fİz314 fizikte güncel konular80.251.40.59/science.ankara.edu.tr/aozansoy/parcacik.pdffİz314...
TRANSCRIPT
FİZ314 Fizikte Güncel Konular
2015-2016 Bahar Yarıyılı Bölüm-8
23.05.2016 Ankara
A. OZANSOY
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 1
Bölüm 8: Parçacık Fiziği
1. Temel Olmayan Parçacıklardan Temel Parçacıklara2. 4 Temel Kuvvet3. Parçacık Aileleri4. Korunum Yasaları
23.05.2016 A.Ozansoy, 20162
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 3
Madde nelerden yapıldı ve onu bir arada tutan ne?Neden bazı maddeler benzer özellik gösteriyor?
1.Temel Olmayan Parçacıklardan Temel Parçacıklara
•Temel yapı taşları
olmalı…!
“ Temel parçacık ” ne demektir?
Temel parçacık, bir iç yapısı olmayan yani daha küçük bileşenlerden oluşmayan parçacık demektir.
Geçmişte farklı zamanlarda atom, çekirdek ve nükleonlar (proton ve nötron)temel parçacık olarak düşünülmüştür
Temel parçacıklar ve onlar arasındaki temel etkileşmeleri inceleyeceğiz.
25.5.2016 A.Ozansoy 4
Atom gerçekten temel miydi?
Benzer kimyasal özellik gösteren atomlar, gruplarhalinde sınıflandırıldı. Bu atomun daha temel yapıtaşlarından oluştuğunun göstergesiydi.
•J. J. Thomson (1897) Atomun içinde daha hafif bir şeylerin olduğu anlaşıldı.(Elektronun keşfi)
•E. Rutherford ve öğrencileri(1911) Atomun merkezinde daha küçük ve daha ağır bir şeyin olduğu sonucuna varıldı. (Çekirdeğin keşfi)
Bu deneylerin sonuçlarına göre atom temel bir parçacık değildi…!
Bütün atomlar, elektronların ve çekirdeğin bir kombinasyonu olarak açıklandı.
Atom fikri: Democritus (M.Ö 460-M.Ö 370)
“Temel” yapı taşlarına bölünemeyen anlamında “atom” dedi.
25.5.2016 A.Ozansoy 5
• Çekirdek gerçekten temel miydi?
• 1919-1920 protonun keşfi (Rutherford)
• 1932 nötronun keşfi (Chadwick)
• Bütün çekirdekler nötronların ve protonların bir kombinasyonu olarak açıklandı.
Nükleonlar temel mi?
• Nötron ve protonlar da kuarkların bir kombinasyonu olarak açıklanmıştır (DIS: DeepInelastic Scattering) deneyleri, SLAC, 1960’ ların sonu)
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 6
KuvvetGöreli
Şiddet
Karakteri
stik
Zaman
Menzil Belirleyici olduğu durumlar
Güçlü 1 < 10-22 s 10-15 m Kuarkları bir arada tutar
Çekirdeği bir arada tutar
Elektromanyetik 10-210-14 - 10-
20 s∞
e-’ ların çekirdeğe bağlanarak kararlı
atom oluşturmaları
Zayıf10-5
10-8 - 10-13
s10-18 m Radyoaktif bozunmalar
Güneşteki reaksiyonlar
Kütle çekim10-39 ∞ Gezegenleri bir arada tutar.
Güneşsistemini bir arada tutar
Elek
tro
zayı
fku
vvet
2. Dört Temel Kuvvet
Temel parçacık fiziğinde kuvvet sözcüğünden ziyade etkileşme sözcüğü tercihedilir. Parçacıklar arasındaki temel etkileşmelerin bir aracı parçacık vasıtasıyla(değiş-tokuşu ile) gerçekleştiği dikkate alınır. Bu parçacıklara aracı parçacıklar,kuvvet taşıyıcıları ya da ayar bozonları denir.
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 7
Etkileşme Aracı
Parçacık
Simge Yük (e) Spin ( h) Durgun
Enerji
(GeV)
Güçlü Gluon g 0 1 0
EM Foton 0 1 0
Zayıf Zayıf
Bozonlar
W_, W+
ve Z
bozon
-1, +1, 0 1 MW=80.4
MZ=91.2
Kütle
Çekim
Graviton 0 2 0
Temel etkileşmeler, aracı parçacıkları ve özellikleri
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 8
Temel Parçacıklar
Madde
Leptonlar Kuarklar Hadronlar
Baryonlar
(qqq)(fermiyon)
Mezonlar
(q-antiq) (Bozon)
Kuvvet Taşıyıcılar(Ayar Bozonları)
+ HiggsBozonu
Lepton ismi ; Yunanca, ‘ hafif’ anlamındaki ‘ leptos’ dan gelir. Aynı şekilde mezon ismi ‘orta’ anlamındaki ‘ mezos’ dan gelir ve ‘ baryon’ ‘ ağır’ demektir.Higss bozonu parçacıkların kütle kazanmalarından sorumlu parçacıktır.
q: kuarkı temsil etmektedir.
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 9
3. Parçacık Aileleri
1. Aile 2. Aile 3. AileŞekil Kaynak [1]’ den alınmıştır.
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 10
1. Aile 2. Aile 3. Aile
Lepton aileleri
1. Aile 2. Aile 3. Aile
Kuark aileleri
Kuarklar, keptonlar ve girdikleri temel etkileşmelerin biçimsel olarak gösterilmesi.
Şekil Kaynak [2]’ den alınmıştır.
+2/3e-1/3e
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 11
Parçacık Sınıfı Yapı Açıklama Spin
Yüksüz leptonlar (nötrinolar)
Temel Sadece zayıf etkileşmelere girer
1/2
Yüklü leptonlar Temel Zayıf + em etkileşmelere girer 1/2
Kuarklar Temel Zayıf + em+ güçlü etkileşmelere girer
1/2
Kuvvet Taşıyıcıları(Ayar Bozonları ya
da aracı parçacıklar)
Temel
Foton em etkileşmenin aracı parçacığı, W ve Z zayıf etk. aracı parçacığı, Gluon güçlü
etk. aracı parçacığı
1
Higgs Bozonu Temel Parçacıklara kütle kazandırmaktan sorumlu
0
Mezonlar (q-anti_q)
Kompozit (iç yapısı var)
Zayıf + em+ güçlü etk. girer Tam sayı (0,1)
Baryonlar (qqq) Kompozit Zayıf + em + güçlü etk. girer Yarım tam sayı (1/2, 3/2, 5/2)
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 12
Kuarkın adı Simgesi Yükü (e)
Yukarı (up) u +2/3
Aşağı (down) d -1/3
Tılsımlı (Sihirli)(charm)
c +2/3
Acayip (strange) s -1/3
Üst (top) t +2/3
Alt (bottom) b -1/3
Kuarklar, spini ½ olan fermiyondurlar. Elektrik yükleri, elektron yükünün kesirlikatlarına (+2/3 veya -1/3 katı) eşittir. Kuarklar doğada serbest olarakbulunamazlar, hadronlar (mezon ya da baryon) olarak bağlı durum oluştururlar.
Kuarklar renk yükü denen bir kuantum sayısına daha sahiptirler. Yukarıdakitabloda adı geçen her kuark çeşnisi 3 farklı renkte bulunurlar Kırmızı, yeşil vemavi. (Bu renk yükü günlük anlamda kullandığımız renk anlamında değildir.)Her kuark bir renk yükü taşırken antikuarklar antirenk yükü taşır.
Kuark Çeşnileri:
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 13
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 14
Anti Parçacıklar (Karşıt Parçacıklar):
1920’ler Paul Dirac spin1/2 parçacıklar için göreli kuantum mekaniksel denklemi geliştirdi.Negatif enerjili durumlara karşılık gelen çözümler varçözüm ‘ antiparçacıklar’
Her parçacık için bir antiparçacık mevcuttur. Kütle, spin, ortalama ömür gibiözellikleri parçacık ve antiparçacık için aynı iken sadece elektrik yükleribirbirinin tersidir. Yüksüz parçacıkların antiparçacığı kendisidir (Nötrinolardadurum farklıdır).
Yüklü leptonlar dışında (e-, - ve - ) antiparçacıkları, genelde parçacıksimgelerinin üzerine bir çizgi çekerek gösteririz.
Parçacık ve antiparaçacık bir araya geldiğinde iki ya da daha fazla fotonoluşturacak şekilde yok olurlar.
e+ : pozitron, elektronun antiparçacığıYok olma süreci
Çift oluşum süreci. Sayfa düzlemin içinedoğru manyetik alan uygulanıyor. Yüklerininzıt olmasından dolayı elektron ve pozitronters yönlerde saparlar.
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 15
Leptonlarve antiparçacıkları
Anti elektron nötrinosu
Bu şekil Kaynak [3]’ ten alınmıştır.
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 16
Hadronlar:
Güçlü etkileşmeye girerler. Mezonlar (spini tam sayı olanlar) ve baryonlar (spini yarımtamsayı olanlar olmak üzere iki grupturlar. Mezonlar bir kuark ve bir antikuarkınbirleşmesinden, baryonlar 3 tane kuarkın birleşmesinden oluşurlar. Proton ve nötronbirer baryondur. Pi ve K- mezonları da mezonlara örnektir. (Pi mezonları +, - ve 0 olmaküzere 3 çeşittir. )
Şekilde t zaman eksenini göstermek üzere, -bozunumuna bir örnek olarak serbest nötron bozunumuiçin Feynman Diyagramı verilmiştir. Beta bozunumundansorumlu etkileşme zayıf etkileşmedir. Diyagramda zayıfetkileşmenin aracı parçacıklarından W- bozunugörülmektedir.
Bu şekil Kaynak [4]’ ten alınmıştır.
Mezonlar ve Baryonlar
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 17
Bazı mezonlar ve kuark içerikleri aşağıdaki şekilde verilmiştir.
(*) Aslında 0, ve ’ farklı durumların kuantum mekaniksel bir karışımıdır.
3
6
2
2(*)
'
0
ssdduu
ssdduu
dduu
Bazı baryonlar ve kuark içerikleri
* t kuark kararsız olduğu için hemen bozunurbu nedenle t kuark içeren herhangi bir mezonya da baryon yoktur.
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 18
4. Korunum Yasaları:
1. Baryon sayısı (B) : Tüm baryonlar için B=1 ve antibaryonlar için B=-12. Lepton sayısı (L) : Her aile için ayrı ayrı Elektron ve nötrinosu için Le=1,Müon ve nötrinosu için L=+1Tau ve nötrinosu için L=+13. Acayiplik Sayısı(S): acayip kuark için S=-1, antiacayip kuark için S=+1
• Baryon sayısının korunumu, bir çekirdek tepkimesi veya bozunumunda olaydan önceki ve sonraki baryon sayısının korunduğunu ifade eder.
• Lepton sayısının korunumu, herhangi bir süreçte tüm lepton tipleri için leptonsayılarının ayrı ayrı korunmasını söyler (Le., L , L korunur).
• Güçlü ve elektromanyetik etkileşmelerde acayiplik sayısı korunur, zayıf etkileşmeiçeren süreçlerde korunur veya bir birim değişir.
Örnek: Müyon bozunumu
NOT!!! Derste 8.bölümle (parçacıkfiziği) ilgili çözülen 6örneği mutlakainceleyiniz.
23.05.2016 A.Ozansoy, 2016 19
Kaynaklar:
1. http://www.dreamstime.com/royalty-free-stock-photography-standard-model-elementary-particles-diagram-particle-physics-fundamental-make-up-matter-fundamental-force-carriers-image36590417
2. https://www.fiatphysica.com/blog/learning/particle-primer-physics3. https://universe-review.ca/R02-14-CPviolation.htm4. https://tr.wikipedia.org/wiki/Kuark5. “Fen ve Mühendislik için Fizik ” , Cilt-II, R.A. Serway ve R.J. Beichner, (Çeviri
Editörü: Prof. Dr. Kemal Çolakoğlu), 5. Baskıdan çeviri, Palme Yayıncılık 2002, Ankara. (Aksi belirtilmediği sürece, sunu dosyası içindeki tüm şekiller bu kaynaktan alınmıştır).