Maddeyi anlamak-5: Parçacıkların hayvanat bahçesi

1932 yılında fizikçiler mutluydu. Dünya, sonunda sade bir resme kavuşmuştu.

O yıl İngiliz fizikçi James Chadwick atom çekirdeğindeki nötronu bulmuştu. Böylece maddenin bütün yapı taşları elde gibiydi: çekirdeği oluşturan proton ile nötron, etrafında dönen elektron, aralarında gidip gelen foton. Dört parçacık. Masanız, bedeniniz, yıldızlar; hepsi bu kısa listeden kuruluydu. Demokritos'un iki bin yıllık sorusu, sanki cevabını bulmuştu.

Bu huzur dört yıl sürdü. 1936'da Carl Anderson, pozitronu bulduğu aynı yöntemle uzaydan gelen ışınları incelerken yeni bir iz yakaladı. Elektrona çok benzeyen, ama ondan yaklaşık iki yüz kat ağır bir parçacık. Adını sonradan müon koydular.

Müon hiçbir şeyin yapı taşı değildi. Atomda yeri yoktu, kimyada rolü yoktu, saniyenin milyonda birinde bozunup kayboluyordu. Sanki doğa, elektronun ağır bir kopyasını sebepsiz yere üretmişti. Amerikalı fizikçi Isidor Rabi'nin tepkisi fizik tarihine geçti: "Bunu kim sipariş etti?"

Rabi'nin sorusu bugün hâlâ cevapsız. Ama asıl sürpriz daha sonra geldi.

Hızlandırıcılar

1950'lerde Amerika'da, Avrupa'da ve Sovyetler Birliği'nde dev makineler inşa edilmeye başlandı: parçacık hızlandırıcıları. Fikir basitti. Protonları ışık hızına yakın bir hıza çıkarıp birbirine ya da bir hedefe çarptırmak ve ne çıktığına bakmak.

Bu yöntemi gölet resmiyle düşünmek çok kolay. Görelilik dizisinde kütle ile enerjinin aynı şeyin iki hâli olduğunu söylemiştik. Çok hızlı iki parçacık çarpıştığında, taşıdıkları muazzam enerji bir yere akmak zorundadır. Bu enerji, evreni dolduran göletlerin herhangi birinde yeni bir halka olarak belirebilir. Yani hızlandırıcı, parçacıkları kırıp içinden bir şey çıkarmaz; çarpışmanın enerjisiyle göletleri sarsar ve yeni halkalar doğurur.

Ve makineler çalışmaya başladığında halkalar yağmur gibi yağdı. Pion, kaon, lambda, sigma, ksi, delta... Her yeni deneyde, her yeni enerji seviyesinde yeni bir parçacık. 1960'a gelindiğinde liste yüze yaklaşmıştı. Çoğu saniyenin trilyonda biri kadar yaşayıp başka parçacıklara dönüşüyordu.

Fizikçiler bu kalabalığa alaycı bir ad taktı: parçacık hayvanat bahçesi. İtalyan fizikçi Enrico Fermi'nin, bütün bu parçacıkların adını ezberleyebilseydi botanikçi olacağını söylediği aktarılır.

Sorun sadece kalabalık değildi. Sorun, bu kalabalığın bir anlamı olup olmadığıydı. Her parçacık için ayrı bir gölet mi vardı? Evren yüz ayrı alandan mı yapılmıştı? Bu, 1932'nin sade resminden geriye doğru dev bir adımdı.

Mendeleyev'in dersi

Bu çıkmaz, kimya tarihinde daha önce bir kez yaşanmıştı. On dokuzuncu yüzyılın ortasında kimyacılar altmışı aşkın element tanıyordu ve aralarında hiçbir düzen göremiyordu. 1869'da Rus kimyacı Dmitri Mendeleyev elementleri ağırlıklarına ve özelliklerine göre bir tabloya dizdi. Tablo, benzer elementleri aynı sütunlarda topluyordu. Daha da önemlisi, tabloda boş kalan yerler vardı. Mendeleyev bu boşlukları doldurması gereken, henüz bulunmamış elementlerin özelliklerini önceden tahmin etti. Birkaç yıl içinde o elementler tek tek bulundu.

Bir tablonun böyle düzenli çalışması, arkasında daha derin bir yapı olduğunu gösteriyordu. Bu yapı da yarım asır sonra anlaşıldı: atomlar, proton, nötron ve elektrondan kuruluydu. Altmış element, üç parçanın farklı dizilişleriydi.

Parçacık hayvanat bahçesinin Mendeleyev'i, New York'ta doğmuş, on beş yaşında üniversiteye girmiş, ilgi alanları dilbilimden kuş gözlemciliğine uzanan bir fizikçiydi: Murray Gell-Mann.

1961'de Gell-Mann kalabalığı özelliklerine göre gruplamanın bir yolunu buldu. Parçacıklar sekizli ve onlu geometrik desenler oluşturuyordu. Gell-Mann bu düzene "Sekiz Katlı Yol" adını verdi.

Tıpkı Mendeleyev'inki gibi, Gell-Mann'ın tablosunda da bir boşluk vardı. Onlu bir desenin bir köşesi eksikti. Gell-Mann 1962'de o köşeye oturması gereken parçacığın kütlesini, yükünü ve davranışını önceden söyledi. İki yıl sonra, 1964'te, New York'taki Brookhaven Laboratuvarı'nda parçacık bulundu. Tam tarif edildiği gibi.

Tablo çalışıyordu. Peki arkasında ne vardı?

Kuarklar

Aynı yıl, 1964'te, Gell-Mann cüretkâr bir öneride bulundu. Hayvanat bahçesindeki parçacıkların çoğu temel değildi. Daha küçük parçalardan, birkaç çeşit yapı taşının farklı birleşimlerinden oluşuyordu. Bu yapı taşlarına, İrlandalı yazar James Joyce'un bir romanındaki anlamsız bir kelimeden esinlenerek kuark adını verdi. Aynı fikre, CERN'de çalışan George Zweig de neredeyse aynı anda ulaşmıştı.

Kuarklar tuhaftı. Yükleri, o güne kadar bölünmez sanılan elektron yükünün üçte biri ya da üçte ikisi kadardı. Başlangıçta üç çeşit önerildi; fizikçiler bunlara "yukarı", "aşağı" ve "tuhaf" gibi adlar taktı. Bu adların gerçek bir yönle ya da tuhaflıkla ilgisi yok; sadece etiket.

Resmin sadeliği çarpıcıydı. Proton, iki yukarı ve bir aşağı kuarktan oluşur. Nötron, bir yukarı ve iki aşağı kuarktan. Hayvanat bahçesindeki yüz parçacığın neredeyse tamamı, bir avuç kuarkın ikili ya da üçlü birleşimleriydi.

Bunu alfabeye benzetebiliriz. Türkçede on binlerce kelime vardır ama hepsi yirmi dokuz harften kurulur. Kelimeleri tek tek ezberlemeye çalışırsanız boğulursunuz; harfleri öğrendiğinizde ise hepsi anlam kazanır. Fizikçiler yirmi yıl boyunca kelimeleri ezberlemeye çalışmıştı. Gell-Mann harfleri buldu.

Gölet diliyle söylersek: evren yüz ayrı alandan yapılmış değildi. Birkaç kuark göleti vardı ve hayvanat bahçesindeki parçacıklar, bu göletlerdeki halkaların bir araya gelerek oluşturduğu kısa ömürlü desenlerdi.

İşin ilginç tarafı, Gell-Mann kendi fikrine uzun süre tam inanmadı. Kuarkların gerçek parçacıklar mı, yoksa tabloyu açıklamaya yarayan matematiksel bir kolaylık mı olduğundan emin değildi. Haklı bir kuşkuydu, çünkü hiç kimse tek başına bir kuark görmemişti.

Cevap 1968'de, Kaliforniya'daki Stanford Doğrusal Hızlandırıcısı'ndan geldi. Fizikçiler protonların üzerine çok hızlı elektronlar gönderdi. Proton içi düzgün dağılmış yumuşak bir top olsaydı, elektronlar içinden hafifçe sapıp geçmeliydi. Oysa bazı elektronlar sert bir şeye çarpmış gibi keskin açılarla sekti. Protonun içinde küçük, sert noktalar vardı.

Bu deney, 1911'de Rutherford'un atom çekirdeğini bulduğu deneyin bir tekrarıydı; sadece bir kat daha derinde. Rutherford atomun içinde çekirdeği bulmuştu, Stanford'daki ekip de protonun içinde kuarkları buldu. Deneyi yapan üç fizikçi 1990'da Nobel aldı.

Listenin son hâli

Sonraki yirmi yıl içinde üç kuark çeşidi daha bulundu; sonuncusu, en ağırı olan "üst" kuark, ancak 1995'te bulunabildi. Bugün altı kuark biliyoruz. Elektronun da müondan başka bir ağır kardeşi daha çıktı. Bunlara eşlik eden, neredeyse hiçbir şeyle etkileşmeyen nötrinolar da listeye eklendi.

Ama asıl çarpıcı olan şu: etrafınızda gördüğünüz her şey, bu listenin yalnızca küçük bir bölümünden yapılmıştır. Yukarı kuark, aşağı kuark ve elektron. Bu kadar. Geri kalanı, ağır ve kısa ömürlü kopyalar. Doğa aynı deseni üç kez, giderek ağırlaşan kopyalarla tekrar etmiş. Neden üç kez? Rabi'nin "Bunu kim sipariş etti?" sorusu, işte bu yüzden hâlâ cevapsız.

Kuark resmi kusursuz işliyordu, ama içinde bir bilmece saklıydı. Fizikçiler hızlandırıcılarda protonları ne kadar sert çarpıştırırsa çarpıştırsın, hiçbir zaman tek başına bir kuark elde edemediler. Kuarklar hep ikili ya da üçlü gruplar hâlinde ortaya çıkıyordu. Sanki onları bir arada tutan görünmez bir lastik vardı ve çektikçe güçleniyordu.

Sonraki yazıda bu lastiği konuşacağız: doğanın kuvvetlerini ve atom çekirdeğini bir arada tutan, evrenin en güçlü bağını.