CERN Parçacık Hızlandırıcısı 10 Kat Hızlı Çalışacak

CERN dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcısı ve bilim insanları da 10 kat hızlı çalışması için yeni bir tesis inşa ediyor: Yeni proton çarpıştırma sistemi, CERN bünyesinde yer alan ve ünlü Higgs parçacığını bulan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın (LHC) 10 kat hızlı çalışmasını sağlayacak. Peki bu sistem proton çarpışma sıklığını nasıl 10 katına çıkarıyor? Hemen görelim.

Işık hızının yüzde 99’u

Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN) 1954 yılında Batı ülkelerinin işbirliğiyle kuruldu ve o günden bugüne nükleer fizik araştırmaları yapıyor. CERN protonları ışık hızının 99,9999991’i gibi müthiş bir hıza çıkartıyor ve ardından kafa kafaya çarpıştırarak parçalıyor.

Çarpışmanın şiddetiyle parçalanan protonlar saniyenin milyonda birinde, hatta daha kısa sürede yok olan süper kısa ömürlü yeni parçacıklar ortaya çıkarıyor. Biz de bunları tespit ederek fizik bilimini geliştiriyoruz.

Aslında süper hızlı CERN detektörleri bile bu kısa ömürlü parçacıkları yok olmadan önce göremiyor. Sadece yok olduktan sonra geriye bıraktıkları enerji izlerinin fotoğrafını çekiyor. Böylece nükleer fiziği tanımlayan standart modeldeki eksik bölümleri tamamlamak için yeni parçacıklar keşfediyor.

İlgili yazı: 10 Adımda kara deliğe düşen astronota ne olur?

 

Parçacık bulmak kolay mı?

Çok zor: CERN bugüne dek birçok yeni parçacık buldu. Ancak, bulunan her parçacıktan sonra protonları daha yüksek hızla çarpıştırmak gerekiyor. Yeni parçacıkları ancak bu şekilde keşfedebiliyoruz.

Bilim insanları CERN tesisini 1998-2008 yıllarında bu amaçla yenilediler ve Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nı (LHC) eklediler. LHC sistemi, İsviçre-Fransa sınırında ile Cenevre şehri yakınlarında bulunuyor ve yeraltında inşa edilmiş olan dev bir halka tünelden oluşuyor (çevresi 27 km).

Fizikçiler protonları bu halka üzerinde hızlandırarak ışık hızının 99,9999991’i ile kafa kafaya çarpıştırıyor. Protonları hızlandırmak için de neredeyse mutlak sıfıra kadar soğutulan süperiletken elektromıknatısların ürettiği güçlü manyetik alanları kullanıyor.

Tanrı parçacığı

Nitekim LHC, 2012 yılında maddeye kütlesini kazandıran Higgs parçacığını keşfetti. Basında Tanrı parçacığı olarak adlandırılan Higgs, aslında bilim insanları tarafından lanet olası parçacık olarak adlandırılıyordu; çünkü 50 yıldır aradığımız Higgs’i ancak süper güçlü LHC sayesinde keşfedebilmiştik.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Büyük problem, zeki çözüm

Fizikçiler Higgs’i bulduktan sonra, nükleer fiziği tanımlayan standart model tamamlanmış oldu; yani standart modelde öngörülen bütün parçacıkları bulmuş olduk. Ancak, nükleer fizik teorisinin kanıtlanması başka sorunlar çıkardı.

Sonuçta evreni tanımlamak için gereken bütün parçacıkların standart modelde yer almadığını biliyorduk. Bunun için yeni parçacıklar bulmamız gerekliydi ve fizikçiler de LHC aygıtını bu amaçla kullanmaya karar verdiler.

Ancak, son 6 yılda standart modelin dışında kalan hiçbir parçacık bulamadılar. Örneğin, tüm evreni tek denklemle açıklamaya çalışan süpersicim teorisini kanıtlamak için gereken süper simetrik parçacıkları tespit edemediler.

Bu sadece evreni çözmek için elimizdeki en kapsamlı matematik modeli olan sicim teorisini tehlikeye atmadı. Aynı zamanda, evreni açıklamaya yönelik olan diğer fizik teorilerini de zora soktu; çünkü bunların öngördüğü parçacıkları da bir türlü bulamadık.

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Fizik bitmez

Elbette fizik bilimine sırf yeni parçacıklar bulamıyoruz diye ara veremeyiz; çünkü ne zaman yeni bir buluş yapacağımızı bilemeyiz. Ancak, CERN parçacık hızlandırıcısının donanımını yenileyebiliriz. Bu da bilimsel keşifleri hızlandırır. Fizikçiler de böyle düşündüler ve CERN tesisini yenilemeye karar verdiler:

Aslında ilk akla gelen çözüm, LHC’den daha güçlü bir proton çarpıştırıcısı kullanmak. Ancak, bunun için yeraltında çevresi 100 km uzunluğunda olan yeni bir halka tünel inşa etmemiz gerekiyor. Bu da çok pahalı bir inşaat ve 25 yıldan önce tamamlanması mümkün değil. Dolayısıyla daha pratik bir ara çözüm geliştirmeliyiz:

Nitekim LHC’nin gücünü artıramıyorsak en azından hızını 10 kat artırabiliriz. Tabii ki bu, protonların 10 kat hızlı gitmesi anlamına gelmiyor (çünkü ışık hızı sınırı var). Ancak, CERN hızlandırıcısında kullanılan LHC proton çarpıştırıcısını daha hızlı çalıştırabiliriz. Böylece LHC gözden kaçan parçacıkları bulabilir.

Bilim insanları bunun için Yüksek Işınıklıklı (HL) deney aygıtını geliştirdiler; ama siz günlük dilde buna, aynı anda 7 kat fazla proton çarpıştıran ve toplam enerjisi daha yüksek olan turboşarjlı proton çarpıştırıcısı da diyebilirsiniz.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Peki nasıl çalışıyor?

Öncelikle bugünkü LHC’yi oluşturan 27 km uzunluğundaki halka tünelin 1,2 km’lik kısmı daha güçlü ekipmanlarla yenilenecek. Böylece Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC), saniyede 1 milyar proton yerine 5–7 milyar protonu çarpıştıracak. Bu da veri toplama hızını 10 kat artıracak.

Yeni HL-LHC donanımı 13 ülkeden toplam 19 enstitünün katılımıyla inşa ediliyor ve tamamlandığı zaman CERN’ün en büyük tesisi olan LHC halka tünelini modernize etmiş olacak. Bu çerçevede tünele 130 mıknatıs, 24 adet dört kutuplu süperiletken ve 4 adet de iki kutuplu süperiletken yerleştirilecek.

Yeni tesis 2026’da açılıyor

Bu süreçte tüneldeki eski cihazlar sökülecek. Yerine yeni mıknatıslar, yönlendiriciler ve radyo frekansı oyukları yerleştirilecek (aşağıda anlatacağım). Ayrıca yan tüneller de genişletilecek ve yeni açılan alana ek soğutma üniteleri takılacak. Bu üniteler mıknatısları mutlak sıfıra kadar soğutarak onları süperiletkene dönüştürecek. Neyse ki inşaat süresince LHC çalışmaya devam edecek.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Higgs parçacığı ve devamı

Yeni sistem LHC Atlas detektörünün hassaslığını artırmayacak, ama proton çarpışma sıklığını artırarak detektörün aynı sürede 10 kat fazla veri toplamasını sağlayacak.

Bu da ilk deneylerde gözden kaçan parçacıkların tespit edilmesine ve eksik parçacıkların bulunmasıyla birlikte yeni teorilerin geliştirilmesine izin verecek. Örneğin Higss parçacığının oluşması, bozunumu ve diğer atomaltı parçacıklarla etkileşimi gibi konularda daha detaylı bilgi edineceğiz.

Belki yeni tesisler bile süper sicim teorisini kanıtlamaya yetmeyecek, ama en azından standart modeli daha detaylı çözerek teorideki pürüzleri gidermiş olacağız.

İlgili yazı: Yapay Yaprak Elektrik ve Hidrojen Yakıtı Üretiyor

 

Barış isteyen savaşa hazırlansın

Proton çarpışma sıklığını 7 kata kadar artıran tekniğe, yengeç hilesi veya çapraz ateş yöntemi diyebilirsiniz. Nitekim bilim insanları, proton çarpışma sıklığını artırmak için Birinci Dünya Savaşı’ndaki makineli tüfek tarlalarından ve yan yan giden yengeçlerin yürüyüşünden esinlendiler.

Sonuçta Birinci Dünya Savaşı’na katılan askerler, karşıdan gelen düşmanın makineli tüfek ateşinden sakınabildiğini görmüştü. Ancak, saldıran askerlere iki yandan ateş ederek onları çapraz ateşe aldıkları zaman daha çok askeri vurabildikleri gördüler.

Elbette CERN parçacık hızlandırıcısı tümüyle barışçıl amaçlarla geliştirildi. İşi temel bilim yapmak olan bu tesis, aynı zamanda askeri amaçlarla finanse edilmeyen ilk ve en büyük teşebbüs olarak tarihe geçti. Yine de bilim insanları hem doğadan hem de savaş taktiklerinden esinlendiler (keşke insanlık olgunlaşsa ve savaşlar ortadan kalksa).

Öyle ki yeni ekipmanın eklenmesiyle birlikte artık HL-LHC olarak adlandırılan proton çarpıştırıcısının halka tüneline 16 özel oyuk açıyorlar. Bunlar protonları çarpıştırmak için otoyol kavşağı gibi kıvrılan boruların geçtiği girintiler olacak.

İlgili yazı: Mobil İnternette Video İzleme Rehberi

 

Yengeç hilesi

Bu oyuklardaki boru dirsekleri özel bir iş görüyor: Borulardan geçen proton gruplarını yan çeviriyor. Böylece proton grupları tıpkı yengeç gibi yan yan giderek çarpışıyor (Halka tünel boyunca açılan girintilere yerleştirilecek olan bu metalik boru dirseklerini aşağıdaki videoda görebilirsiniz).

Bu sistem protonların çarpışmadan birbirinin yanından geçme olasılığını azaltıyor. Bu da aynı enerji değeri, aynı hız ve aynı proton sayısında daha çok parçacığın birbiriyle çarpışmasını sağlıyor.

Böylelikle bilim insanları inovasyon yapmak yerine optimizasyon yapmış ve CERN’ün yeni parçacık keşfetme kapasitesini en düşük bütçeyle artırmış olacaklar. Biz de yeni parçacıklar bularak fizik bilimindeki eksikleri gidermiş ve belki de süper sicim teorisini kanıtlamış olacağız.

Yengeç oyukları

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Geleceğe bakış

Ancak önümüzü kesen son bir engel var: Ayrı bir yazıda ele alacağım bilgisayar işlem gücü engeli. Elimizdeki bilgi-işlem teknolojisi, CERN parçacık hızlandırıcısının bugün ürettiği verileri 5 yıldan önce analiz etmeye yeterli değil.

Daha net bir deyişle CERN yeni parçacık bulduğu zaman, bununla ilgili yeni teoriyi geliştirip test etmemiz en az 5 yıl alacak; çünkü teoriyi netleştirmek için gereken verileri bilgisayarda işlemek uzun yıllar alacak.

Oysa şimdi CERN’ün çalışma hızını 7 kata kadar artırmaktan söz ediyoruz! Doğrusu daha hızlı bilgisayarlar kullanmadığımız sürece bu teknolojinin yeni bilimsel keşifler yapma hızımızı artırması pek mümkün gözükmüyor. Bilgisayar hızı artsa da bilim insanlarının sayısı veya düşünme hızı artmıyor ve keşif yapma işi yine bilim insanlarına düşüyor.

İlgili yazı: Karanlık Madde Nedir ve Nerede Gizleniyor?

 

Kısacası eğitim şart

Türkiye ve dünyada temel bilimlere yatırım yaparak daha çok sayıda bilim insanı yetiştirmediğimiz sürece bilimsel keşifler yavaş gerçekleşecek ve teknoloji yavaş gelişecek.

Bu da bizi ister CERN olsun, ister Vodafone Arena; dijital dönüşümün bir eğitim ve zihniyet meselesi olduğu gerçeğine getiriyor. Sorunlarımızı çözmek için yeni makineler satın almak yetmez. Aynı zamanda Endüstri 4.0’ı anlayan yaratıcı kadrolar kurmalıyız.

2016 yılında bu konuyu CERN Bilgi Transferi Grup Lideri Prof. Dr. Giovanni Anelli ve CERN Atlas Deneyi Türkiye Koordinatörü ve Bilgi Üniversitesi öğretim üyesi Prof. Dr. Serkant Ali Çetin hocamızla görüştüm.

Her ikisi de Türkiye’nin CERN’de tam üye olarak yer almasını ve bilim kurulu kararlarında söz sahibi olmasını istiyorlar. Biz de kurulacak yeni hükümetin bilime daha fazla önem vermesini bekliyoruz. Böylece Bilgi Üniversitesi’ndeki Amazing Science ve From Invention to Innovation derslerime katılan öğrencilerim ve bilime meraklı bütün gençler için yeni olanaklar yaratabiliriz. Bu da Türkiye’nin kalkınmasını hızlandırır.

Nitekim CERN boş durmuyor

Örneğin, CERN parçacık hızlandırıcısı, geçen yıl standart modelde öngörülen 5 yeni parçacık keşfetti ve protondan 4 kat ağır bir parçacık buldu. Siz de bütün bunları CERN yazılarında okuyabilir ve dilerseniz sicim teorisinin derinliklerine dalabilirsiniz. Hepinize iyi haftalar ve iyi çalışmalar.

10 kat hızlı CERN

¹Hi-Lumi: HL-LHC Project