Simetri Yasaları/Zayıf Etkileşim

Zayıf etkileşim

Zayıf etkileşim bildiğimiz gibi, çekirdek veya parçacık bozunmalarıyla, parçacık dönüşümleri veya yokedilişlerinde rol oynayan bir etkileşim Şimdi eğer bu türden süreçleri incelerken simetri kurallarından herhangi birinin çiğnendiğine şahit olursak; diğer üç etkileşimin simetri özelliklerini sağlıyor olduğu kanaatinde olduğumuza göre; ihlalin sorumlusunun zayıf etkileşim olduğu sonucuna varabiliriz

Zayıf etkileşimin rol oynadığı bozunmalar, değişik zamanlarda değişik laboratuvarlarda incelendiğinde aynı işleyiş biçimini sergiliyorlar Dolayısıyla bu etkileşim de 'uzayda ve zamanda öteleme, uzayda dönme' işlemleri altında simetri özelliğini sağlıyor
1950'li yıllara kadar, fizik yasalarının tümünün, bu arada zayıf etkileşimin de, sözünü edegeldiğimiz simetrilerin tümünü sağladığına inanılıyordu Fakat ilk kez 1954 yılında yapılan bir gözlemle, karşıt tau leptonunun; olmak üzere, iki farklı şekilde bozunduğu belirlendi Halbuki parçacığının, bu bozunma yollarından birini izlemesi halinde, diğerini izlememesi gerekiyor, çünkü aksi halde parite korunamıyordu Daha sonra, paritenin korunumu ilkesini çiğneyen pek çok diğer bozunma gözlendi Örneğin spini ½ olan lambda parçacığı (u-d-s), zayıf etkileşim aracılığıyla bir proton (u-u-d) ve bir mezona (au-d) bozunuyor ( � p+ mezon), bu bozunmada da parite korunmuyordu 1957 yılında CS Wu ve çalışma arkadaşları tarafından yapılan deneylerle belirlenen bir diğer örnek, kobaltın izotoplarından birinin (Co-60) ß bozunmasıydı



Co-60 izotopu bozunmadan önce 5 ћ'lik açısal momentuma sahip Bozunmadan sonra bu açısal momentum 4 ћ'e iniyor Demek ki bozunmada salınan bir de nötrino var ve aradaki 1 ћ'lık açısal momentum farkı, elektronla beraber bu nötrino tarafından taşınıyor Kobalt atomlarını, çok düşük sıcaklıklara kadar soğutup kinetik enerjilerini azalttıktan sonra, güçlü bir manyetik alana yerleştirerek, açısal momentumlarını manyetik alanla eşyönlüleştirmek mümkün Diyelim manyetik alan yukarı doğruydu ve kobalt çekirdeklerinin açısal momentumları da yukarı doğruldu Bu durumda, bozunma sonucu salınan elektronun yukarı yönde spine sahip olması gerekir

Nötrinonun da öyle, ki açısal momentum korunabilsin Ancak kobalt çekirdeği bu yukarı yönlü spine sahip elektronu; yukarıya doğru da salabilir, aşağıya doğru da Birinci durumda; spini yukarı doğru olup yukarıya doğru hareket etmekte olan elektronun, spin ve hareket yönleri aynıdır İkinci durumda ise, spini yukarıya doğru olup aşağıya doğru hareket etmekte olan elektronun, spin ve hareket yönleri terstir Paritenin korunması için, kobalt çekirdeklerinin elektronları eşit olasılıkla aşağıya ve yukarıya doğu salması gerekirken, durum böyle olmuyor Kobalt çekirdekleri şaşırtıcı bir şekilde yön tercihinde bulunarak, elektronları daha büyük sıklıkla aşağı, yani manyetik alanın tersi yönde salıyor Böylelikle de; saldığı elektronların çoğunluğu için hareket yönünün, spinle ters yönlü olmasını sağlamış oluyor Yani, saldığı elektronların hareket yönü ile spini arasındaki ilişki açısından sol el uyumunu tercih ediyor


Şimdi ünlü kuramsal fizikçilerden Richard P Feynman'ın sunduğu bir örnekten hareketle, bu, kuantum mekaniksel bir nitelik olan paritenin korunmaması durumunun büyük ölçekli bir sistemde nasıl, yansıma altında simetrinin bozulmasına karşılık geldiğine bir bakalım Diyelim kobalt atomlarını yeterince soğuttuk ve bir elektromıknatısla oluşturduğumuz, yukarı yöndeki güçlü bir manyetik alanın içine koyduk Elimizde bir de elektron dedektörü var ve açıklığından her elektron girdiğinde, olayı algılayıp bir 'tık' sayıyor

Dedektörü, açıklığı kobalt atomlarına bakacak şekilde; düzeneğin üst tarafına yerleştirirsek görece seyrek, alt tarafına yerleştirdiğimizde ise daha sık 'tık' sayacak Dedektörü alt tarafa yerleştirip, bu düzeneği bir saat olarak kullandığımızı düşünelim: Acaba ayna simetriği nasıl çalışacak?

Yukarı doğru olan kobalt atomlarının spini ve manyetik alan, aynada aşağıya doğru yön değiştirecektir Kobalt atomları yine, manyetik alanın tersi yönde daha sık elektron salıyor olacağından, düzeneğin alt tarafında kalan dedektör bu sefer, daha seyrek 'tık'layacak, ölçtüğü zaman yavaşlayacaktır Yani saatimizin aynadaki yansıması, orijinaline göre daha yavaş çalışmakta, simetri bozulmuş bulunmaktadır Bu önemli bir olaydır Çünkü, içinde yaşadığımız uzayla, bu uzayın aynadaki görüntüsünün birbirinden ayırdedilebileceği anlamına gelir Ya da, herhangi bir nesne ile aynadaki görüntüsünün
Bu saatte 'P simetri' bozuk olduğuna göre, akla diğer simetriler gelir: Acaba 'C simetri' de mi bozuk?

Bu olasılığı irdelemek için, orijinal saatimize 'yük eşlenikleştirmesi' uygulayalım Elektromıknatıstaki akımın yönü değiştiğinden, manyetik alanın yönü aşağıya doğru değişir Kobalt atomları karşıtkobaltlara dönüşmüş olup, artık ß- yerine ß+ bozunmasına uğramakta, yani elektron yerine pozitron salmaktadır Neyse ki dedektör de bir karşıtdedektöre dönüşmüş ve ß- yerine ß+ saymaya başlamıştır Ancak, salınan pozitronlar için karşıtkobaltların daha büyük sıklıkla tercih ettiği yön, yine manyetik alanın tersi yönde, yani bu durumda yukarıya doğrudur Dolayısıyla karşıtdedektör, orijinal dedektörün saydığı elektron sayısına göre daha az pozitron saymaktadır Demek ki karşıtsaatimiz yavaşlamış, C simetri bozulmuştur

Peki, P de bozuk C de: Acaba PC? Veya CP? Sırası farketmez, çünkü komütatif: yani CP=PC Bu olasılığı irdelemek için, karşıtsaatimizin aynadaki görüntüsüne bakmak yeterli Aşağıdaki şekilde; orijinal saat, karşıtsaat ve karşıtsaatin ayna simetriği görülüyor

Manyetik alanın ve karşıtkobalt çekirdeklerinin spin yönleri değişmiştir Manyetik alan yukarıya doğrudur Karşıtdedektör hala aşağıdadır Karşıtkobaltlar pozitronları artık daha sıklıkla aşağıya doğru salmakta, karşıtdedektör bir önceki duruma göre daha sık tıklamaktadır Yani karşıtsaatimizin ayna simetriği, orijinal saatle senkronize olmuştur: PC simetri korunuyor!

Demek ki; C ve P simetrileri ayrı ayrı bozulabilirken, ikisi bir arada CP simetrisi olarak korunuyor Öte yandan, doğada en azından CPT simetrisinin sağlanması, yani 'yük eşlenikleştirmesi, uzayda yansıma ve zamanda tersinim' işlemlerinin birlikte uygulanması halinde fizik yasalarının değişmemesi beklenir O halde, CP simetrisi korunuyorsa eğer, T simetrisinin de ayrıca korunması gerekir 1964 yılına kadar hakim olan kanaat bu yönde iken, o yılda yapılan bir deneyde, uzun ömürlü nötür K mezonu 'ın, iki piona bozunduğu gözlendi Halbuki CP simetrisinin korunması halinde, 'ın üç piona bozunması gerekiyor, iki piona bozunması bu simetriyi bozuyordu Cp simetrisinin bozulması ise, T simetrisinin de ayrıca bozulabileceği anlamına geliyordu Bunun örnekleri arandı ve gerçekten de, daha sonra Ko mezonlarıyla daha sonra yapılan deneyler, T simetrisinin doğrudan çiğnendiğini gösterdi Çünkü bu mezonların bozunma süreçlerinden bazıları, zamanın yönüne bağlı olarak farklı gerçekleşme olasılıkları sergiliyordu Çekirdek bozunmalarında benzer T simetrisi bozuklukları arandı ise de, bu güne kadar bulunamadı Fakat bu durum her an değişebilir Çünkü T simetrisi, manyetik dipol momenti olan nötronun, bir elektrik dipol momentine sahip olmamasını gerektiriyor Dolayısıyla, süregiden deneylerde, çok düşük sıcaklıklara kadar soğutulmuş nötronların elektrik dipol momentinin sıfırdan farklı bir değere sahip olup olmadığının belirlenmesine çalışılıyor Birkaç yıla kadar böyle bir sonuç elde edilebilir

Mikroskopik düzeyde madde ve karşıt madde daima eşit oranlarda oluşur, örneğin yüksek enerjili çarpışma deneyleri eşit sayıda kuark ve karşıtkuarkın oluşmasına yol açarken, evrendeki maddenin karşıtmaddeye oranla belirgin fazlalığı, doğadaki bir başka simetri bozukluğunu oluşturuyor Ko mezonlarının garip görünen davranışı, bu asimetrinin nedenini açıklığa kavuşturabilecek gibi görünüyor Çünkü bu mezonlar bozunmaları sırasında CP simetrisini bozarlarken, karşıtmaddeye oranla madde lehine tercihte bulunmuş oluyorlar Gerçi Ko mezonu proton oluşturacak kadar büyük kütleye sahip değil Fakat, örneğin alt kuark içeren Bo mezonu gibi ağır bir parçacık benzer şekilde, evrenin erken oluşum sürecinde karşıtprotonlardan çok protonlara bozunma tercihinde bulunmuş ve bugünkü madde fazlalığına yol açmış olabilir Güçlü hızlandırıcılarda üretilen Bo mezonları üzerinde yapılan çalışmalarla, bu olasılığın geçerliliği araştırılıyor
Son olarak laboratuvarlarda artık sıklıkla üretilip, üst düzeyde vakumlanmış hacimlerdeki manyetik ve elektrik alan konfigürasyonlarında aylarca saklanabilen karşıt proton, karşıt nötron, karşıt döteron çekirdekleri ve karşıthidrojen atomlarının davranışları inceleniyor Çünkü maddeden yapılmış karşıtlarına göre sergiledikleri herhangi bir farklı davranış, CPT simetrisinin de bozulabildiği anlamına gelecek
Peki de bütün bunları nereden biliyor, maddeyle ilgili kuramsal tasarımların doğruluğundan nasıl emin olabiliyoruz? Tüm diğer bilim dallarında olduğu gibi fizikte de, kuramsal öngörülerin deneysel gözlemlerle kanıtlanması gerekiyor Hem de benzer koşullar altında, her seferinde aynı şekilde