İçeriğe atla

Gluon

Gluonlar (İngilizce glue=tutkal, bağlayıcı tutucu anlamı olan) kuarklar arasındaki güçlü etkileşimi sağlayan temel parçacıklardır. Bu etkileşim fotonların elektromanyetik etkileşmedeki rolüne benzer bir şekilde iki yüklü parçacık arasında momentum değişimini sağladığı düşüncesi ile benzerlik kurularak anlaşılabilir.

Kuarklar baryonları ve mezonları oluşturduğu için, güçlü etkileşim baryonlar ve mezonlar içerisinde ve arasında gözlemlenir. Protonların ve nötronların atom çekirdeğinde bir arada bulunmalarını sağlayan da güçlü etkileşimdir.

Teknik olarak düşünüldüğünde, gluonlar vektör ayar bozonudurlar ve güçlü etkileşimde aracılık ederler. Elektromanyetik etkileşmede fotonun rolünden farklı olarak gluonlar renkyükü de taşırlar ve sadece aracılık etmekle de kalmazlar aynı zamanda güçlü etkileşime de katılırlar. Bu katılım da güçlü etkileşimi düşünerek hesap yapmayı elektromanyetik etkileşimin hesaplarına kıyasla oldukça zor bir hale sokar.

Özellikler

Feynman çizgelerinde gluonlar sarmallarla gösterilir.

Gluon bir vektör bozondur ve foton gibi spini 1'dir. Kütleli spin-1 parçacıkların 3 tane kutuplaşma durumları olmasına karşın, gluon gibi kütlesiz vektör bozonları iki tane kutuplaşma durumuna sahiptir. Bunun sebebi ayar değişmezliğinin enine kutuplaşmayı gerektirmesidir. Bu kural kütlesiz parçacıkların ışık hızında hareket etmesi ile ilgilidir ve ışık hızında hareket eden parçacıklar için kutuplaşma ancak hareket yönüne dik yani enine olabilir. Kuantum alanlar kuramında vektör bozonlarda ayar değişmezliğinin kırılmayışı vektör bozonların kütlesiz olması koşulunu getirir. (Yapılan deneyler gluonun kütlesinin birkaç MeV/c2 den daha az oması gerektiğini gösteriyor.) Uzay koordinatları eksi değerleri ile değiştirildiğinde (parite) gluonların eksi denklik işlemcisi sayısına sahip oldukları ortaya çıkar.

Gluonların Numaralandırılması

Kuantum elektrodinamiğinin tek kuvvet değişim parçacığı fotondan veya zayıf etkileşimin üç vektör bozonu ve 'dan farklı olarak kuantum renkdinamiğinde 8 bağımsız gluon vardır.

Bu durumun sezgisel olarak kavranması zordur. Kuarklar üç farklı renkyükü taşırlar ve antikuarklar 3 farklı antirenkyükü taşırlar. Kuarkların bu özelliklerinden farklı olarak gluonlar hem renkyükünü hem de antirenkyükünü birlikte taşırlar. Bu birlikte taşıma durumunun daha iyi anlaşılabilmesi için renkyükünün matametiksel analizinin çalışılması gereklidir.

Renkyükü ve süperpozisyon

Kuantum mekaniğinde parçacıkların durumları süperpozisyon ilkesine göre toplanabilir. Süperpozisyon ilkesine göre durumların toplanması parçacığın farklı yerlerde ve enerjilerde olması durumunun olasılıksal bir şekilde toplanması olarak ifade edilebilir. Bu ilkeye göre yazılan parçacığın durum fonksiyonları üzerinden hesaplama yapılabilir ve olasılıksal olarak değişik sonuçlar elde edilebilir. Bu durum bir gluonun ayrı renkyükü durumlarına karşılık gelen aşağıdaki örnekle gösterilebilir.

Bu örnek gluonun kırmızı-antimavi ve mavi-antikırmızı durumunu ifade etmektedir. Bu ifadede ki karekök iki toplam olasılığın bir olması için yerleştirilmiştir. Eğer bu ifadeyle belirtilen gluonun durumu ölçümlenirse 50% olasılıkla kırmızı-antimavi, 50% olasılıkla da mavi-antikırmızı durumu ölçümlenecektir.

Renkyükünün tekil durumu

Güçlü etkileşime tabi olan parçacıkların kararlı olmaları için renkyüküne sahip olmamaları gerektiği düşünülmektedir. Fakat bu durum aslında renkyükünün tekil durumudur. Bunun benzeri bir olay spinin tekil durumudur. Spinin tekil durumu düşünülerek renkyükünün tekil durumu daha iyi anlaşılabilir.

Renkyüksüz durumları diğer renkyüksüz durumlarla etkileşebilir ama renkyüklü durumlarla etkileşemez. Bunun yanı sıra uzun mesafeli gluon etkileşimleri bulunmamaktadır. Uzun mesafeli gluon etkileşimlerinin bulunmaması da renkyükünün tekil durumunun gluonlarda olmamasıyla sonuçlanır. Renkyükü düşünüldüğünde bu tekil durumun olması gerektiği hesaplamalardan çıkan bir sonuçtur ama uzun mesafeli gluon etkileşimlerinin bulunmaması gluonların tekil durumunun gözlemlenememesi olarak nitelendirilmiştir ve renkyükünün tekil durumu gluon için yasak durum olarak nitelendirilir.

Renkyükünün tekil durumu:

Bu gösterimle belirtilen durum ölçümlendiğinde her biri 1/3 olasılığa sahip olmak üzere kırmızı-antikırmızı, mavi-antimavi veya yeşil-antiyeşil durumları gözlemlenebilir.

Gluonda renkyükünün sekizil durumu

Gluon düşünüldüğünde renkyükünün hesaplamalardan elde edilen tekil durum dışında sekiz farklı durumu daha bulunur. Bu sekiz durumun değişik ifadeleri bulunmaktadır. Bunların en yaygın kullanılanlarından biri:

   

Bu gösterim Gell-Mann dizeyine denktir. Her bir gösterim değişik bir etkileşimi tanımlamaktadır. Bu gösterimin önemli özelliklerinden biri her bir durumun tekil durumda dahil olmak üzere diğer sekiz durumdan doğrusal olarak bağımsız olmasıdır. Başka bir deyişle bu dokuz durumdan herhangi biri diğerlerinin toplamı veya çıkarımı ile elde edilemez.

Grup kuramı ayrıntıları

Teknik olarak kuantum renkdinamiği SU(3) ayar simetrisine sahip bir ayar kuramıdır. Kuarklar renkyükü ayar grubunun, SU(3), temel gösterimleri (üçül) ile tanımlanırlar ve spinörlerle gösterilirler. Gluonlar bitişik gösterime (sekizil) ait olan vektör alanlarla gösterilirler. Genel bir ayar grubu için kuvvet taşıyıcı parçacıkların sayısı bitişik gösterimin boyutuna eşittir. N boyutlu SU(N) grubu için bitişik gösterimin boyutu N2 − 1 dir.

Grup kuramında gluon için renkyüksüz tekil durumun bulunmaması kuantum renkdinamiğinin U(3) grubu ile değil de SU(3) grubu ile tanımlanması ile açıklanır. Kuantum renkdinamiği için SU(3) grubunun seçilmesinin nedeni deneysel olarak uzun mesafeli gluon etkileşimlerinin gözlemlenmemesidir.

Renkhapsi (Confinement)

Renkhapsi animasyonu. Kuarklara enerji veriliyor ve gluontüpü uzuyor. Belirli bir mesafeden sonra enerjinin artması kuark-antikuark çiftini oluşturuyor.

Gluonlar renkyükü taşıdıkları için güçlü etkileşime katılırlar. Gluon-gluon arasındaki etkileşimler renkyükü alanlarının sicim benzeri akı tüpü (flux tube) olarak adlandırılan yapıları zorunlu kılarlar. Bu yapı uzaklığa bağlı olmayan sabit bir kuvvetin etkileşen parçacıklar arasında gözlemlenmesi ile sonuçlanır. Bu kuvvet de kuarkların güçlü etkileşime bağımlı hadron denilen bileşik parçacıkların içinde hapis olmasına neden olur. Bu güçlü etkileşimi yaklaşık olarak 10-15 metre uzaklığında kısıtlar. Bu uzaklık da ortalama bir atom çekirdeği kadardır. Belirli bir uzaklıktan sonra iki kuarkın arasındaki akı tüpünün enerjisi doğrusal olarak artar. Bu doğrusal olarak artış da belirli bir uzaklıktan sonra enerjinin ulaştığı değerin büyüklüğü o enerjinin uzaklığa bağlı olarak doğrusal şekilde artmaya devam etmesindense o enerjiden bir kuark antikuark çıkma durumunu daha çok seçilebilir kılar. Gluonlar da bu yapıdan dolayı hadronların içinde hapis olarak bulunurlar.

Renkhapsinin başka bir sonucu da gluonların hadronlar arasındaki nükleer kuvvette rol almamasıdır. Nükleer etkileşme için kuvvet taşıyıcıları mezon olarak isimlendirilen parçacıklardır.

Kuantum renk dinamiğine göre sadece bir gluon yalnız olarak hareket edememesine rağmen sadece gluonlardan oluşan ve gluontopu olarak isimlendirilen parçacıklar kuramsal olarak mümkündür. Bunun dışında bazı varsayımlara göre başka egzotik hadronlarda gluonlar parçacığı oluşturan bileşenlerden biri olabilir. Kuantum renkdinamiğinin boşluğunun ötesinde çok yüksek enerjilerde kuark-gluon plazması oluşur ve bu plazmada hadronlar bulunmaz, sadece kuarklar ve gluonlar serbest parçacık olarak bulunurlar.

Deneysel gözlemler

Gluonların ilk deneysel gözlemle elde edilen delili 1979'da PETRA isimli elektron-pozitron çarpıştırıcısında gözlemlenen üç-jet olayıdır. Fakat bunun hemen öncesinde üç-gluon bozulmasına uygun sonuçlar Hamburg'daki DESY isimli parçacık hızlandırıcısının DORIS olarak adlandırılan kısmında PLUTO deneyinde elde edilmiştir. DESY'deki deneylerden gluonların spininin 1 olduğu sonucu çıkmıştır.

Deneysel olarak renkhapsi serbest kuark araştırmalarının başarısızlığı ile doğrulanmış kabul edilmektedir. Serbest gluon şimdiye kadar hiç gözlemlenmemiştir ama Fermilab'da üst kuarkın tek başına üretimi deneysel olarak istatistiksel verilere göre mümkün olmuştur.

Diğer taraftan egzotik hadronlar, kuark-gluon plazması ve gluontopu gibi kuramsal parçacıklar gözlemlenmemiştir.

İlgili Araştırma Makaleleri

Parçacık fiziğinde, bozonlar Bose-Einstein yoğunlaşmasına uyan parçacıklardır; Satyendra Nath Bose ve Einstein'a atfen isimlendirilmişlerdir. Fermi-Dirac istatistiklerine uyan fermiyonların tersine, farklı bozonlar aynı kuantum konumunu işgal eder. Böylece, aynı enerjiye sahip bozonlar uzayda aynı mekânı işgal edebilirler. Bu nedenle her ne kadar parçacık fiziğinde her iki kavram arasındaki ayrım kesin belirgin değilse de, fermiyonlar genelde madde ile bileşikken, bozonlar sıklıkla güç taşıyıcı parçacıklardır.

Temel etkileşimler veya Temel kuvvetler, fiziksel sistemlerde daha temel etkileşimlere indirgenemeyen etkileşimlerdir. Bilinen dört temel etkileşim vardır. Bunlar uzun mesafelerde etkileri olabilen kütleçekimsel, elektromanyetik etkileşimler ve atomaltı mesafelerde etkili olan güçlü nükleer ve zayıf nükleer etkileşimlerdir. Her biri bir alan dinamiği olarak anlaşılmalıdır. Bu dört etkileşim de matematiksel açıdan bir alan olarak modellenebilir. Kütleçekim, Einstein'ın genel görelilik kuramı tarafından tanımlanan uzay-zamanın eğriliğe atfedilirken diğer üçü ayrı kuantum alanlar olarak nitelendirilir ve etkileşimlerine Parçacık fiziğinin Standart Modeli tarafından tanımlanan temel parçacıklar aracılık eder.

Fermiyon, parçacık fiziğinde, Fermi-Dirac istatistiğine uyan parçacıktır. Başka bir deyişle, Enrico Fermi ve Paul Dirac'ın gösterdiği üzere, Bose-Einstein istatistiğine sahip bozonların aksine fermiyonlar, belirtilen zamanda sadece bir kuantum durumuna karşılık gelebilen parçacıklardır. Eğer iki ayrı fermiyon uzayda aynı yerde tanımlanmışsa her bir fermiyonun özelliği birbirinden farklı olmak zorundadır. Örnek olarak, iki elektron bir çekirdeğin etrafında aynı orbitalde bulunacaklarsa, bu kez aynı spin durumunda olamazlar ve her orbitalde elektronun biri yukarı diğeri aşağı spin durumundadır.

<span class="mw-page-title-main">Parçacık fiziği</span>

Parçacık fiziği, maddeyi ve ışınımı oluşturan parçacıkların doğasını araştıran bir fizik dalıdır. Parçacık kelimesi birçok küçük nesneyi andırsa da, parçacık fiziği genellikle gözlemlenebilen, indirgenemez en küçük parçacıkları ve onların davranışlarını anlamak için gerekli temel etkileşimleri araştırır. Şu anki anlayışımıza göre bu temel parçacıklar, onların etkileşimlerini de açıklayan kuantum alanlarının uyarımlarıdırlar. Günümüzde, bu temel parçacıkları ve alanları dinamikleriyle birlikte açıklayan en etkin teori Standart Model olarak adlandırılmaktadır. Bu yüzden günümüz parçacık fiziği genellikle Standart Modeli ve onun olası uzantılarını inceler.

<span class="mw-page-title-main">Kuark</span> Temel parçacık türü

Kuark, bir tür temel parçacık ve maddenin temel bileşenlerinden biridir. Kuarklar, bir araya gelerek hadronlar olarak bilinen bileşik parçacıkları oluşturur. Bunların en kararlıları, atom çekirdeğinin bileşenleri proton ve nötrondur. Renk hapsi olarak bilinen olgudan ötürü kuarklar asla yalnız bir şekilde bulunmaz, yalnızca baryonlar ve mezonlar gibi hadronlar dahilinde bulunabilir. Bu sebeple kuarklar hakkında bilinenlerin çoğu hadronların gözlenmesi sonucunda elde edilmiştir.

<span class="mw-page-title-main">Atomaltı parçacık</span> Atomdan küçük, atomu da oluşturan maddeler.

Atomdan küçük, atomu da oluşturan maddeler. En çok bilinenleri, alt parçacıklardan (kuarklardan) oluşan proton ve nötron; lepton olan elektrondur. Yapısı tamamen keşfedilmemiş atomaltı parçacıklara örnek olarak foton (ışık), bozon, mezon, fermiyon, baryon ve graviton verilebilir.

<span class="mw-page-title-main">Mezon</span>

Mezonlar, güçlü etkileşim ile bağlı bir kuark ve bir antikuarktan oluşan hadronik atomaltı parçacıklardır. Atomaltı parçacıklardan oluştuklarından mezonlar, kabaca bir femtometre kadarlık bir yarıçaplı fiziksel bir boyuta sahiptirler. Bütün mezonlar kararsızdırlar ve en uzun ömürlüsü mikrosaniyenin altında bir ömre sahiptir. Yüklü mezonların bozunmasıyla elektron ve nötrino oluşur. Yüksüz mezonların bozunmasıyla da fotonlar oluşur.

<span class="mw-page-title-main">Güçlü etkileşim</span> atom çekirdeği içindeki kuvvet bağlayıcı parçacıklar

Güçlü etkileşim, kuarklar ve gluonlar arasındaki etkileşimdir ve kuantum renk dinamiği kuramı ile betimlenir. Güçlü etkileşim, gluonlar tarafından taşınan ve kuarklar ile antikuarklara, ayrıca gluonların kendilerine etki eden kuvvettir. Gluon, Latince kökenli bir kelime olup, İngilizcedeki Glue kelimesinin köküdür ve yapışkan madde anlamını karşılamaktadır.

Parçacık fiziğinde bir hadron, güçlü etkileşim tarafından bir arada tutulan taneciklerden oluşan bir bileşik parçacıktır.

<span class="mw-page-title-main">Standart Model</span>

Standart Model, gözlemlenen maddeyi oluşturan, şimdiye dek bulunmuş temel parçacıkları ve bunların etkileşmesinde önemli olan üç temel kuvveti açıklayan kuramdır.

Parçacık fiziğinde şu anda bilinen ve kuramsal olan temel parçacıkları ve bu parçacıklarla oluşturulabilen bileşik parçacıkları içeren listedir.

W ve Z bozonları, zayıf etkileşime aracılık eden temel parçacıklardır. Bu bozonların keşfi parçacık fiziğinin Standart Modeli için büyük bir başarının müjdecisi oldu.

<span class="mw-page-title-main">Temel parçacık</span> Başka parçacıklardan oluştuğu bilinmeyen parçacıklar.

Temel parçacıklar, bilinen hiçbir alt yapısı olmayan parçacıklardır. Bu parçacıklar evreni oluşturan maddelerin temel yapıtaşıdır. Standart Model'de kuarklar, leptonlar ve ayar bozonları temel taneciklerdir.

Üst kuark, parçacık fiziğinde Standart Model'de tanımlanan bir parçacık. +2/3 elektrik yüküne sahip üçüncü kuşak kuarktır. 171,2 GeV/c2 kütleye sahip temel parçacık.

<span class="mw-page-title-main">Kuantum renk dinamiği</span>

Kuantum renk dinamiği veya kuantum kromodinamiği, teorik fizikte kuantum kromodinamiği, kuarklar ve gluonlar arasındaki güçlü etkileşimin proton, nötron ve pion gibi kompozit hadronları oluşturan, temel parçacıkların teorisidir.

İki foton fiziği, genellikle gama-gama fiziği olarak bilinir, parçacık fiziğinin bir dalıdır ve iki foton arasındaki etkileşimi açıklar.

Renk yükü, kuantum renk dinamiği teorisindeki parçacıkların güçlü etkileşimiyle alakalı olan kuark ve gluonların bir özelliğidir.

Parçacık fiziğinde asimptotik özgürlük, enerji ölçeği yükseldikçe ve ilgili uzunluk ölçeği azaldıkça iki parçacık arası bağın asimptotik olarak zayıf olmasına sebebiyet veren ayar teorilerinin özelliklerinden biridir.

Parçacık fiziğinde, vektör bozon, spini 1' e eşit olan bozondur.Standart Modelde temel parçacık olarak değerlendirilen vektör bozonlar ayar bozonlarıdır.Ayar bozonları, elektromagnetizmanın fotonlarının, zayıf etkileşimlerin W ve Z bozonlarının temel etkileşimlerinin kuvvet taşıyıcılarıdır. Bazı bileşik parçacıklar vektör bozondur. Misal, bütün vektör mezonlar vektör bozondur.

Kuantum renk dinamiği bağlanma enerjisi, gluon bağlanma enerjisi veya kromodinamik bağlanma enerjisi, kuarkların birbirlerine bağlanarak hadronları oluşturması için gereken bağlanma enerjisi. Bu enerji, gluonlar aracılığıyla gerçekleşen güçlü etkileşim alanının enerjisidir.