AstroNotlar’dan, merhaba! Bu hafta astronomik boyutlar ile ilgilenmek yerine daha küçük boyutları inceleyeceğiz. Parçacık fiziğiyle ilgili en gelişmiş laboratuvardan biri olan CERN’den, yani Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi’nden bahsedeceğiz.
Konuyu daha iyi anlayabilmemiz için başlangıç olarak işin biraz temelinden bahsedelim. Kuantum fiziği nedir?
Kuantum fiziği olarak adlandırdığımız fizik de aslında , evrenin işleyişini kapsar. Sadece insanlık olarak işin bu kısmını keşfetmemiz, bilimin ve teknolojinin gelişmesine bağlı olarak ancak 20. yüzyılda mümkün olabilmiştir. Peki bundan önce ne vardı?
Kuantum fiziğini keşfetmeden önce hiçbir şey bilmediğimizi düşünmek yanlış olur. Günlük hayatta tecrübe ettiğimiz olayların çoğu klasik fizik ile açıklanabilir. Örneğin bir köprü, bir araba, bir uçak yapmak istediğimizde, bize gerekli olan fizik bilgilerini daha önceden biliyorduk. Bu yapılar, günlük hayatta da karşımıza çıktığı ve gözlemlenmesi kolay olduğu için bunların arkasındaki fiziği anlamak biraz daha kolaydır. Ancak elimizdeki nesnenin hızı, ışık hızı gibi çok hızlı boyutlara, boyutu da temel parçacıklar gibi çok küçük boyutlara geldiğinde geçmişteki bilim insanları, bunları bildiğimiz fizik yasaları ve formülleri ile açıklayamadılar. Bu eksiklik fark edilince, ortaya kuantum fiziği denilen bir alan çıkmış oldu.
Yani çok hızlı ve küçük nesnelerin fiziğini, kuantum fiziği ile açıklayabiliriz. Peki parçacık fiziği nedir? Adında geçtiği gibi sadece parçacıklar ile mi ilgileniliyor?
Aslında parçacıklar ile ilgilenmeleri bir amaç değildir. Evrenin neyden oluştuğunu, ve nasıl oluştuğunu araştırılıyor diyebiliriz. Bunun için de doğadaki en küçük şeyler olan temel parçacıklar inceleniyor. Eğer temeldeki şey anlaşılırsa, evren ile ilgili bir çok sorunun cevabını bulabileceğiz. Bu nedenle en temel parçacığın ne olduğu ve bu parçacıkların nasıl etkileştiği araştırılmaktadır.
Bir de yüksek enerji fiziği diye bir alan var. Sanırım bu da parçacık fiziğiyle alakalı, değil mi?
Aslında parçacık fiziği ve yüksek enerji fiziğinin aynı şey olduğu söylenebilir. Maddenin yapısını, en temel seviyedeki halini ve temel parçacıkların nasıl etkileştiklerini anlamak için parçacıkların yüksek enerjilere ulaşması sağlanıyor. Bu nedenle bu alana yüksek enerji fiziği deniyor. Burada yüksek enerji derken, örneğin Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda olduğu gibi parçacıkları hızlandırıp birbirleriyle çarpıştırıyorlar. Bu hızlandırma işlemi için de CERN gibi laboratuvarlara ihtiyaç duyuluyor.
Kuarklar, leptonlar ve bozonlar gibi atomaltının da altı diyebileceğimiz parçacıklara temel parçacık diyoruz. Yani maddenin en temel hali olduğu için temel parçacık deniyor. Aslında temel parçacık değişken bir kavramdır. Eski zamanlarda bilim insanları, atoma temel parçacık demişler. Ancak yıllar sonra atomun da bölünebildiğini keşfetmişler ve atomun içindekilere, elektrona, protona, nötrona temel parçacık demişler. Günümüzde teknoloji ve bilimin geldiği noktada, proton ve nötronların da aslında başka parçacıklardan, yukarı ve aşağı kuarklardan oluştuğunu biliyoruz. Yani kısacası, dolaylı olarak da olsa gözlemleyebildiğimiz veya algılayabildiğimiz en küçük yapıya, temel parçacık diyoruz.
“Hadronlar” ise, adları Rus teorik fizikçi Lev Borisovich Okun tarafından 1962’deki Uluslararası Yüksek Enerji Fiziği Konferansı’nda tanıtılmış bir terim. Yunanca’da ağır anlamlarına geldiği için, güçlü kuvvetlerle kuarkların birleşerek oluşturduğu bu parçacıklara hadronlar denmiş. Aslında güçlü bir şekilde etkileşen parçacıkların sıfat haline gelmeyen zayıf bir terim olmasından ve bu parçacıklara “non-leptonic” ismi verilmemesi için konmuş genel bir isim. Bir de leptonlar var. Onlar da yine Yunanca’da hafif anlamına geldiği için hadronlara göre hafif olan parçacıklara da leptonlar denilmiş. Örneğin bir proton hadron iken, ondan yaklaşık 2000 kat hafif olan elektron, en meşhur leptonlardan biridir. Ancak günümüzde hadronlardan daha ağır leptonların da bulunduğunu biliyoruz. Bu sadece bir sınıflandırma şeklidir.
Yani kısaca CERN, adının da belirttiği şekilde nükleer araştırmalar, yani atom çekirdeği düzeyinde parçacıkların fiziği üzerine araştırmaları yapabilmek üzere oluşturulmuş bir tesistir. Yani CERN’de sadece parçacıklar çarpıştırılmaz. Parçacık fiziği ile ilgili araştırmaların yanı sıra, bu alanda her türlü teknolojileri geliştirmek için de araştırmalar da yapılmakta.
Adını LHC olarak sıkça duyduğumuz, Large Hadron Collider, yani Türkçe’siyle “Büyük Hadron Çarpıştırıcısı”, çevresi yaklaşık 27 kilometre uzunluğunda, çember şeklinde bir yapı. Dünyadaki en büyük parçacık çarpıştırıcısı ünvanını elinde tutan bu yapı, yer yüzeyinden yaklaşık 100 metre aşağıda yer almaktadır. 2000 yılında faaliyetine son verilen Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı yerine inşaa edilmiştir. Ayrıca en büyük çarpıştırıcı olmasının yanı sıra, en yüksek enerjilere ulaşılan çarpıştırıcı da budur. Parçacıkları, ışık hızının %99.99’una kadar hızlandırabilmekte.
Peki sizce neden bu kadar büyük bir çarpıştırıcıya ihtiyaç duyulmuş? Çembersel bir hızlandırıcı olduğu için büyük olması önemlidir. Bunu şöyle açıklayabiliriz: Burada çarpıştırılan parçacıkları hızlandırmak için yüksek enerjilere çıkması sağlanıyor. Eğer çember şeklindeki bu yapı küçük olsaydı, parçacıkları bu çembersel yörüngede tutmak için daha fazla enerji harcanacaktı ve hızlandırmak için verilen enerjide kayıplar yaşanacaktı. Enerji kaybını azaltmak, parçacık hızlandırıcısının büyük olmasındaki en büyük etken diyebiliriz.
Peki bu parçacıklar neden hızlandırılıyor? Bu soruyu bir örnek ile açıklayalım: Bilgisayarınızın içinde ne olduğunu merak ediyorsunuz ancak içini açacak veya parçalara ayıracak teknolojiye sahip değilsiniz. Bilgisayarın içindeki parçaların ne olduğunu anlamak için iki tane bilgisayarı karşılıklı olacak şekilde çarpıştırıyorsunuz. Tam çarpıştırığınız noktayı izleyen kameralar yerleştirip çarpışma anında saçılan parçaları anlamaya çalışıyorsunuz. Kamerlardan; işlemci, ram, ekran kartı, hard disk gibi parçaları görüp, bunların bütününü anlamaya çalışıyorsunuz. Eğer bu iki bilgisayarı birbirine yavaşça vuracak olursanız, muhtemelen en fazla kaplamasındaki maddeyi yamultursunuz. İçindekileri göremezsiniz. Dolayısıyla içindeki her parçayı dağıtmak istiyorsanız, büyük hızlarda çarpıştırmalısınız. Parçacıklar da bu sebebe benzer şekilde hızlandırılıp çarpıştırılıyor.
Peki bu parçacıklar nasıl hızlandırılıyor? Bu çarpıştırıcılarda, protonlar veya elektronlar gibi, sadece yüklü ve kararlı parçacıklar hızlandırılabilmekte ve yüklü parçacıklar, elektromanyetik kuvvet ile hızlandırılmaktadır. Basitçe söylemek gerekirse, zıt kutupların birbirini itmesi mantığına dayanıyor diyebiliriz. Parçacıklar Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda, ışık hızının %99.99’una kadar hızlandırılabiliyor. 27 kilometrelik yolu, bir saniye içinde binlerce kere dönüyorlar. Hızlandırılan bu parçacıkları çembersel bir yörüngede tutabilmek için ise manyetik alan kullanılıyor.
Peki “kararlı parçacıklar” nedir? Kararlı parçacık, hiçbir etki altında kalmadan, yani kendi kendine dururken bozunmayan veya başka parçacıklara dönüşmeyen parçacıklara denir. Bunların kararlı olduklarını da gözlemler sonucunda biliyoruz. Örneğin evrenin, sistemlerin ve gezegenlerin bu halde, yani bozunmadan kalmasının sebebi de bazı parçacıkların kararlı olması diyebiliriz. Örneğin eğer elektron kararlı bir parçacık olmasaydı, günümüzde kimya sayesinde incelediğimiz atom oluşmazdı. Belki de evren hiç oluşmayabilirdi.
Peki bu çarpışma olayı tam olarak nasıl oluyor? Gerçekten de iki tane parçacık karşılıklı gelip de kafa kafaya birbirlerine mi çarpıyorlar?
Aslında çarpışma tam olarak bu şekilde gerçekleşmemektedir. Karşılıklı gelen iki parçacığın etkileşecek kadar yakın geçmesi, yeni parçacıkların oluşması için yeterli olabiliyor. Bu çarpışmaları, her iki taraftan da birer parçacık geliyormuş gibi de düşünmemeliyiz. Çünkü o kadar küçük şeyleri denk getirmek zor olacağından, birden fazla parçacık gönderiliyor, bir demet gibi. Örneğin proton çarpıştıralacağı zaman, 10 üzeri 11 tane protonu, yani 10’un yanına 10 tane daha sıfır koyduğumuzu düşünün, o kadar çok sayıda protonu gruplayıp öyle çarpıştırıyorlar. Milyarlarca proton olmasına rağmen her turda ancak 20-25 çarpışma gerçekleşiyor. Bu çarpışmayı daha iyi canlandırabilmek için buraya tıklayabilirsiniz.
Peki bu çarpışmalardan her seferinde yeni bir şey mi öğreniliyor? Yoksa kendini tekrar eden sonuçlar da elde ediliyor mu?
Aslında CERN’de yapılan deneylerin sonuçları matematiksel olarak önceden hesaplanmaktadır. Yani neredeyse bütün çarpışmaların sonucu, matematiksel ve deneysel olarak hesaplanmış durumdadır. Burada, formüllerin ve matematiksel hesapların ne kadar doğru olduğunu araştırıyorlar da diyebiliriz. Hangi parçacıkların hangi şartlarda ve hangi enerjilerde oluşacağı da matematiksel olarak bulunduğu için, bir parçacığa ulaşılmak istendiğinde yapılacaklar bellidir. Ancak her zaman sonuç beklenildiği gibi gelmez.
Aklınıza hemen çok mantıklı bir soru gelebilir: Tüm bunlar matematiksel ve deneysel olarak zaten hesaplanmışsa, neden hâlâ bu deneyler devam ediyor? Örneğin meteoroloji alanında da bir sürü araştırma yapıldı. Bir çok meteoroloji uydusu yörüngeye fırlatıldı ve yıllarca gözlem yapıldı. Hangi şartlarda yağmur, hangi şartlarda dolu yağacağını veya güneşin açtığını biliyoruz. Ancak bundan tam bir sene sonra aynı gün, havanın nasıl olacağını da kesin olarak bilemeyiz. İki parçacığın çarpışmasıyla da ortaya bir sürü temel parçacığın çıktığını bildiğimize göre ihtimallerin ne kadar yüksek olduğunu düşünmeliyiz. Fizikte her zaman keşfedilecek bir şeyler vardır. Bir diğer deyişle, hali hazırda keşfetmiş olduğumuz şeylerin keşfedebileceklirimizin tamamı olup olmadığından emin değiliz.
Çarpışmaları gözlemek için ise çeşitli dedektörler kullanılmaktadır. Örneğin, CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda ALICE, LHCb, CMS ve ATLAS adında 4 tane dedektör bulunur. “A Large Ion Collider Experiment”, kısaca “ALICE”, Türkçesi’yle “Ağır İyon Çarpıştırıcı Deney Dedektörü”, adından da anlaşılacağı üzere, ağır iyonları ölçmek için kullanılmaktadır. “Large Hadron Collider beauty”, kısaca “LHCb”, yani “Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Güzellik” deneyi dedektörü, beauty kuark, bir diğer adıyla bottom quark, yani Türkçesi’yle alt kuark denilen parçacığı inceleyip, madde ile antimadde arasındaki farkı araştırıyor. “A Toroidal LHC ApparatuS”, yani “Halkasal Büyük Hadron Çarpıştırıcısı” cihazı, kısaca “ATLAS” ve “Compact Muon Solenoid”, Türkçesi’yle “Tıkız Müon Selenoidi”, kısaca “CMS” dedektörleri ise, bahsettiğim ilk iki dedektör gibi özel amaçlar için değil, Higgs bozonu dahil, bir çok temel parçacığı gözlemek için tasarlanmış genel amaçlı dedektörlerdir. Dört dedektör sayı olarak az görünse de 13 bini aşkın bilim insanı bu dedektörlerin ürettiği veriler üzerinde çalışmaktadır.
Deney sırasında dört dedektörün ürettiği veri, saniyede 25 gigabyte civarındadır. Bu verilerden işe yarar olanları ayıklamak ve birbirini tekrar eden verileri silmek çok önemlidir. Burada “big data” denilen alanın önemi ortaya çıkıyor. Elde edilen verinin anlık olarak ayıklanması, gereksiz veri üretmemek için de çok önemlidir. Yani olay bu parçacıkları çarpıştırmak ile de bitmiyor, aynı zamanda bu verileri işlemek de ayrı bir sorundur. Dünya çapında bu alanda işbirliği içinde olan kişiler bu konuda kullanılan algoritmaları sürekli geliştirmekle uğraşıyorlar.
Hatırlıyorsanız haberlerde bir patlama olduğunu duymuştuk. Bu patlama, 2008 yılında, hızlandırıcının çalışmaya başladığı ilk yıllarda gerçekleşti. Temel parçacıkları çembersel yörüngede tutabilmek için manyetik alan kullanıldığından söz etmiştik. Bu manyetik alanı sağlamak için, süperiletken mıknatıslara binlerce amperlik elektrik verilir. Elektriğin bir direnç ile karşılaşınca ısı ürettiğini biliyoruz. Dolayısıyla direnç çok küçük bile olsa, akımın büyük olmasından dolayı ortaya bir ısı çıkmaktadır. Bu ısının ortaya çıkmasıyla da süperiletkenlik bozulur. Normalde 3-4 Kelvin seviyesinde olması gereken bu yapı ısınınca, içindeki hidrojen genleşir ve bir patlamaya neden olur. Buradaki patlamayı da bir bomba gibi düşünmemeliyiz. Aslında ısı değişiminden dolayı hidrojenin hızlı genleşme olayı bu. Yani komplo teorisyenlerinin iddia ettiği gibi bu küçük parçacıklar atom bombasına neden olmamıştır.
Son olarak, 2013 yılında vizyona giren, Büyük Hadron Çarpıştırıcısının konu olduğu “Particle Fever” belgeselini izlemenizi öneriyoruz. CERN’ün halka açık verilerine erişebileceğiniz siteye gitmek için buraya tıklamanız yeterli.
astronotlar.org@gmail.com e-posta adresimize konuştuğumuz içeriklere dair düşüncelerinizi belirtebilir, 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
http://thm.ankara.edu.tr/tanitim/
https://home.cern/science/computing/processing-what-record
https://www.taek.gov.tr/tr/sesame/1036-cern-arastirmalar.html
https://tr.wikipedia.org/wiki/Higgs_bozonuhttps://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)
https://www.youtube.com/watch?v=pUg8fVo4NHM (Teke Tek – CERN’de Görevli Türk Bilim İnsanları)
https://www.youtube.com/watch?v=hzDSUaTu7po (Teke Tek – CERN’deki Araştırmalar)
https://books.google.com.tr/books?id=-v84Bp-LNNIC&pg=PA22&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false (The God Particle: If the Universe is the Answer, what is the Question? – Leon M. Lederman, Dick Teresi – Google Kitaplar)
https://www.youtube.com/watch?v=wO-Kk8mWFMw (CERN’de Neler Oluyor? | BU+ Açık Ders)
https://www.youtube.com/watch?v=bbHCzdHWxvQ (CERN’de Neler Dönüyor? – Olmaz Öyle Saçma Bilim)
https://www.youtube.com/watch?v=YXviLqZ3bVU&feature=youtu.be (CERN’deki Son Gelişmeler – Boğaziçi Fizik Dörtlüsü)
https://www.youtube.com/watch?v=_6uKZWnJLCM (Brian Cox: CERN’in süper çarpıştırıcısı üzerine)
https://www.globalconstructionreview.com/trends/china-build-higgs-factory-twice-size-c8e8r8ns/ (Çin, CERN’deki LHC’nin 2 katı büyüklüğünde bir hızlandırıcı yapmayı planlıyor)
https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/13408 (İstanbul Üniversitesi, Fen Fakültesi’nde parçacık hızlandırıcıları, PDF)
http://esrap.physics.metu.edu.tr/parcacik-radyasyonu-testleri-olusturma-laboratuvari (ODTÜ, parçacık hızlandırıcı)
https://en.wikipedia.org/wiki/Bottom_quark
https://tr.wikipedia.org/wiki/CMS_deneyi
https://mimirbook.com/tr/609b2939e04
https://www.youtube.com/watch?v=S99d9BQmGB0