Protonun Yapısı

1960’lara geldiğimizde Murray Gell-Mann ve George Zwig, kuark modeli önerir. Proton ve nötronun kuark dediğimiz alt yapılara sahip olduğunu ortaya atarlar. Yani proton, aslında iç yapısında kuarkları bulunduran ve tüm özellikleri bu kuarkların (ve gluonların) etkileşimleri ve dağılımları ile belirlenen bir parçacık türüdür. Sadece proton ve nötron için değil; aslında kuarklar, hadron sınıfındaki (proton gibi) tüm parçacıkların alt yapılarını oluşturur. En önemlisi de bu hadronlar, kuarkların bir araya gelmesiyle oluşmuş bir bağlı-sistemdir(bound-state). Protonun içinde 3 tane kuark bulunur; 2 tane yukarı türünde, 1 tane de aşağı türünde kuark vardır. İçeride güçlü kuvvet ile birbirine bağlanırlar ve gluon dediğimiz kuvvet parçacığı ile etkileşim içindedirler.

 

Tabi bu modelin deneysel olarak verilerle desteklenmesi gerekiyordu. Nitekim derin-saçılma(deep-inelastic scattering) deneyleri Stanford Linear Accelerator Center (SLAC)’ta başladı. Bu deneylerde proton veya nötrona, iç yapısı olmadığını bildiğimiz lepton denen temel parçacıklar belli enerjilerde hızlandırılıp fırlatılıyor. Örnek verirsek elektron, müon veya nötrino… Saçılan leptonun momentumunu ve saçılma açısını ölçebiliyoruz. Rutherford saçılmasından(başka bir yazının konusu) farklı olarak, burada saçılma inelastik oluyor, yani proton parçalanıyor. Matematiksel olarak ifade edersek;

Bu denklemde X, dedektörde gördüğümüz başka parçacıklardır. Çünkü protonun içindeki kuarkların bağlanma enerjileri kırılıp, yani onları bir nevi serbest bırakıp, başka hadronların açığa çıkması sağlanıyor. Bu sayede gelen elektron, protonun içindeki kuarklarla etkileşip başka parçacıklara dönüşüyor. Tüm veri analiz edildiğinde protonun temel bir parçacık olmadığı, 3 tane kuark ile kuvveti taşıyan gluonlardan oluştuğu görülüyor.

1990’lara geldiğimizde ise Alman bilim adamları, protonun yapısını daha iyi anlayabilmek için Hamburg’da çevresi 6.3 kilometreyi bulan HERA ismindeki elektron (pozitron) - proton hızlandırıcısını bitirip veri almaya başladılar. Artık protonlar da hızlandırılıyor ve belli enerjilerdeki elektronlar (veya karşı parçacığı olan pozitron) ile çarpıştırılıyorlardı. H1 ve ZEUS ismindeki iki farklı bağımsız dedektör ise sonuçları analiz ediyordu. Bu deney 1992'den 2007'ye kadar devam etti ve protonun yapısı hakkında bugüne kadarki en keskin ve hassas ölçümleri yaptı.

HERA verisinden sonra anlaşıldı ki proton aslında sadece kuark ve bunları bağlayan gluonlardan oluşmuyor. Protonu yüksek enerjilere çıkardıkça (kendi durgun kütle enerjisinin 100 katı mertebedeki) bu 3 quarkın yanında deniz kuarkları da ortaya çıkıyor. Bu deniz kuarkları Standart Model’den bildiğimiz diğer 3 çeşit kuark: Tılsım (Charm), Garip (Strange) ve Alt (Bottom). Bunun yanında daha yüksek enerjilere gittiğimizde protondaki gluon yoğunluğu da ciddi biçimde artıyordu. Bu şekilde fizikçiler Parton Dağılım Fonksiyonları'nı(PDF) elde ettiler. Burada parton kelimesi, protonun içindeki quark veya gluon anlamına geliyor. Yani protonun içinde gluondan ve hangi kuarktan hangi enerjilerde ne kadar var buna cevap verebiliyoruz.

Bugün biliyoruz ki, CERN’de bulunan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda yeni bir parçacık veya yeni bir fizik arıyorsak Standart Model’i, yani bildiğimiz fiziği iyi anlamalıyız. Bunun yolu protonun yapısını çok iyi anlamaktan da geçiyor. Yani proton - proton çarpışmalarında ortaya çıkan parçacıkları ve onun altında yatan fiziği öngörebilmeliyiz. Simülasyon ile çarpışmalar üretip olası ardalanı (background) çok iyi anlamalıyız. Sadece ardalan değil, birçok olası yeni parçacık görme senaryoları hesaplamalıyız. Tüm bu teori girdisi için PDF bilgisi, tüm hesaplamaların çok önemli bir parçasını oluşturuyor.