kuark

Kuark, maddenin en temel yapı taşlarından biri olan bir parçacıktır. Atom çekirdeğini oluşturan proton ve nötron, kuarkların bir araya gelmesiyle oluşur. Gündelik hayatta gördüğümüz bütün madde aslında iki tür kuarktan (yukarı ve aşağı) ve elektronlardan yapılmıştır. Kuark modeli 1964'te Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından birbirinden bağımsız olarak önerildi. Ad, James Joyce'un Finnegans Wake kitabındaki "Three quarks for Muster Mark" dizesinden alınmıştır.

Nasıl işler?

Kuarkların altı çeşidi (fizikçilerin deyişiyle "çeşnisi") vardır: yukarı, aşağı, tılsımlı, garip, üst ve alt. Elektrik yükleri kesirlidir: yukarı, tılsımlı ve üst kuarklar +2/3, diğerleri −1/3 birim yük taşır. Bu yüzden proton (iki yukarı, bir aşağı kuark) +1, nötron (bir yukarı, iki aşağı) 0 yüklüdür. Her kuarkın yükü ters işaretli bir karşıt kuarkı da vardır.

Kuarkları birbirine bağlayan güçlü etkileşimin kaynağı "renk yükü"dür; kırmızı, yeşil ve mavi diye adlandırılan bu üç yükün gerçek renklerle ilgisi yoktur. Kuvveti gluon denen parçacıklar taşır. Renk hapsi denen olgu nedeniyle kuarklar hiçbir zaman tek başına görülmez; yalnızca hadron denen bileşik parçacıkların içinde bulunur. İlginç bir ayrıntı: protonun yaklaşık 938 MeV'lik kütlesinin yalnızca 9 MeV kadarı üç kuarkın kendi kütlesinden gelir, geri kalanı onları bağlayan alanın enerjisidir.

Kuarklar spini 1/2 olan fermiyonlardır ve üç kuşak hâlinde gruplanır: birinci kuşakta yukarı ve aşağı, ikincide tılsımlı ve garip, üçüncüde üst ve alt kuarklar yer alır. Üst kuşaklar daha ağır ve daha kararsızdır. Bir kuarkın çeşnisi yalnızca zayıf etkileşimle değişebilir; nötronun protona dönüştüğü beta bozunmasında olan da budur: aşağı kuarklardan biri bir W bozonu salarak yukarı kuarka dönüşür. Deneyler kuarkların protonun on binde birinden küçük, yani noktasal olduğunu gösteriyor.

Çeşni adlarının da kendi hikâyesi vardır. Garip kuark, adını kuark modelinden yıllar önce kozmik ışınlarda bulunan ve beklenmedik ölçüde uzun ömürlü olduğu için "garip" diye anılan parçacıklardan alır. Kuark modelinin başından beri öngörülen, dört ya da beş değerlik kuarktan oluşan tetrakuark ve pentakuark gibi egzotik hadronlar ise ancak 21. yüzyılın başında bulunabildi.

Örnekler

Protonun içinde noktasal parçacıklar bulunduğu 1968'de Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi'ndeki saçılma deneyleriyle görüldü. Tılsımlı kuark 1974'te, alt kuark 1977'de bulundu; en ağırı olan üst kuark 1995'te Fermilab'de keşfedilerek listeyi tamamladı. Ağır kuarklar yalnızca hızlandırıcılarda ve kozmik ışınların yol açtığı yüksek enerjili çarpışmalarda oluşur ve hızla hafif kuarklara bozunur.

Sıcaklık yeterince yükselirse hapis çözülür ve kuarklarla gluonlar serbestçe dolaşan bir "çorba" oluşturur. Bu kuark-gluon plazması, Büyük Patlama'dan sonraki ilk milyonda bir saniye içinde evreni doldurmuştu. CERN 2000'de kurşun çekirdeklerini çarpıştırarak bu yeni madde hâline dair kanıt açıkladı; ABD'deki RHIC hızlandırıcısında 2005'te yayımlanan sonuçlar ise plazmanın neredeyse kusursuz bir sıvı gibi davrandığını gösterdi.

Neden önemli?

Kuarklar, parçacık fiziğinin Standart Modeli'nin temel taşlarındandır ve dört temel etkileşimin hepsine katılan bilinen tek temel parçacıklardır. Kuark-gluon plazmasını incelemek, evrenin ilk anlarını laboratuvarda yeniden canlandırmanın tek yoludur. Nötron yıldızlarının merkezindeki gibi aşırı yoğun ortamlarda kuarkların farklı bir madde hâli oluşturabileceği de düşünülmektedir.

İlgili terimler

• Proton
• Gluon
• Hadron
• Kuark-gluon plazması
• Standart Model
• Nötron yıldızı