Atom altı parçacıklar evrenin yapı taşlarıdır, atomdan daha küçük bileşenlerdir. Doğa yasalarını ve maddenin yapısını anlamak için temeldirler. Bu ders boyunca, bu parçacıkları, özelliklerini ve nasıl etkileşime girdiklerini keşfederek parçacık fiziğini anlamanın temelini atacağız.
Standart Model, evrende yerçekimi hariç bilinen dört temel kuvvetten üçünü açıklayan ve bilinen tüm atom altı parçacıkları sınıflandıran teoridir. Bu parçacıkları fermiyonlar (madde parçacıkları) ve bozonlar (kuvvet taşıyıcıları) olarak sınıflandırır.
Fermiyonlar ayrıca kuarklara ve leptonlara ayrılırken bozonlar arasında fotonlar, W ve Z bozonları, gluonlar ve Higgs bozonu bulunur. Kuarklar birleşerek atom çekirdeğinin bileşenleri olan protonları ve nötronları oluştururken, leptonlar çekirdeğin yörüngesinde dönen elektronları içerir.
Kuarkların altı türü veya "tadı" vardır: yukarı, aşağı, çekicilik, garip, üst ve alt. Proton ve nötronların içinde onları bir arada tutan güçlü nükleer kuvvet de dahil olmak üzere dört temel kuvvetin tümünü deneyimliyorlar. "Renk hapsi" adı verilen bir olgu nedeniyle kuarklar hiçbir zaman ayrı ayrı bulunmazlar; çiftler veya üçlü gruplar halinde bulunurlar ve protonlar (iki yukarı kuark ve bir aşağı kuark) ve nötronlar (iki aşağı kuark ve bir yukarı kuark) gibi hadronlar oluştururlar.
Leptonlar ise güçlü nükleer kuvvete maruz kalmıyorlar. Elektron, en çok bilinen leptondur ve genellikle atom çekirdeğini çevreleyen bulutta bulunur. Diğer leptonlar arasında neredeyse kütlesiz olan ve maddeyle çok zayıf etkileşime giren müon, tau ve bunlara karşılık gelen nötrinolar bulunur.
Bozonlar temel kuvvetlere aracılık eden parçacıklardır. Foton elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısıdır, W ve Z bozonları ise nükleer bozunma süreçlerinden sorumlu olan zayıf nükleer kuvvetten sorumludur. Gluonlar, proton ve nötronların içindeki kuarkları bir arada tutan güçlü nükleer kuvveti taşırlar. 2012 yılında Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda (LHC) keşfedilen Higgs bozonu, parçacıklara kütle kazandıran Higgs alanıyla ilişkilidir.
Standart Modeldeki her parçacık tipinin, kütle bakımından aynı, ancak elektrik yükü gibi diğer özellikleri bakımından zıt olan, karşılık gelen bir antiparçacığı vardır. Parçacıklar ve antipartiküller karşılaştığında yok olurlar ve Einstein'ın denklemine göre kütlelerini enerjiye dönüştürürler, \(E = mc^2\) , burada \(E\) enerjidir, \(m\) kütledir ve \(c\) ışık hızıdır.
Atom altı parçacıkları anlamamızda birçok deney çok önemli olmuştur:
QCD, kuarklar ve gluonlar arasında çalışan dört temel kuvvetten biri olan güçlü nükleer kuvveti açıklayan teoridir. Kuarkların "renk yükü" adı verilen bir özellik taşıdığını ve yine renk yükü taşıyan gluonların değişiminin güçlü kuvvete aracılık ettiğini öne sürüyor. Güçlü kuvvetin gücü, kuarklar yaklaştıkça azalır; bu, "asimptotik özgürlük" olarak bilinen bir özelliktir.
Elektrozayıf teori, elektromanyetik ve zayıf nükleer kuvvetleri tek bir çerçevede birleştirir. Yüksek enerji seviyelerinde (Büyük Patlama'nın hemen ardından gelenler gibi) bu iki kuvvetin nasıl tek bir kuvvet gibi davrandığını açıklıyor. Teori, daha sonra deneysel olarak doğrulanan W ve Z bozonlarının varlığını öngörüyor.
Başarısına rağmen Standart Model henüz tamamlanmamıştır. Genel görelilik teorisinin tanımladığı yerçekimini kapsamaz veya evrenin çoğunu oluşturan karanlık maddeyi ve karanlık enerjiyi açıklamaz. Süpersimetri ve sicim teorisi gibi teoriler, bu gizemleri çözmek amacıyla yeni parçacıklar ve kavramlar getirerek Standart Model'e genişletmeler önermektedir.
Sonuç olarak, maddenin en temel bileşenleri olan atom altı parçacıklar, evrenin yapısını ve onu şekillendiren altta yatan kuvvetleri anlamanın ayrılmaz bir parçasıdır. Bu parçacıkların Standart Model gibi teorik çerçeveler ve çığır açan deneyler aracılığıyla incelenmesi, evren hakkındaki bilgimizi zorlamaya ve genişletmeye devam ediyor.
