Yukawa’ ın Mezon Öngörüsü Nükleonlar (p veya n) arasındaki güçlü bağlanmayı sağlayan ne? Yukawa (1935) kısa mesafelerde büyük yaklaşık 2 fm’ den büyük mesafelerde hızlıca azalan yeni bir potansiyel postüla etti. Problemi göreli kuantum teoride ele aldı. Göreli kuantum dünyasında parçacıkların kuvveti taşıyan sanal parçacıkların alışverişiyle etkileştiklerini net bir şekilde gösterdi. Piyonların kütlesini öngördü. Hideki Yukawa 1949 Nobel Ödülü

Yukawa’nın Öngörüsü Yeni yazdığı potansiyeli elektromanyetizmaya benzeterek

Pionlar Yukawa’ nın güçlü kuvvet teorisi mezon adı verilen orta büyüklükte kütleye sahip bir bozon öngörür. Başlangıçta müonun bu parçacık olduğu düşünüldü, fakat sonradan müonun bir fermiyon olduğu ve güçlü etkileşmeye katılmadığı anlaşıldı. 1947 ’ de C. F. Powell ve G. P. Occhialini yüklü pi mezon (veya basitçe piyon)’un yaklaşık 140 MeV’ lik nötr piyonun ise 135 MeV kütleye sahip olduğu keşfetti. Üç tip piyon vardır: pi sıfır, pi artı, ve pi eksi. Daha sonraları diğer mezonlar keşfedildi - K ve eta Bir proton ve bir nötron arasında piyon değiş-tokuşunu gösteren Feynman diyagramı

Müonu kim sipariş etti? 1936’ da Anderson kozmik ışınları gözlemlerken yaklaşık 100 MeV kütleli çok ağır bir elektron keşfetti. Onun kütlesi Hafif elektronla (lepton = hafif) proton (baryon = ağır) arasında olduğundan mezon dendi. Fakat bugün bu isim diğer parçacıklar için kullanılır ve negatif yüklü müon veya kısaca mü eksi denir ve o bir mezon değil leptondur. Müonun antisi mü artıdır.

Müon madde ile çok zayıf etkileşir, ağır bir leptondur. Müonların çoğu atmosferin üst katmanlarında oluşmasına rağmen dünya yüzeyine kadar ulaşırlar. Müon - I. Rabi , Neden böyle bir parçacığa ihtiyaç olduğunu anlamamış ve müonu kim sipariş etti demiştir.

Temel parçacıklara tekrar gözatalım? Leptons : electron, positron electron neutrino, electron antineutrino mu minus, mu plus muon neutrino, muon antineutrino tau minus, tau plus tau neutrino, tau antineutrino Mesons : pi zero, pi plus, pi minus kay zero, antikay zero, kay plus, kay minus eta Baryons : proton, antiproton neutron, antineutron lambda, antilambda sigma zero, sigma plus, sigma minus and their three anti-s xi zero, antixi zero, xi minus, antixi plus omega minus, antiomega plus

Kuarkların Keşfi Sanal g 4-momentum taşır. Büyük q  Büyük, küçük Büyük, büyük Büyük momentumlarla kısa zaman ve uzayı inceleyebiliriz. Rutherford Saçılması Q2 küçük E = 8 GeV Uyarılmış durumlar q2 artan Expected Rutherford scattering E Q2 büyük Protonlardan kuarkların elastik saçılması l<< proton’ un büyüklüğü q2 > 1 (GeV)2

Sis odasında kararlı parçacıklarla çarpışan enerjik parçacıklar yakınlarındaki maddeyi buharlaştırarak görünür bir iz oluştururlar. Manyetik alan yüklü parçacıkların dairesel yörüngelerde dönmesine sebep olur.

Tılsımlı kuarkın keşfi

Parçacıkların Kuarklarla Tanımı 1/3e -2/3e 2/3e -1/3e Parçacıkların Kuarklarla Tanımı Baryonlar üç kuark veya üç karşıtkuarktan oluşur. Bir mezon bir kuark- karşıtkuark çiftinden oluşur.

Bilinen maddenin parçacıkları u d -1/3 +2/3 charge Leptons: n = neutrino e = electron Quarks: u = up d = down -1 Çevremizdeki bütün kararlı maddeler elektronlar, nötrinolar, u and d “kuark”lar kullanılarak tanımlanabilir.

Millikan Yağ Damlası Deneyi

Yağ Damlası Deneyi , 2 Plakalar arasında elektrik alan yokken , elektrona kütleçekim kuvveti ve sürüklenme kuvveti (viskozite) etkir. Damlalar limit hıza ulaşır.

Yağ Damlası Deneyi, 3 Plakalararasına elektrik alan uygulandığında Üstteki plaka daha yüksek potansiyele sahip olur. Elektrik kuvvet sürüklenme hızı ve kütleçekiminin toplamına eşit olduğunda damla yeni bir limit hıza ulaşır.

Yağ Damlası Deneyi, SON Damla havada tutulabilir ve elektrik alanı açıp kapatarak düşmesine izin verilebilir. Pekçok denemeden sonra , Millikan şu sonuca ulaştı: q = ne , n = 0, -1, -2, -3, … e = 1.60 x 10-19 C Bu sonuç yükün kuantumlu olduğunu söyler.

1. AİLE: 2 Elektronlar (electron and positron), and 2 electron neutrinos (nötrino and karşıtnötrino) 2. AİLE: 2 müonlar and 2 muon nötrino 3. AİLE: 2 Taular, and 2 tau nötrinolar 12 parçacık+6 kuarkx3x2anti+3zayıf etk.bozon +(3 gluonx3-1)+1 foton= 60 tane temel parçacık!!!

Hafif kuarklar: u mu ~ 5 MeV d md ~ 10 MeV s ms ~ 150 MeV Ağır kuarklar: c mc ~ 1500 MeV b mb ~ 4500 MeV t mt ~ 175,000 MeV QCD ~ 150 MeV İhmal et

Sonuç olarak kaç tane Bozona sahibiz ? Higgs bozonu – elektrozayıf teoride parçacıklara kütle kazandıran bozon Ve pekçok henüz tespit edilmemiş … Y X W-prime, Z-prime, …

nucleus of atom made of protons, neutrons Parçacıkların sınıflandırılması “Acaba bilinen fiziği maddenin birkaç temel yapıtaşlıyla tanımlayabilirmiyiz?” nucleus of atom made of protons, neutrons proton ve nötron aslında aynı “parçacık” ( farklı izotopik spin) pions: p+(140 MeV) p-(140 MeV) po(135 MeV) kaons: k+(496 MeV) k-(496 MeV) ko(498 MeV) Neden Mn > Mp ve Mko > Mk+ fakat Mp+ > Mpo Þ Fermi ve Yang’ ın modelinde (19 50’ ler): pion ‘ un nükleon ve karşıt-nükleonlardan oluştuğu (yani SU(2) simetrisini kullandılar) varsayıldı. Not: bu model karşıtprotonun keşfinden önce önerildi ! Yeni kararsız parçacıkların keşfiyle (L, k) yeni bir kuantum sayısı bulundu: Þ acayiplik

Q = I3 +(S + B)/2= I3 +Y/2 (S+B) için hiperyük (Y) adını kullandı. Gell-Mann, Nakano, Nishijima tüm parçacıkların elektrik yükünün (Q) izospinin 3. bileşeniyle, Baryon sayısıyla (B) ve acayiplikle (S) ilişkili olabileceğini farketti: Q = I3 +(S + B)/2= I3 +Y/2 (S+B) için hiperyük (Y) adını kullandı. I3’ ün Y’ ye göre çizimi yapıldığında ilginç bir görüntü ortaya çıkar:

Mn > Mp and Mko > Mk+ and Mp+ > Mpo Sakata (1950) Parçacık Modeli: Q = I3 +(S + B)/2 kullandı tüm parçacıkların p, n ve L’ nın kombinasyonlarından oluştuğunu kabul etti. SU(3) simetrisini kullanmayı denedi. Mn > Mp and Mko > Mk+ and Mp+ > Mpo Maalesefki, modelin pekçok problemi vardı….örneğin neden pionlar yada kaonlar temel parçacık olmasındı….

1960’ larda kuarklar Kuark Model Gell-Mann, Zweig, Okubo, and Ne’eman (Salam) tarafından geliştirildi: 1960’ lardaki üç temel yapıtaşı (p,n,l) Þ 1970’ lerde (u,d,s) kuark oldu mezonlar bir kuark ve karşıtkuarkın bağlı durumu oldu: Baryonlar 3 kuarkın bağlı durumu oldu: proton = (uud), nötron = (udd), L= (uds) karşıtbaryonlar 3 karşıtkuarkın bağlı durumu: Kuarklar: noktasal spin 1/2 fermionlar parite = +1 (karşıtkuarklar için -1 ) iki kuark izospin ikilileri (u and d), s izotekli (=0) oluşturur. Q = I3 +1/2(S+B) = I3 +Y/2 uyar Grup yapısı SU(3) Her kuarka bir karşıtkuark karşılık gelir kuarklar tüm etkileşmeleri hisseder (kütleye ve elektrik yüküne sahiptirler…)

Kuark Modelinin Başarıları : Ek kuark kuantum sayıları aşağıdadır: Kuantum sayısı u d s c b t Elektrik yükü 2/3 -1/3 -1/3 2/3 -1/3 2/3 I3 1/2 -1/2 0 0 0 0 Acayiplik 0 0 -1 0 0 0 Tılsım 0 0 0 1 0 0 Alt 0 0 0 0 -1 0 Üst 0 0 0 0 0 1 Baryon sayısı 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 Lepton sayısı 0 0 0 0 0 0 Kuark Modelinin Başarıları : Bilinen tüm parçacıkları 3 temel yapıtaşına göre sınıflandırdı yeni parçacıklar öngördü (örneğin W-) bazı parçacıkların neden varolmadığını söyledi. (örneğin S = +1 olan baryonlar) mezonlar ve baryonlar arasındaki kütle ayrışmasını açıkladı mezonlar ve baryonların manyetik momentini açıkladı saçılma tesir kesitlerini açıkladı (örneğin spp/spp = 2/3) Başarısızlıkları: serbest kuark neden yoktur açıklayamaz (QCD açıkladı) D++= uuu baryon neden Pauli dışarlama ilkesine uymaz açıklanamadı ( renk ile açıklandı) protondaki kuarkları birarada tutan şey neydi ? (gluonlar! ) Kaç çeşit kuark vardır ? (6?)

Dinamik Kuark Model ( 70’ lerden bugüne!) kuark-kuark etkileşmesinin teorisi Þ QCD gluonları içerir. QCD’ nin Başarıları: Neden serbest kuark yoktur sorusunu cevaplar Þ Kuarklar ebediyen hadronlar içine hapsolmuştur. Tesir kesitlerini hesaplar. Baryonların ve mezonların ömrünü hesaplar. Modelin Başarısızlıkları/Problemleri: QCD’ de pertürbatif olmayan hesaplamaları yapmak çok zordur. Yüksek enerjili çarpışmalarda hadronların polarizasyonu Kaç tane kuark vardır? Tarihsel not: Kuark modeli kuarkların yaklaşık olarak SU(3) simetrisine sahip olduğunu kabul eder. Tılsımlı kuark keşfedildiğinde SU(4) simetrisi ele alındı. Fakat SU(4) kötü bir şekilde “kırılan” simetridir. Standart Model kuarkları SU(2) ikilileri şeklinde ele alır, RENK SU(3) simetrisi.

Yoğun Madde / Nano-Bilim / Kimya Maddenin yapısı Madde Molekül Atom Nükleonlar Yüksek Enerji Fiziği Baryon (Hadron) u Kuark 10-2m 10-9m 10-10m 10-14m 10-15m <10-19m proton, nötron, meson, etc. p,W,L... top, bottom, charm, strange, up, down Yoğun Madde / Nano-Bilim / Kimya Atom Fiziği Nükleer Fizik Elektron (Lepton) <10-18m Give scale and relationship to the domain that high energy physicists work in. Introduce the fundamental bits of matter loosely so that audience can point back to bulk matter. Domain.

Etkileşmeler Doğa’ da bilinen temel dört tip etkileşme vardır: Bunlar şiddetlerine göre güçlü (hadronlar güçlü etkileşmeleri hisseden parçacıklar) elektromanyetik (yüklü parçacıklar hisseder) zayıf (hadronlar ve leptonlar hisseder) kütleçekim (tüm parçacıklar hisseder) Kuantum teoride temel etkileşmeler bozonlar aracılığıyla iletilir. Tüm bu etkileşmelerin biraraya getirildiği teorilere birleşik alan teorileri denir. Bilim adamları tüm bu 4 kuvveti açıklayan bir (ToE) herşeyin teorisini bulmak ister.

Hidrojen atomundaki elektron ve proton arasındaki uzaklıklar yaklaşık İnce yapı sabiti olarak bilinen elektromanyetik etkileşme sabitini SI ve CGS birim sistemlerinde hesaplayın. Bir hidrojen atomundaki elektronun hızını hesaplayın. Işık hızı ile kıyaslayın. Ağır atomların iç yörüngelerindeki elektronların hızını yorumlayın. Hidrojen atomundaki elektron ve proton arasındaki uzaklıklar yaklaşık m’ dir. Bu parçacıklar arasındaki elektriksel ve kütleçekim kuvvetlerinin büyüklüğünü bulunuz.   Cevap:

The Graviton Kuantum elektrodinamiğinde fotonun başarısı nedeniyle kütleçekiminin araparçacığının graviton olabileceği fikri ortaya atılmıştır. Kütlesiz olmalı, ışık hızında seyahat etmeli spini 2 olmalı ve kütlesi ve enerjisi olan tüm parçacıklarla etkileşmelidir. Graviton cisimlerle çok zayıf etkileştiği için hala gözlemlenememiştir. http://www.enterprisemission.com/_articles/05-14-2004_Interplanetary_Part_1/Solar%20System.jpg

Zayıf etkileşmeler:Kütle Neden zayıf etkileşme zayıftır? Foton durumunun tersine kütleli ara bozonlarına sahiptir(W± and Z0) (80, 90 GeV) – bu bozonlar 1980’ lerde CERN’ de keşfedilmiştir. Yüksek kütle skalasında Elektrozayıf birleşme Elektrozayıf teori skaler Higgs ve nötr akımların varlığını öngörür. W ve Z’ in Higgsle etkileşmesi onlara kütle kazandırır. Faydası: Parçacıkların Higgs’ le Yukawa benzeri kuplajı onlara kütle kazandırır. Fakat, Higgs bozonu CERN-LHC’ de hala bulunamadı. Steven Weinberg and Abdus Salam were the first to apply the Higgs mechanism to the electroweak symmetry breaking.

The Higgs mechanism, which gives mass to vector bosons, was theorized in 1964 by François Englert and Robert Brout ("boson scalaire");[3] in October of the same year by Peter Higgs,[4] working from the ideas of Philip Anderson; and independently by Gerald Guralnik, C. R. Hagen, and Tom Kibble,[5] who worked out the results by the spring of 1963.[6] The three papers written on this discovery by Guralnik, Hagen, Kibble, Higgs, Brout, and Englert were each recognized as milestone papers during Physical Review Letters 50th anniversary celebration.[7] While each of these famous papers took similar approaches, the contributions and differences between the 1964 PRL Symmetry Breaking papers is noteworthy. These six physicists were also awarded the 2010 J. J. Sakurai Prize for Theoretical Particle Physics for this work.

2010 APS J.J. Sakurai Prize Winners The weak interaction is a spin dependent, chiral, or handed process. However, gluons do not interaction via the weak force.

Higgs Alanı Parçacıkların Higgs alanı ile etkileşmesi sonucu parçacıklar kütle kazanır. Fotonlar, gravitonlar ve gluonlar higgs bozonlarıyla doğrudan etkileşmezler ve dolayısıyla kütlesiz kalırlar. Süpersimetri en az beş tip Higgs bozonunun varlığını öngörüyor. Higgs bozonları maddenin yeni bir türüdür. Higgs alanının kaynağı bilinmemektedir. Higgs alanı Z bozonun ek spin durumuna gizlenmiştir. SM’ de higgs bozonunun kütlesi hesaplanamaz. Higgs bozonu kuarkına bozunacaktır. Kuantum kuramına göre, kuvveti ileten-kütlesiz bozonların spini yalnızca iki yönde izdüşüme sahip olabilir.oysaki kütleli bir bozon Üçüncü bir yönede yönelebilir. Örneğin bir e ile e+ çarpışması sonucunda bir Z bozonu üretilsin. Z kütlesiz ise, spini ya e yada e+ boyunca yönelebilir. Z kütleli ise spini demet doğrultusu boyunca yönelebilir. Kütleli formülasyon üç duruma sahiptir. Diğer durumunda higgs alanının kuantumu olduğu ve Z’ nin bu ek spin durumuna gizlenmiş olduğu düşünülür. Higgs bozonu Z’ yi yiyerek ağırlaştı denir. Higgs parçacığının deneysel olarak kanıtlanması demek, standart modelin tamamlanması demektir!!!! CERN - LEP 114 GeV/c2 <MHiggs <144 GeV/c2 alt limitini belirlemiştir. CERN- LHC - 2012

Zayıf etkileşme ile kuark çeşnilerinin Dönüşümü

Parçacık etkileşmelerine örnekler