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.

Şekil 1: BHÇ (LHC) tünelinin yerleşimi. Cenevre havaalanı ve Leman Gölü görülüyor.

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.

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.

BHÇ' NDAKİ DÖRT BÜYÜK DEDEKTÖR

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.

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:

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

Gülsen Önengüt

Çukurova Üniversitesi, Fen-Ed. Fakültesi, Adana, Bu mail adresi spam botlara karşı korumalıdır, görebilmek için Javascript açık olmalıdır