Parçacıkları neden ve nasıl çarpıştırıyoruz?

Fizik kelimesi Yunanca doğa anlamına gelen “physis” kelimesinden türetilmiştir. Doğa bilimi olan fizik dönen galaksilerden dönen elektronlara kadar çok geniş bir alanda anlama görüşü sunar. Doğayı görmenin ve anlamanın en zor olduğu yer şüphesiz ki en küçüğün dünyasıdır. Evreni meydana getiren parçacıkları ve özelliklerini bilmek için son yarım yüzyıldır çok büyük bir çaba var. Parçacıkların dünyasını görmek için neler yaptığımızı bu yazımda kısaca anlatmak istiyorum.

DEMOKRİTOS’UN ATOMLARI

Maddenin yapısının ne olduğuna dair sorgulamalar yaklaşık 2500 yıl önce başladı. MÖ 400 civarında Yunan filozof Demokritos, maddenin temel yapı taşı olarak atom fikrini ortaya attı.

Demokritos, atomların küçük, bölünemez, boş uzayla çevrelenmiş ve sürekli olarak rastgele hareket eden katı parçacıklar olduğunu düşünüyordu. Belki inanmayacaksanız ama geçtiğimiz yüzyılın başına kadar fencilerin pek çoğu hala atom fikrini bir saçmalık olarak görüyordu ve hatta dönemin önemli bir bilim insanı olan Ernst March “Ben atomların var olduğuna inanmıyorum.” dediğinde yıl 1987’ydi. Demokritos’un atom hipotezinin kesin kanıtının ortaya konulması ve atomların varlığının kanıtlanması 1905 yılında oldu. İskoç botanikçi Robert Brown durgun suda asılı duran minik polen taneciklerinin karmaşık yollar çizerek hareket ettiğini fark etti ve bu olguya Brown hareketi adı verildi. Brown hareketinden yola çıkan Einstein atom ve moleküllerin boyutlarının nasıl belirlenebileceğini net bir şekilde ortaya koyarak atomların varlığını da kanıtlamış oldu. Sonrasında atomun yapısı ve onu meydana getiren atom-altı parçacıklar keşfedildi. Modern atom teorisine göre atomun merkezinde bir çekirdek ve onun etrafında bulunan elektronlar vardır. Evrende en bol bulunan ve en hafif olan hidrojen atomuna bakarsak çekirdeğinde tek bir proton ve onun etrafında hareket eden tek bir elektron bulunur.

STANDART MODEL

Parçacıkların özelliklerini ve etkileşimlerini tanımlayan kurama Standart Model diyoruz. Standart modele göre hidrojen atomunun çekirdeği olan protonun bir iç yapısı vardır ve daha küçük atom-altı parçacıklardan meydana gelir. Böyle iç yapısı olan parçacıklara hadron denir. Elektron da atomu oluşturan diğer bir parçacıktır ama protonun aksine bilinen bir iç yapısı yoktur. Böyle parçacıklara lepton diyoruz. Proton ve elektron gibi parçacıklar arasındaki etkileşimi aktaran, yani kuvveti ileten parçacıklar ise bozonlardır. Örneğin proton ve elektron arasındaki elektomanyetik kuvveti aktaran şey ışığın enerji paketçikleri olan fotonlardır. Bozonların nasıl kuvveti ilettiğini merak edenler “Doğada beşinci bir kuvvet mi var?” başlıklı yazımı okuyabilirler. Atomu meydana getiren parçacıkların iç yapılarını araştırmak parçacık fizikçilerinin işidir. Bunu yapmak için kullandığımız yöntem oldukça basittir: parçacıkları hızladır, parçacıkları çarpıştır ve çıkan parçacıklara bak.

PARÇACIK HIZLANDIRICI

İlk olarak parçacıkları hızlandırmak ile başlayalım. Bir parçacık hızlandırıcısı yapmak günümüzün en zor işlerinden bir tanesidir. Önce hangi parçacığı alıp nasıl hızlandıracağınıza karar vermeniz gerekiyor. Hızlandırılan parçacıklar kararlı (yani başka parçacıklara bozulmayan), elektrik yüklü ve kolay üretilebilir olmalıdır. Bunun için eldeki en iyi adaylar protonlar ve elektronlardır. Hidrojen gazını ısıtıp protonlar ve elektronlardan oluşan bir plazma elde edebilirsiniz ve bu plazmadan kolaylıkla protonları ve elektronları ayırabilirsiniz. CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda protonlar kafa kafaya çarpıştırılırken, öncesinde başka bir hızlandırıcıda elektronlar ve pozitronlar (elektronun anti-parçacığı) çarpıştırılıyordu. ABD’de bulunan Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki Tevatron isimli hızlandırıcıda ise protonlar ile anti-protonlar çarpıştırıldı. Parçacıkları dairesel bir boruda ya da düz bir boruda hızlandırabilirsiniz. En çok tercih edilen yapı dairesel hızlandırıcılardır. Her dönüşte parçacığın enerjisi biraz daha artar ve dönüş turu arttıkça istenilen enerji seviyesine kadar parçacıklar hızlandırılabilir. Fakat burada başka bir sorun vardır. Dönüş sırasında parçacıkların çizgisel ivmeleri değiştiğinden sinkrotron ışınımı dediğimiz bir olayla enerjilerini kaybederler. Belli bir turdan sonra verilen enerji ile kaybedilen enerji eşit olur ve parçacık daha fazla hızlanamaz. Sinkrotron ışınımından kaybedilen enerjiyi azaltmak için ya hızlandırıcının yarıçapını büyütmek ya da daha yüksek kütleli parçacıklar hızlandırmak gerekir. Büyük Hadron Çarpıştırıcısının uzunluğunun 27 km olmasının nedeni sinkrotron ışınımını azaltmaktır. Ne kadar büyük hızlandırıcı yaparsanız o kadar yüksek enerjilere ulaşırsınız. Bu arada parçacıkları elektrik alan kullanarak hızlandırır, manyetik alan kullanarak da yörüngede tutarsınız. Uygulanan alanların şiddeti oldukça fazladır ve çok özel teknolojiler gerektirir. Üretilen süper iletken mıknatıslar, sıvı helyum soğutma sistemleri, istenilen vakum ortamı mevut teknolojinin sınırlarını sürekli zorlar. Örneğin Büyük Hadron Çarpıştırıcısı öyle bir ortamdır ki güneş sisteminin hem en soğuk hem en boş hem de en sıcak yeridir.

ÇARPIŞTIRMAK

Şimdi gelelim parçacıkları çarpıştırmaya. Parçacıkları ürettiğimiz devasa detektörlerin içinde çarpıştırıp açığa çıkan yeni parçacıkları çok hassas bir şekilde ölçüyoruz. Örneğin ATLAS detektörünün uzunluğu 46 m, yüksekliği ise 25 m’dir. Bu detektörler genelde silindirik ve katmanlı yapıda olurlar. Çarpışma sonrası açığa çıkan parçacıklar her katmanda farklı şekilde etkileşip son olarak elektrik sinyalleri üretirler. Bu elektrik sinyalleri özel algoritmalar tarafından işlenip parçacığın türü, enerjisi, konumu, zamanı gibi gerekli tüm bilgiler elde edilir. Yüksek istatistik gerektiğinden saniyede yaklaşık 600 milyon kez parçacıklar kafa kafaya çarpıştırılır. Dolayısıyla veri okuma sisteminin nanosaniye mertebesinde hızlı olması gerekiyor. Çarpışma sonrası açığa çok fazla parçacık çıkabiliyor. Açığa çıkan parçacıklardan yola çıkarak çarpışma noktasında ne olduğunu anlamak işin en zor taraflarından bir tanesi. Legolardan yapılmış, şeklini bilmediğiniz iki oyuncak çarpışıp dağılmış olsun. İşte yaptığımız iş tek tek lego parçalarına bakıp onları birleştirmek ve oyuncakların ne olduğunu anlamaktır. Özel bir oyuncak şekli arıyorsanız bu trilyonlarca lego parçası içerisinde bu şekli aramak gibidir ve oldukça zordur. Bu nedenle biz parçacık fizikçileri çoğu zaman samanlıkta iğne aramak gibi zor bir işe girişiriz. Higgs bozonun keşfi de aslında 49 yıl süren samanlıkta tek bir iğne arama işiydi ve nihayet 2012 yılında bulundu.

Parçacıkların doğasını anlamak için yaptığımız bu hızlandırma, çarpıştırma ve analiz işleri hayatı kolaylaştıran birçok yan üründe sağlıyor. Örneğin parçacık hızlandırıcıları kullanarak kanseri tedavi edebiliyor, yanmaz plastikler ve daha dayanıklı yüzeyler yapabiliyoruz. Parçacık detektörleri ile tıptan arkeolojiye kadar hassas görüntülemeler elde edebiliyoruz. Çok büyük miktardaki verinin analizi için geliştirilen yöntemler bilişim sektöründe birçok uygulamada kullanılabiliyor. Hatta hayatımızın vaz geçilmezi olan internet bile 1989 yılında CERN’de parçacık fiziği araştırmaları için bulundu.

Dünyanın birçok yerinde atom-altı dünyadan yola çıkarak evreni daha iyi anlamak için uluslararası düzeyde birçok proje yürütülüyor ve yürütülmeye devam edecek. Deneysel parçacık fizikçilerinin önümüzdeki yüz yıl için bile neler yapacakları bile şimdiden belirlenmiş ve planlanmış durumda. Önümüzdeki yıllar yeni keşiflerle kesinlikle çok heyecanlı olacak.