NEDİR BU CERN PROJESİ?
GİRİŞ
Parçacık fizikçileri, heyecanla, maddeyi şimdiye kadar erişilmemiş
derinliklerinde inceleme fırsatını yakalayacakları 2007 yılını bekliyorlar.
2007'de Cenevre kenti yakınlarındaki Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN)'de
hizmete girecek olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı-BHÇ (Large Hadron Collider-LHC),
maddenin temel yapıtaşlarını ve bunların aralarındaki etkileşmeleri anlama
yolunda 20. yüzyıl boyunca süregelen keşifler zincirinin sürmesini sağlayacak.
Geçtiğimiz yüzyılın başında bilim adamları, x-ışınları, katod ışınları, alfa ve
beta ışınları gibi birtakım esrarengiz ışınlar keşfettiler. Bunların nereden
geldiğini ve nelerden yapıldığını çözmek için gösterilen çabalar Evren'in daha
iyi anlaşılmasını sağladığı gibi transistor, radyo, televizyon, tıbbi
görüntüleme cihazları ve bilgisayarların geliştirilmesine yol açarak yaşamımızı
da değiştirdi. BHÇ, 21. yüzyılın başında karşı karşıya olduğumuz yeni soruları
yanıtlamak için tasarlandı. Bulunacak yanıtların yol açacağı teknolojik
gelişmeleri şimdiden kestirmek mümkün değil.
BHÇ'nda iki proton hüzmesi 14 TeV'lik, kurşun çekirdekleri
ise 1150 TeV'lik bir çarpışma enerjisiyle çarpışacaklar. 1 TeV yaklaşık olarak
uçan bir sivrisineğin kinetik enerjisine eşit. BHÇ'deki çarpışmalarda bu enerji
sivrisineğin trilyonda biri kadar bir hacim içine sıkıştırılmış, böylece Büyük
Patlama'dan bir saniyenin trilyonda biri kadar sonraki evrenin enerji yoğunluğu
laboratuarda yaratılmış olacak. Bilim adamları, bu çok yoğun enerjiden
Einstein'ın meşhur
E = mc2 bağıntısına uyan bir biçimde oluşacak çok sayıda parçacığı inceleyerek
doğanın sırlarını çözmeye çalışacaklar.
STANDART MODEL VE ÖTESİ
Etrafımızda gördüğümüz maddenin, dört temel yapıtaşından yapıldığını biliyoruz.
Bunlar u-kuarkları, d-kuarkları elektronlar ve elektron nötrinolarıdır. u ve d-kuarkları
atom çekirdeğindeki proton ve nötronların içinde gömülüdürler. Elektronlar
çekirdeğin etrafındaki yörüngelerde dönerek atomları, atomlar bir araya gelerek
molekülleri oluştururlar. Nötrinolar beta bozunumu sırasında elektronla birlikte
atom çekirdeğinden salınan yüksüz parçacıklardır. Maddeyle etkileşmeleri çok
zayıf olduğu için algılanmaları çok zordur. Kütlelerinin olup olmadığı henüz
bilinmemektedir.
Maddeyi oluşturmak üzere parçacıkları bir arada tutan
kuvvetler yine parçacıklar tarafından taşınmaktadır. Kuvvet taşıyıcı parçacıklar
madde parçacıklarından farklıdır. Parçacıkların kütle gibi ayırtedici bir
özelliği olan spin (içsel açısal momentum) madde parçacıkları için yarım
tamsayı, kuvvet parçacıkları için tamsayı değerlere sahiptir. Yani madde
parçacıkları fermiyonlar, kuvvet parçacıkları ise bozonlardır. Kuvvet
parçacıkları, bir madde parçacığından diğerine bilgi taşıdıkları çok kısa bir
süre için varolurlar. Doğada dört çeşit temel kuvvet bulunmaktadır. Bunlardan en
bilineni ve en zayıfı kütleçekimi kuvvetidir. Kütleçekimi kuvveti kütleyle
orantılı olduğundan gökcisimleri gibi büyük kütleli cisimlerin hareketlerinde
belirleyici rol oynar. Taşıyıcı parçacığı olduğu düşünülen graviton henüz
bulunmamıştır. Ölçeğin diğer ucunda bulunan yeğin kuvvet gluonlar tarafından
taşınır ve kuarkların bir araya gelip proton ve nötronları oluşturmasını sağlar.
Proton ve nötronları atom çekirdeği içinde bir arada tutan da yeğin kuvvettir.
Elektronları çekirdek etrafında yörüngede tutarak atomları ve atomları bir arada
tutarak molekülleri oluşturan elektromanyetik kuvvetin taşıyıcı parçacığı
fotondur. Elekromanyetik kuvvetten zayıf, fakat kütleçekimi kuvvetinden kuvvetli
olan zayıf kuvvetin taşıyıcı parçacıkları yüksek kütleye sahip olan W ve Z
bozonlarıdır. Zayıf kuvvet beta bozunumunda ve yıldızların parlamasında rol
oynar.
u ve d kuarkları ile elektron ve elektron nötrinosunun oluşturduğu ilk madde
parçacığı ailesine aynen benzeyen yalnız daha ağır olan iki parçacık ailesi daha
vardır. Bunlar sadece yıldızların çok sıcak olan merkezleri gibi ekzotik
yerlerde bulunurlar ve parçacık hızlandırıcılarında oluşup, çok kısa bir süre
içinde daha hafif parçacıklara bozunurlar.
Doğada bir de, madde parçacıklarının bir tür 'ayna
görüntüsü' olan karşıtparçacıklar vardır. Bugünkü evrende karşıtmadde
bulunmamakta, ancak parçacık etkileşmelerinde oluşmaktadır. Fakat Evren'in
doğduğu Büyük Patlama sırasında parçacıklarla hemen hemen eşit miktarda
karşıtparçacığın bulunduğu düşünülmektedir.
Madde ve kuvvet parçacıkları hakkındaki yukarıdaki
açıklamalar Standart Model (SM)'in basit bir özetidir. 20 küsur yıldır
yapılmakta olan deneysel testleri geçmiş olmasına rağmen bugün SM bazı soruları
yanıtsız bırakmaktadır: Parçacıkların neden kütleleri vardır ve bu kütleler
neden birbirinden farklıdır? Görünüşte farklı olan dört temel kuvvet, tek bir
kuvvetin farklı görünümleri midir? Evrende bugün karşıtmadde kalmamış olmasının
sebebi nedir?
Kütle gibi çok kullandığımız bir kavramın çok az
anlaşılmış olması şaşırtıcı bir şeydir. SM'in kütle problemine getirdiği çözüm
Higgs mekanizması olarak anılır. Buna göre bütün uzay bir 'Higgs alanı'ile
kaplıdır ve parçacıklar bu alanla etkileşerek kütle kazanırlar. Parçacığın
kütlesinin büyüklüğü bu alanla etkileşmesinin şiddetine bağlıdır. Higgs alanının
kuantumu olan hiç değilse bir parçacık bulunmalıdır. Higgs bozonu olarak anılan
bu parçacık SM'in öngördüğü ve henüz gözlenmemiş olan tek parçacıktır. Bu
parçacık eğer varsa BHÇ'nda gözlenmesi beklenmektedir.
Yukarıda bahsedildiği gibi bugün içinde yaşadığımız
soğumuş evrende madde üzerine etki eden dört farklı kuvvet vardır. Büyük
Patlama'dan hemen sonra evren çok daha sıcakken bunların tek bir kuvvet olarak
davrandıklarına işaret eden bulgular vardır.
Parçacık fizikçileri, bunu ispatlayacak bir kuramsal
çerçeve bulmayı ümit etmektedirler ve bu doğrultuda bir miktar başarı elde
etmişlerdir. 1970'lerde elektromanyetik kuvvetle zayıf kuvvet tek bir kuram
içinde birleştirilmiştir ve bu kuram birkaç yıl sonra bir CERN deneyinde
doğrulanmıştır. Kuvvetlerin birleştirilmesi için önerilen kuramlar arasında en
önde gelenlerden birisi süpersimetri veya kısaca SUSY'dir. SUSY'ye göre her
parçacığın bir süpersimetrik eşi vardır. SUSY'nin öngörüleri doğruysa
süpersimetrik parçacıklar BHÇ'nda gözlenecektir.
Şekil 2: Fizikçiler farklı zannedilen kuvvetleri
birleştirme yolunda önemli adımlar atmışlardır.
Büyük Patlama ile Evren doğduğunda, aynı miktarda
yaratıldığı düşünülen madde ile karşıtmaddeden bugün neden geriye sadece madde
kalmıştır? Bir zamanlar karşıtmaddenin maddenin mükemmel bir 'ayna yansıması'
olduğu düşünülüyordu. Yani, maddeyi karşıtmaddeyle değiştirip sonucu bir aynada
gözlemlesek maddeden ayırt edebilmemiz beklenmezdi. Fakat bugün bu simetrinin
mükemmel bir simetri olmadığını, yansımanın mükemmelden biraz farklı olduğunu
biliyoruz. İşte yansımadaki bu ufak bozulma evrendeki madde-karşıtmadde
dengesizliğinin sebebi olabilir. BHÇ, çok iyi bir 'karşıtmadde aynası' olarak
davranarak SM'in bu konuda duyarlı bir biçimde test edilmesini sağlayacaktır.
Bunlar BHÇ'nda yanıtlanması beklenen sorulardan sadece
birkaçıdır. Tarihten biliyoruz ki, bilimdeki büyük sıçramalar genellikle
beklenmeyen bir biçimde gelişirler. Erişilecek yeni enerji bölgesinde doğa bizim
için yeni sürprizler saklıyor olabilir.
BÜYÜK HADRON ÇARPIŞTIRICISI
Yüklü parçacıklara enerji aktarmanın tek yolu elektrik
alanları uygulamaktır. Bu iş, çizgisel veya dairesel yörüngeler boyunca
yapılabilir. Çizgisel hızlandırıcıların uzunluğu ne kadar fazlaysa, parçacığın
erişebileceği enerji de o kadar fazladır. BHÇ gibi dairesel hızlandırıcılarda
ise parçacıklar aynı yörüngede dönerler ve belli noktalarda uygulanan elektrik
alanlarıyla hızlandırılırlar. Parçacıkları dairesel yörünge üzerinde tutmak ve
hüzmeyi odaklamak için manyetik alanlar kullanılır. Parçacıkların çıkabileceği
enerji, yörüngenin yarıçapı ve uygulanan manyetik alanla artar.
BHÇ, CERN'de 1989-2000 yılları arasında çalışıp SM'in
olağanüstü bir duyarlıkla test edilmesini sağlayan Büyük Elektron-Pozitron
Çarpıştırıcısının (LEP) tünelinde inşa edilmektedir. Bu tünel Cenevre kenti
yakınında, İsviçre ve Fransa topraklarında, ortalama yerin 100 m altında olup
çevresi 27 km'dir. BHÇ'nda her biri 7 TeV'e hızlandırılacak iki proton hüzmesini
yörüngede tutabilmek için 8,36 Teslalık bir manyetik alan gerekmektedir. Bu
kadar yüksek bir manyetik alan şimdiye kadar hiçbir hızlandırıcıda
kullanılmamıştır ve ancak süperiletken teknolojisinin gelişmesiyle elde edilmesi
mümkün olmuştur. Süperiletkenlik, bazı malzemelerin elektrik akımını dirençsiz
bir biçimde, enerji kaybı olmadan iletebilmesi demektir ve ancak çok düşük
sıcaklıklarda gerçekleşebilir. BHÇ'nın mıknatısları 1,9 K'de, yani oda
sıcaklığının 300 °C altında çalışacaktır. 27 km'lik çevresiyle BHÇ, dünyada en
büyük ölçekli süperiletken teknolojisi uygulaması olacaktır. Protonlar,
CERN'deki bir dizi hızlandırıcıda adım adım daha yüksek enerjilere çıkarıldıktan
sonra BHÇ'nın tüneline demetler halinde yollanacaklar ve demetler saniyede 40
milyon kez birbirlerinin içinden geçecekler. Dünyadaki en yüksek enerjili
çarpıştırıcı olmanın yanında BHÇ aynı zamanda dünyadaki en şiddetli hüzmelere de
sahip olacak. Bir cm2'den bir saniyede geçecek parçacık sayısı 1034 gibi çok
yüksek bir değere erişecek. Saniyede gerçekleşecek bir milyar proton-proton
etkileşmesinin ancak trilyonda biri fizik açısından ilginç olacak. Her
etkileşmeden ortalama 100 parçacık çıkacak. Bu kadar yüksek sayıda parçacığın
algılanması ve çok düşük orandaki ilginç olayların seçilmesi çıkacak
parçacıkların algılanacağı dedektörlerin ve bilgi işleme sisteminin tasarımında
mevcut teknolojiyi zorluyor. BHÇ'nda çalışacak olan dört büyük dedektör bu
zorlukları aşacak şekilde planlandılar. Şekil 3'te bir örnek olayın simülasyonu
görülüyor.
Şekil 2: Fizikçiler farklı zannedilen kuvvetleri birleştirme yolunda önemli
adımlar atmışlardır.
Büyük Patlama ile Evren doğduğunda, aynı miktarda yaratıldığı
düşünülen madde ile karşıtmaddeden bugün neden geriye sadece madde kalmıştır?
Bir zamanlar karşıtmaddenin maddenin mükemmel bir 'ayna yansıması' olduğu
düşünülüyordu. Yani, maddeyi karşıtmaddeyle değiştirip sonucu bir aynada
gözlemlesek maddeden ayırt edebilmemiz beklenmezdi. Fakat bugün bu simetrinin
mükemmel bir simetri olmadığını, yansımanın mükemmelden biraz farklı olduğunu
biliyoruz. İşte yansımadaki bu ufak bozulma evrendeki madde-karşıtmadde
dengesizliğinin sebebi olabilir. BHÇ, çok iyi bir 'karşıtmadde aynası' olarak
davranarak SM'in bu konuda duyarlı bir biçimde test edilmesini sağlayacaktır.
Bunlar BHÇ'nda yanıtlanması beklenen sorulardan sadece
birkaçıdır. Tarihten biliyoruz ki, bilimdeki büyük sıçramalar genellikle
beklenmeyen bir biçimde gelişirler. Erişilecek yeni enerji bölgesinde doğa bizim
için yeni sürprizler saklıyor olabilir.
BÜYÜK HADRON ÇARPIŞTIRICISI
Yüklü parçacıklara enerji aktarmanın tek yolu elektrik
alanları uygulamaktır. Bu iş, çizgisel veya dairesel yörüngeler boyunca
yapılabilir. Çizgisel hızlandırıcıların uzunluğu ne kadar fazlaysa, parçacığın
erişebileceği enerji de o kadar fazladır. BHÇ gibi dairesel hızlandırıcılarda
ise parçacıklar aynı yörüngede dönerler ve belli noktalarda uygulanan elektrik
alanlarıyla hızlandırılırlar. Parçacıkları dairesel yörünge üzerinde tutmak ve
hüzmeyi odaklamak için manyetik alanlar kullanılır. Parçacıkların çıkabileceği
enerji, yörüngenin yarıçapı ve uygulanan manyetik alanla artar.
BHÇ, CERN'de
1989-2000 yılları arasında çalışıp SM'in olağanüstü bir duyarlıkla test
edilmesini sağlayan Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısının (LEP) tünelinde
inşa edilmektedir. Bu tünel Cenevre kenti yakınında, İsviçre ve Fransa
topraklarında, ortalama yerin 100 m altında olup çevresi 27 km'dir. BHÇ'nda her
biri 7 TeV'e hızlandırılacak iki proton hüzmesini yörüngede tutabilmek için 8,36
Teslalık bir manyetik alan gerekmektedir. Bu kadar yüksek bir manyetik alan
şimdiye kadar hiçbir hızlandırıcıda kullanılmamıştır ve ancak süperiletken
teknolojisinin gelişmesiyle elde edilmesi mümkün olmuştur. Süperiletkenlik, bazı
malzemelerin elektrik akımını dirençsiz bir biçimde, enerji kaybı olmadan
iletebilmesi demektir ve ancak çok düşük sıcaklıklarda gerçekleşebilir. BHÇ'nın
mıknatısları 1,9 K'de, yani oda sıcaklığının 300 °C altında çalışacaktır. 27
km'lik çevresiyle BHÇ, dünyada en büyük ölçekli süperiletken teknolojisi
uygulaması olacaktır. Protonlar, CERN'deki bir dizi hızlandırıcıda adım adım
daha yüksek enerjilere çıkarıldıktan sonra BHÇ'nın tüneline demetler halinde
yollanacaklar ve demetler saniyede 40 milyon kez birbirlerinin içinden
geçecekler. Dünyadaki en yüksek enerjili çarpıştırıcı olmanın yanında BHÇ aynı
zamanda dünyadaki en şiddetli hüzmelere de sahip olacak. Bir cm2'den bir
saniyede geçecek parçacık sayısı 1034 gibi çok yüksek bir değere erişecek.
Saniyede gerçekleşecek bir milyar proton-proton etkileşmesinin ancak trilyonda
biri fizik açısından ilginç olacak. Her etkileşmeden ortalama 100 parçacık
çıkacak. Bu kadar yüksek sayıda parçacığın algılanması ve çok düşük orandaki
ilginç olayların seçilmesi çıkacak parçacıkların algılanacağı dedektörlerin ve
bilgi işleme sisteminin tasarımında mevcut teknolojiyi zorluyor. BHÇ'nda
çalışacak olan dört büyük dedektör bu zorlukları aşacak şekilde planlandılar.
Şekil 3'te bir örnek olayın simülasyonu görülüyor.
Şekil 3: Üst üste bindirilmiş 18 p-p çarpışmasının CMS iz dedektöründeki
görünümü. Higgs bozunumundan çıkan 4 doğrusal müon izi hangileri?
Uygun kinematik koşulların uygulanmasından sonra geriye kalan izler arasında
doğrusal müon izleri kolaylıkla seçilebiliyor.
BHÇ'
NDAKİ DÖRT BÜYÜK DEDEKTÖR
Şekil 4: ATLAS ve CMS dedektörlerinin büyüklüğünü CERN'deki bir binayla
karşılaştıran temsili resim.
Şekil 5: Dört büyük deneyin BHÇ üzerindeki yerleşimleri
BHÇ'nda yeni fiziği keşfetmek için ikisi genel amaçlı
olmak üzere dört büyük dedektör kullanılacak. Bunların bilgi işleme hızı, bütün
Avrupa telekomünikasyon ağının bugünkü bilgi işleme hızına eşit olacak. Genel
amaçlı iki dedektör CMS (Compact Muon Solenoid) ve ATLAS (A Toroidal LHC
ApparatuS) çarpışmalardan çıkacak parçacıkların tümünü algılayabilecek biçimde
silindirik simetrili olarak tasarlandı.
Şekil 6: CMS dedektörü: Uzunluk: 21,6 m, çap:30m, kütle:12500 ton
Şekil 7: ATLAS dedektörü. Uzunluk:44m, çap=22m, kütle:7000 ton
Dedektörlerin ikisi de çarpıştırıcılarda kullanılan çoğu
dedektörler gibi soğansı bir yapıya sahip. En içte çarpışmadan çıkan yüklü
parçacıların izlerini belirleyen bir iz dedektörü, sonra elektronların ve
fotonların enerjilerini bırakacakları bir elektromanyetik kalorimetre, onun
dışında proton, nötron, piyonlar gibi kuvvetli etkileşen parçacıkların
enerjilerini bırakacakları bir hadron kalorimetresi ve en dışta zayıf etkileşen
müonları algılamak üzere müon odacıkları. İki deneyin tasarımındaki en büyük
fark kullandıkları manyetik alanın birinin solenoidal, diğerinin toroidal bir
yapıya sahip olması. ATLAS deneyinde 34 ülkenin 150 üniversite ve araştırma
kurumundan 2000 bilim adamı, CMS'te ise 31 ülkenin yine 150 üniversite ve
araştırma kurumundan 1870 bilim adamı çalışıyor. Türkiye'den Ankara ve Boğaziçi
Üniversitelerinden YEF grupları ATLAS deneyine; Boğaziçi, Çukurova ve Orta Doğu
Teknik Üniversitelerinden gruplar ise CMS deneyine katıldılar.
BHÇ'ndaki özel amaçlı deneylerden LHCb'de, proton-proton
çarpışmalarından çıkacak b kuarkı içeren parçacıkları kullanarak evrendeki
parçacık-karşıtparçacık dengesizliğinin sebebinin araştırılması hedefleniyor.
Diğer özel amaçlı dedektör olan ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
protonlar yerine kurşun atomlarının çekirdeklerinden oluşan hüzmelerle veri
alacak ve maddeyi Evren'in ilk anlarındaki koşullarda araştıracak.
SONUÇ
BHÇ'nın çalışacağı 10 yıl boyunca 1017 civarında
proton-proton çarpışması gerçekleşecek. Yaklaşık 10 'ekzotik' olayın gözlenmesi
"yeni fizik" keşfi sayılabilir. Bu 10 ilginç olayın 1017 sıradan olay arasından
seçilmesi gerekiyor. Tipik bir iğnenin hacmi 5 mm3 ve tipik bir saman yığınının
hacmi 50 m3 olarak alınırsa BHÇ'nda yeni fiziğin aranması bir milyon saman
yığınında bir iğnenin aranmasına benzetilebilir. BHÇ'nda veri alacak olan
deneyler bu işi başarabilecek şekilde tasarlandığından ilginç keşiflerin bizi
beklediğine inanıyoruz ve Türk YEF'çileri olarak bu heyecanlı maceranın içinde
yer aldığımız için büyük mutluluk duyuyoruz.
KAYNAKLAR:
http://nucleus.istanbul.edu.tr/~cfe/birinci/mak1/index.html
1.http://cmsdoc.cern.ch/cms/outreach/html/CMSdocuments/CMSchallenges/CMSchallenges_index.html
2.http://cmsdoc.cern.ch/cms/outreach/html/CMSdocuments/PhysicsOfLHC/PhysicsOfLHC_index.html
3.http://cmsdoc.cern.ch/cms/outreach/html/CMSdocuments/Collisions_VD/Collisions_index.html4.http://public.web.cern.ch/public/about/why/why.html
5.http://public.web.cern.ch/public/about/future/future.html
6.http://public.web.cern.ch/public/about/how/how.html
7.http://public.web.cern.ch/public/about/future/whatisLHC/whatisLHC.html
8.http://pdg.lbl.gov/atlas/atlas.html
9.http://cmsinfo.cern.ch/Welcome.html/
10.http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2000/teaching/resource/lessons/basic/notelist.htm
11.http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2000/teaching/resource/lessons/particle/particle.htm
12.http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/P10/english/welcome.html
13.http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2000/teaching/resource/lessons/kalmus/kalmus.htm
14.http://www.geocities.com/parcacik/icindekiler.html
15.http://www20.uludag.edu.tr/~epilicer/
16.http://www.mu.edu.tr/departments/art_and_science/physics/kerem/bilim/cern.html
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder