Parçacık Etkileşimleri ve Korunum Yasaları

Parçacıkların standart modelinin geliştirilmesinde, bazı etkileşim tiplerinin ve bozunumlarının yaygın olduğu gözlemlenirken, başkaları yasaklanmış gibi görünmüştür. Etkileşimlerin incelenmesi, onları yöneten çok sayıda korunum yasasına götürmüştür. Bu korunum yasaları, parçacık etkileşimleri âleminde geçerliliğini koruyan enerji korunumu, yük korunumu vb klasik korunum yasalarına ilaveten mevcuttur.

Güçlü geniş kapsamlı korunum yasaları baryon sayısının korunumu ve lepton sayısının korunumudur. Farklı temel parçacıklara belirli kuantum sayıları atanmıştır ve diğer korunum yasaları o kuantum sayılarıyla ilişkilendirilir.

Bir başka bakış açısından, kütlesi sonlu olan yerelleşmiş her parçacık kararsız olmalıdır çünkü daha ufak birkaç parçacığa bozunum, enerjiyi dağıtmak için çok daha fazla yol sağlar ve dolayısıyla entropisi daha yüksek olur. Bu düşünce, "totalitaryen ilke" denilen bir ilke olarak da ifade edilmiştir; bu ilke şöyle ifade edilebilir: “Yasaklanmamış her süreç gerçekleşmek zorundadır.” Bu bakış açısından, beklenen ama gözlemlenmeyen her bozunum sürecinin gerçekleşmesi bir korunum yasasıyla engelleniyor olmalıdır. Bu yaklaşım, parçacık bozunumu kurallarını belirlemeye yardım etmede yararlı olmuştur.

Parite, izospin ve gariplik için korunum yasaları, parçacık etkileşimlerinin ayrıntılı gözlemleriyle geliştirilmiştir. Yük eşlenikliği (C), parite (P) ve zaman tersinirliğinin (T) kombinasyonu, temel bir simetri işlemi olarak düşünülür; tüm fiziksel parçacıklar ve etkileşimler bu kombinasyon altında değişmez (invaryant) gibi görünmektedir. CPT değişmezliği denilen bu simetri, doğayı kavrayışımızın derinliklerine iner.

Hangi etkileşimlerin bekleneceğini öngörmede yüksek enerji fizikçisinin alet çantasındaki bir diğer gereç ise "geçiş simetrisi"dir. Gözlemlenen her etkileşim, herhangi bir parçacığı tepkime simgesinin diğer tarafında “geçirip” onu kendi antiparçacığına çevirerek, ilişkili başka etkileşimleri öngörmek için kullanılabilir.

Dizin

Parçacık kavramları

Kaynaklar:
Blatt
Ch. 17

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği

R Nave

Geri Dön







Baryon Sayısının Korunumu

Doğanın parçacık etkileşimleri ve bozunumları için belirli kuralları vardır ve bu kurallar korunum yasaları şeklinde özetlenmiştir. Bunların en önemlilerinden biri baryon sayısı korunumudur. Baryonların her biri B=1’lik bir baryon sayısına sahiptir. Bu, her bir kuarka 1/3’lük bir baryon sayısı atamaya eşdeğer olarak düşünülebilir. Bu da, bir kuark ile bir antikuarktan oluşan mezonların baryon sayısının B=0 olacağına işaret eder. Doğadaki bilinen hiçbir bozunum süreci ya da etkileşim net baryon sayısını değiştirmez.

Nötron ve tüm daha ağır baryonlar doğrudan protonlara bozunur veya nihayetinde protonlar oluşturur; proton kütlesi en küçük olan baryondur. Bu da, baryon sayısının korunumunu çiğnemeden protonun bozunacağı parçacık olmadığı anlamına gelir; dolayısıyla eğer baryon sayısı korunumu tam olarak geçerliyse, proton bozunmaya karşı tamamen dayanıklı demektir. Kuvvetlerin büyük birleşiminin öngörülerinden biri, protonun bozunma olasılığına sahip olmasıdır; o nedenle bu olasılık deneysel olarak araştırılmaktadır.

Bayon sayısı korunumu şu tip bir bozunumu yasaklar:

 

Ama yeterli enerjiyle, şu tepkimede çift oluşumuna izin verir:

 

Şu bozunumun gözlenmiş olduğu gerçeğinden ötürü, mezon sayısının korunumu için karşılık gelen bir ilke olmadığı çıkarımı yapılabilir:

Pion, bir kuark ile bir antikuarktan oluşan bir mezondur ve eşitliğin sağ yanında sadece leptonlar vardır. (Eşdeğer olarak, mezona 0 şeklinde bir baryon numarası atanabilir.)

Dizin

Parçacık kavramları

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği

R Nave

Geri Dön







Lepton Sayısının Korunumu

Doğanın parçacık etkileşimleri ve bozunumları için belirli kuralları vardır ve bu kurallar korunum yasaları şeklinde özetlenmiştir. Bunların en önemlilerinden biri lepton sayısı korunumudur. Bu kural, baryon sayısının korunumundan biraz daha karmaşıktır çünkü leptonların her bir üçlü kümesi (elektron, müon ve tau ile onlara atanan nötrinolar) için ayrı bir gereklilik bulunur.

İlk dikkate değer örnek nötron bozunumunda bulunmuştur. Nötronun bir proton ile bir elektrona bozunumu gözlemlendiğinde, iki parçacıklı bozunumun şablonuna uymamıştır. Yani, enerji ve momentum korunumlarının iki parçacıklı bozunum için gerektirdiğinden farklı olarak, salınan elektron belirli bir enerjiye sahip olmamıştır. Bu, üçüncü bir parçacığın salındığına işarettir ki biz artık onu elektron antinötrinosu olarak adlandırıyoruz.

Elektrona 1 şeklinde bir lepton sayısının ve elektron antinötrinosuna da -1 şeklinde bir lepton sayısının atanması, yukarıdaki ikinci tepkimede her iki yandaki lepton sayısını da sıfıra eşitler; ilk tepkimede ise lepton sayısı korunmamaktadır.

Aşağıdaki iki bozunum sürecinin gözlemi, müonlar için yine korunması gereken ayrı bir lepton sayısının olduğu sonucuna götürmüştür.

Yukarıdaki ilk tepkime (pionun bozunumu), bozunumdan net tanımlanmış bir müon enerjisi gözlemlenmesi gerçeği sayesinde iki cisimli bir bozunum olarak bilinir. Bununla birlikte, müonun bir elektrona bozunumu, elektron enerjilerinin bir dağılımını üreterek, en az üç cisimli bir bozunum olduğunu gösterir. Hem elektron lepton sayısının, hem de müon lepton sayısının korunması amacıyla, o halde, diğer parçacıkların bir elektron antinötrinosu ile bir müon nötrinosu olması gerekir.

Dizin

Parçacık kavramları

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği

R Nave

Geri Dön







Parite

Parçacık etkileşimlerinde geçerli olan korunum yasalarından biri parite ile ilgilidir. Kuarklar +1 olarak, antikuarklar -1 olarak tanımlanmış içsel paritelere sahiptir. Nükleonlar, +1 içsel pariteli olarak tanımlanır. Kuark ile antikuarkın antiparalel spinli (s=0) olduğu bir mezon için parite şöyle verilir:

Mezon paritesi şöyle verilir:

Kuark- antikuark çiftleri (mezonlar) için en düşük enerji durumları sıfır spine ve negatif pariteye sahip olacaktır ve sanki-skaler mezonlar olarak adlandırılır. Dokuz sanki-skaler mezon, bir mezon diyagramında gösterilebilir. Bu durumlar için bir notasyon çeşidi, onların açısal momentumlarını ve paritelerini belirtir:

Mezonların uyarılmış durumları mevcuttur ve bunlarda kuark spinleri hizalanmıştır; sıfır yörüngesel açısal momentumla j=1 verir. Böyle durumlar vektör mezonlar olarak adlandırılır.

Vektör mezonlar, fotonlarla aynı spin ve pariteye sahiptir.

Tüm nötrinoların “solak” olduğu keşfedilmiştir ve içsel pariteleri -1’dir. Antinötrinolar ise sağ-elli olup, pariteleri +1’dir.

Dizin

Parçacık kavramları

Kaynaklar:
Rohlf
Ch. 17

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği

R Nave

Geri Dön







İzospin

İzospin, proton ve nötron gibi hemen hemen aynı kütleye sahip olan parçacıkların topluluğunu tanımlamak için ortaya atılmış bir terimdir. Proton-nötron parçacık ikilisinin izospinin ½ olduğu söylenir ve proton +1/2 iken, nötron -1/2’dir. Üç pion bir üçlü meydana getirerek, izospinin 1 olduğuna işaret eder; artı için +1, yüksüz için 0 ve eksi için -1’dir. İzospin parçacık diyagramlarında bir eksen olarak kullanılır; diğer eksen de gariplik olur. İzospin gerçekte spin değildir ve açısal momentum birimlerine sahip değildir; spin terimi içerir çünkü izospinlerin eklenmesi spinle aynı kurallara uyar.

İzospin, güçlü etkileşimin elektrik yükünden bağımsız olduğu gerçeğiyle ilişkilendirilen boyutsuz bir niceliktir. Proton-nötron izospin ikilisinin üyelerinin bütün ikilileri, aynı güçlü etkileşimi deneyimler: proton-proton, proton-nötron, nötron-nötron hep aynı güçlü kuvvet çekimine sahiptir.

Kuark düzeyinde, yukarı ve aşağı kuark bir izospin ikilisi oluşturur (I=1/2) ve yukarı kuarka I3 = +1/2 izdüşümü, aşağı kuarka da I3 =-1/2 izdüşümü atanır. (Burada kullanılan 3 alt indisi üçüncü bileşen içindir; spin ve yörüngesel açısal momentumla kullanılan z yerinedir çünkü literatürün büyük bölümünde böyle yapılmıştır.) Diğer kuarklara izospin I=0 atanır. İzospin, parçacıkların diğer kuantum sayılarıyla şöyle bir ilişki içindedir:

Bu bağıntıya Gell Mann-Nishijima formülü denir. Bazı kaynaklar izospin için T kullanmıştır ama görünüşe bakılırsa çoğunluk izospin için I, zayıf izospin için T kullanmaktadır. İzospin, şu süreçle gösterildiği gibi, güçlü etkileşim bozunumlarının izospini korumasını gerektiren bir korunum yasasıyla ilişkilidir:

Burada herhangi bir kuark dönüşümü yoktur; dolayısıyla, güçlü etkileşim yoluyla bozunuyor olması beklenir. Ancak, izospini korumamaktadır ve güçlü etkileşim yoluyla değil, elektromanyetik etkileşim yoluyla bozunduğu gözlemlenmiştir. Eğer güçlü etkileşimle bozunabiliyorsa öyle yapacaktır diyen totalitaryen ilke kabul edilerek, deneysel ayırt etme bozunum ömrünün gözlemlenmesiyle yapılır.

Dizin

Parçacık kavramları

Kaynaklar:
Rohlf
Ch. 17

Blatt
Ch. 17

Griffiths
Sec. 4.5

 

HiperFizik***** Kuantum Fiziği

R Nave

Geri Dön