CERN'DE BİR ŞEYLER OLDU

AstroNotlar’dan, merhaba! Bu haftaki yayınımız bir devam yayını niteliğinde olacak. Hem “CERN’de Neler Oluyor?” yayınımıza gelen yoğun talepten hem de Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi, CERN’deki yeni gelişmelerden sonra biz de bu konuyu bir daha anlatmak istedik. Öncelikle ilk yayınımızda değinemediğimiz bazı detaylara bakacağız, sonrasında geçtiğimiz günlerde gündeme gelen gelişmelerden bahsedeceğiz. Bazı konular devam niteliğinde olacağı için dinlemeyenler için daha temel konuları anlattığımız 30. bölümümüz olan “CERN’de Neler Oluyor?” yayınımızı dinlemenizi sonra bu yayına geçmenizi tavsiye ederiz.

CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda parçacıklara yüksek enerjiler verip ışık hızının %99.99’una kadar ulaştığını biliyoruz. Peki bunları bu kadar hızlandırmaktaki amaç ne?

Kısaca anlatmak gerekirse bu parçacıkların yavaş çarpmasının pek bir anlamı yok. Çünkü bu çarpışmaların yapılmasının amacı, çarpıştırılan parçacıkları parçalamak. Siz bir şeyi parçalamak istiyorsanız, onu olabildiğince hızlı çarpmalısınız.

Parçacık hızlandırıcılarda kullanılan elektrik, şehirdeki elektrik kullanımını etkileyecek kadar yüksektir. Bir örnek vermek gerekirse, Amerika Birleşik Devletleri’ndeki Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi’nin aylık elektrik faturasının 1 milyon dolar civarında olduğu, CERN’ün ise yaklaşık bu faturanın 100 katı olduğu söyleniyor. CERN ile ülkemizin elektrik tüketimini kıyaslayacak olursak ise, CERN, yaklaşık olarak Türkiye’nin binde altısı kadar elektrik kullanıyor.

Kısaca dedektörlerin özel amaçlarından da bahsetmek istiyoruz. ALICE ve LHCb dedektörleri diğer dedektörlere göre daha özelleşmiş dedektörlerdir. ALICE dedektörü, ağır iyonları ölçmek için kullanılmakta; LHCb, dedektörü ise, beauty kuarkı, bir diğer adıyla bottom quarkı, yani Türkçesiyle alt kuark denilen parçacığı inceleyip, madde ile antimadde arasındaki farkı araştırır. İlk iki dedektör gibi, yani ALICE ve LHCb gibi özel amaçlar için değil, Higgs bozonu dahil, pek çok temel parçacığı gözlemek için tasarlanmış dedektörlere ise genel amaçlı dedektörler denir.

ALICE dedektörü tarafından 2015’te gözlenen ağır iyon çarpışmalarından biri. (Kaynak: CERN)

Harcanan enerjinin büyük kısmı bu dedektörler için değil de, parçacıkları hızlandırmak için kullanılıyor. Dolayısıyla dedektör sayısı pek de önemli bir faktör sayılmayabilir bu harcamada. Dedektörlere gelecek olursak, gözlemledikleri şeyler aynı olsa da gördükleri şeyler aynı olmayabilir.

LHCb dedektöründe gözlemlenen bir parçacık. (Kaynak: CERN)

Bunun için dedektörlerin yapısına değinelim. Parçacıkları algılayan ATLAS ve CMS gibi dedektörler, düzenli olarak yan yana dizilmiş parçacık dedektörlerinden oluşur. Bu dedektörler birbirlerinden farklıdır, çünkü her parçacığı farklı şekilde algılarız. Basitçe, genel maksatlı bir dedektör için özel maksatlı dedektörleri birleştiriyoruz gibi düşünebiliriz. ATLAS ve CMS dedektörlerinin yapısında kullanılan minik dedektörler ve dizilişi birbirinden farklıdır. Ayrıca algılayıcıların çalıştıkları elektrik alanlar da farklılık gösterir.

ALICE dedektörünün iç kısmındaki algılayıcıların dizilimi. *(Kaynak: CERN)*

Kısaca, genel amaçlı 2 dedektörün kullanılması, daha fazla veri elde edilmesini sağlıyor. Daha fazla verinin üretilmesiyle daha kesin sonuçlar elde edebiliyoruz. Kabaca düşündüğümüzde neredeyse iki kat veri üretilmiş oluyor böylece. Bilim insanları bu dedektörlerin daha fazla olmasını istese de eldeki bütçe ile ancak 2 tane konulabilmiş. Ayrıca her dedektörde farklı kişilerin çalıştığını düşündüğümüzde, bu işbirliklerinin ortaya daha sağlıklı sonuçlar çıkardığını da söyleyebiliriz.

Bu iki dedektörü de farklı kişiler yapmıştır ve parçacıkları görüntüleme tarzları aynı değildir. Görüntüleme tarzlarının farklı olması da kritik bir nokta aslında. Çünkü dedektörün tasarımından veya herhangi bir arızadan kaynaklı hatalı gözlemlerin önüne geçmiş oluyoruz.

Peki son zamanlarda sık sık bahsedilen ve CERN’de bulunan Higgs parçacığı hakkında ne biliyoruz?

Aslında bunu anlamak için önce kısaca ve basitçe kuantum alan teorisinden bahsetmemiz gerekir. Bu teoriye göre, evrenin tamamına yayılmış bir kuantum alan vardır. Temel taneciklerin ve temel etkileşimlerin hepsinin böyle alanları mevcuttur. Evrende bu alanların herhangi bir yerinde bir titreşim olduğunda bunun etkilerini gözlemleyebiliyoruz. 1960’lı yıllarda İngiliz teorik fizikçi Peter Higgs ve 5 arkadaşı tarafından yayınlanan bir makalede, standart modelde bir de Higgs parçacığının olabileceğini öne sürmüşlerdir. Yani tıpkı elektron alanı gibi bir de Higgs alanı vardır ve bu alandaki titreşimlere de Higgs bozonu denir. Ancak bu alandaki titreşim için çok yüksek enerji gerektiği ve gözlemi zor olduğu için uzun yıllar hiç gözlenememiş. Bu fikrin ortaya atılmasından yıllar sonra, CERN’de bu parçacığın gözlendiği 2012 yılında açıklandı. Bu çalışma sonucunda da 2013 yılında Nobel Fizik ödülünü aldılar. Yıllar önce ortaya atılan bir teorinin ve evreni açıklamakta çok önemli bir adım diyebileceğimiz bu parçacığın keşfi bilim dünyasında çok büyük etki yarattı.

Peter Higgs CMS deneyini ziyaret ederken. (Kaynak: CERN)

Peki bu Higgs bozonu, evreni açıklamak için neden bu kadar önemli? Bu parçacığı keşfettiğimize göre evreni açıkladık mı?

Higgs alanı, diğer bütün alanlara, yani elektron, müon gibi temel taneciklerin hepsine kütlesini kazandıran alandır. Bu teori ortaya atılmadan önce bu parçacıkların neden bir kütleye sahip olduğu bilinmiyordu. Higgs parçacığını gözlediğimize göre bu alanın varlığı da kesinleşmiş oldu. Ortaya böyle bir teori atılması ve bu teorideki parçacığın gözlemlenmesi çok önemlidir, ancak yine de evreni açıklamak için yeterli değildir.

David Walton, bilim dünyasında buna Higgs parçacığı dense de bazıları buna “Tanrı Parçacığı” diyor. “Neden bu parçacığa “Tanrı Parçacığı”, ya da İngilizcesiyle “The God Particle” deniliyor?” diye düşünebilirsiniz. Bu parçacığın varlığı, 1964’te ortaya atılmış ve yıllarca gözlemlenememiştir. Yayınlanan makalede “Bu parçacık varsa, bu şekilde gözlenir.” diye yazılmış ancak kütlesinin ne olduğu, hangi etkileşimler ile ve nasıl bulunacağı bilinmiyordu. Örneğin Higgs bozonunun fotona bozunacağı biliniyordu ancak hangi etkileşimlerle bozunacağı bilinmiyordu. Konunun Tanrı parçacığına gelmesi ise 1993 yılında yazılan bir kitabın sonucudur aslında. Amerikalı Fizikçi Leon Lederman tarafından yazılan bu kitapta, Higgs bozonuna “The Goddamn Particle” yani Türkçe’ye çevirecek olursak, “Tanrının Belası Parçacık” lakabı takılıyor. Lederman, bu parçacığa neden tanrının belası parçacık dediğini şöyle açıklıyor: “Bu bozon, bugün fizik dünyasının merkezinde. Maddenin yapısını anlamak için bu bozonu anlamak gerçekten çok önemli ama bu bozonu gözlemek o kadar zor ki ben de tanrının belası parçacık takma adını vermek istedim.”

20 Mayıs 2015’te protonların Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda rekor kıran enerjide çarpışmasının ardından 21 Mayıs sabahı operasyon ekibi. (Kaynak: CERN)

Parçacık hızlandırıcılarını soğutmak, düşük sıcaklıkta parçacıkları hızlandırmak ve hızlandırılan bu parçacıkların da görüntülenmesi… Aslında bunların her biri ayrı bir sorun ve çözümü için yeni teknolojiler yapılıyor. Bu teknolojiler geliştirilirken yeni bilgiler öğreniliyor. Ayrıca temel parçacıklar ile yapılan araştırmalar sayesinde dokunmatik ekranlar icat edilmiş. Yani elimize cep telefonunu alıp da durmadan kaydırdığımız ekran, aslında parçacık fiziğinin eseri. Üstelik endüstriye de katkısı çok büyük. Örneğin küçük, sadece 3-4 metrelik bir parçacık hızlandırıcı ile yanmaz kablolar elde etmek mümkündür.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki Linac 4 hızlandırıcısı *(Kaynak: CERN)*

Parçacık hızlandırıcının ucuna kabloyu sürekli geçirecek bir düzenek kuruluyor. Parçacık hızlandırıcı da kablonun üzerine uygun enerjide elektronlar gönderiyor ve kablodaki bağlar kırılıp çapraz bağlama denilen şekilde tekrar bağlanması sağlanıyor. Bu sayede yanmaz kablolar üretilebiliyor. Ya da parçacık hızlandırıcı ile kaynak yapmak da mümkündür. Örneğin Boğaziçi Üniversitesi’nden Prof. Dr. Erkcan Özcan hocanın anlattığına göre: Boğaziçi’nde yapılan bir parçacık hızlandırıcı ile, iki metal uç uca getirilmiş ve tam o noktaya elektronlar gönderilmiş. Bu sayede iki demirin birbirine kaynaması sağlanmış ve söylenene göre bildiğimiz oksijenli kaynağa göre çok daha kaliteli bir kaynak çeşidiymiş.

Durum böyleyken ülkemizin de bu çalışmalarda olmasını çok isteriz açıkçası. Bu konuda ülkemizin tutumu nasıl? Bizim ülkemiz de bu alanda işbirlikleri yapıyor mu?

CERN’e girmek için bir yasa sunulmuştu ve sunulan yasa, 2015 yılında mecliste onaylandı. Böylece ülkemiz de asosiye üye oldu. Asosiye üyelikte aslında tam bir üyelik söz konusu değildir. Bu üyelikle orada yapılan araştırmalardan ülkemiz normal bir üyelerin onda biri kadar yararlanabiliyor. Bu üyeliğin haricinde ülkemizdeki bir çok bilim insanı yıllardır CERN’deki projelerde yer alıyor ve araştırmalara katılıyorlar.

Ülkemizin bu alanda çalışmaları demişken bir burs programı var. Bundan da bahsedelim. Bu program aslında CERN’ün yaz okulu programıdır. Dünya’nın her tarafından öğrenciler, kabul alırlarsa 8 hafta boyunca bu programa katılabiliyor. Bu yaz okulunda yarım gün derslere katılıp günün geri kalanında da CERN’deki deneylerde görev alabiliyorlar. Bu programa CERN’ün internet sitesi üzerinden başvuruluyor ve kabul alındığında öğrencinin masrafları Engin Arık fonu ile karşılanıyor. Konuyla ilgilenenler, ilgili siteyi buraya tıklayarak erişebilirler.

Bunun yanı sıra Ankara Üniversitesi Fizik bölümünde 1994 yılında bu konularda çalışmalar başladı ve Türk Hızlandırıcı Merkezi kuruldu. Ardından, uluslararası işbirlikleri de yapması hedefiyle Turkish Accelerator and Radiation LAboratory, yani kısaca TARLA adıyla ülkemizin Ar-Ge amaçlı ilk elektron hızlandırıcısı ve ışınım tesisi 2015 yılında hizmete girdi. Ayrıca ODTÜ, İstanbul Üniversitesi ve Boğaziçi Üniversitesi’nin de kendi bünyelerinde parçacık hızlandırıcıları bulunuyor. Bu konuyla ilgili daha detaylı bilgi isteyenler varsa, Türk Hızlandırıcı Merkezi’nin web sitesini ziyaret etmenizi öneririm.

Orta Doğu Teknik Üniversitesi Parçacık Radyasyonu Testleri Oluşturma Laboratuvarı (Kaynak: ODTÜ)

Şimdi gelelim geçtiğimiz günlerde gündeme düşen habere. Ne oldu da birden her yerde CERN görmeye başladık? Evrenin standart modeline güncelleme geliyor olabilir mi?

Günümüzden yaklaşık 60 yıl önce ortaya evrenin nasıl işlediğini açıklayan standart model diye bir şey atıldı. Bu model, neredeyse o güne kadar fizik ile ilgili bildiğimiz her şeyin bir toplamı, veya özeti gibi bir kuramdı. Bunun adına da Standart Model dendi. Her ne kadar etrafımızda olanları bu kuram ile çok başarılı bir şekilde açıklasak da geçtiğimiz yıllar boyunca bu kuramın bazı noktaları açıklayamadığını fark ettik. Bunlardan en bilinenleri, kütle çekim kuvvetini Genel Görelilik kuramındaki gibi açıklayamaması. Hatta standart model, evrenin ivmelenerek genişlemesini de açıklayamaz. Dolayısıyla bunları açıklayan yeni parçacıklara, yeni formüllere, belki de yeni bir fiziğe ihtiyacımız var!

Temel Parçacıkların Standart Modeli (Kaynak: Wikipedia)

Peki CERN’de bulunan şey neydi? Evrenin modeliyle nasıl bir bağlantısı var?

CERN’de bulunan şey, aslında evrenin standart modelinin dışında bir şey olduğu için fizikçileri çok etkiledi. Standart modele göre bozunmalardan açığa çıkan müon ve elektronların oranı eşit olmalı. CERN’de gözlenen ise, bu bozunmayı yapan B mezonununun elektronu müona tercih etmesi. Yani ikisinden de eşit oranda çıkması gerekirken ortaya daha fazla elektron çıkıyor. Hatta standart modelde olmayan Leptoquark dedikleri bir parçacığın izine bile rastlamış olabilirler! Zaten evrenin standart model ile açıklayamadığını biliyorduk ama eğer bu sonuçlar doğrulanırsa, fizikçilerin deyimiyle standart modelin ötesinde bir evren modeline doğru deneysel adımlarla yürüyorlar. Gerçekten çok heyecanlı bir sonuç. Belki de şu an tarihe tanıklık ediyoruz.

Konuyla ilgili açıklama yapıldığında pek çok yayın yapıldı ve bu yayınlara ilgi çok büyüktü. Hatta Fermilab konuyla ilgili yayın yaparken sayfaları çökmüş. Yaşanan aksaklığı da çok eğlenceli bir şekilde dile getirmişler. Attıkları tweet’te “Standart modeli yıkar gibi web sitemizi çökertiyorsunuz!” yazıyor 🙂

Physics fans, we are overwhelmed by your excitement. You're breaking all of our pages and streams like they're the Standard Model! We're working on it – thanks for your patience. The talk is also being recorded and will be available if you can't get to it right now. #gminus2
— Fermilab (@Fermilab) April 7, 2021

Yayınımızı bitirmeden önce bir de AstroNotların 2021 gelişmelerini yeniden hatırlatmak istiyorum. Bildiğiniz gibi, 2021 itibariyle aylık takvimler yapmaya başladık. Emre Ekunt’un astrofotoğrafını çektiği Pelikan Bulutsusuna ev sahipliği yapan Nisan ayı takvimimiz ile telefon veya masaüstü arka planlarınızı şenlendirmek isterseniz sitemizi ziyaret edebilirsiniz. Poster şeklinde tasarladığımız bu takvimleri çıktı da alabilirsiniz. İkinci haberimiz ise yine yeni yapmaya başladığımız Kayıt Dışı bölümler! Yayınlarımızı kaydederken kayıt sırasında kırpılan ve eğlendiğimiz anlarımızı da dinleyicilerimizle buluşturmak istedik. Kayıt Dışı seslerimizi dinlemek için sosyal medyadan bizi takip etmeyi unutmayın!

astronotlar.org@gmail.com e-posta adresimize konuştuğumuz içeriklere dair düşüncelerinizi ve değinmemizi istediğiniz konuları yazabilir, bir kitap, link veya bilgi paylaşımında bulunabilirsiniz. Sosyal medya hesaplarımızı Instagram ve Twitter’dan “astro_notlar” olarak takibe almayı unutmayın! Facebook’tan vazgeçmem diyenler ise bizi AstroNotlar sayfasında bulabilirler. Gelecek hafta görüşünceye dek, gökyüzüne iyi bakın, hoşçakalın!

E-posta: astronotlar.org@gmail.com
Facebook: facebook.com/astronotlar.org
Instagram: instagram.com/astro_notlar
Twitter: twitter.com/astro_notlar
Anchor: anchor.fm/astronotlar

KAYNAKLAR VE GÖRSELLER

https://home.cern/science/computing/processing-what-record

http://thm.ankara.edu.tr/tanitim/

https://www.taek.gov.tr/tr/sesame/1036-cern-arastirmalar.html

https://tr.wikipedia.org/wiki/Higgs_bozonu

https://tarla.org.tr/

https://home.cern/science/experiments/alice

https://home.cern/science/experiments/lhcb

https://home.cern/science/experiments/cms

https://home.cern/science/experiments/atlas

https://www.youtube.com/watch?v=wZpfHzlhuzg (Parçacıkların çarpışma animasyonu)