CERN Proton Çarpıştırıcısı 5 Yeni Parçacık Keşfetti

Dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısı olan ve İsviçre’de bulunan CERN’e ait LHC proton çarpıştırma deneyi 5 yeni parçacık keşfetti. CERN, atomları ve temel parçacıkları açıklayan Standart Modelin ötesine geçen yeni fizik yasaları bulamadı; ama bu parçacıklar sayesinde atomların sırlarını çözeceğiz.

Işık hızının yüzde 99’u

CERN parçacık hızlandırıcısının en büyük ve en güçlü bileşeni olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’na (LHC) ait deney halkası yerin ortalama 100 metre altında bulunuyor. İsviçre’nin Cenevre şehrinde inşa edilen 27 km çapındaki dev halka, ters yönde giden iki proton grubunu ışık hızının %99999999’u ile çarpıştırıyor.

Protonlar Evren’deki en yüksek hız olan ışık hızından sadece saatte 11 km yavaş hızla çarpışırken, 13 teraelektronvolt (13 TeV) gibi muazzam bir enerji açığa çıkıyor. Bu da atom çekirdeklerini oluşturan protonların parçalanarak daha küçük ve enerjik parçacıklar üretmesini sağlıyor.

Fizikçiler bu parçacıklara bakarak kuantum fiziğini test ediyor ve modellerde öngörülen parçacıkları gerçek hayatta arıyor. Beklenen parçacıklar bulunursa teoriler kanıtlanıyor. Bulunmazsa yeni fizik teorileri geliştirmek gerekiyor.

İlgili yazı: Fizikçiler Evren Yok Olmalı Demedi

 

Salı günü

LHC geçen Salı yaptığı açıklamada daha önce bilinmeyen 5 yeni parçacık keşfettiğini duyurdu. Gerçi bunlar temel parçacıklar değil ve bunun yerine çok daha küçük parçacıklardan, yani kuark gruplarından meydana geliyorlar. Bu yüzden de fizikçilerin yeni bir fizik geliştirmesini gerektirmiyorlar.

Ancak, bunlar atom dünyasını açıklayan standart modelde daha önce görmediğimiz türden parçacıklar. Bu sebeple mevcut fizik bilgimizi genişletiyor ve atomları kontrol eden güçlü nükleer kuvvetle ilgili yeni bilgiler sağlıyorlar.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Ara parçacıklar

Fizikte iki tür parçacık bulunuyor: Daha küçük parçalara bölünemeyen temel parçacıklar (örneğin fotonlar) ve daha küçük parçacıklara bölünebilen bileşik parçacıklar (örneğin protonlar). Yeni bulunan 5 parçacık da aslında protonları oluşturan kuark gruplarından meydana geliyor.

Fizikte 6 tür kuark bulunuyor (yukarı, aşağı, tılsım, acayip, üst ve alt kuarklar) ve bunların içinden üçü bir araya gelerek protonları oluşturuyor. Protonlar güçlü nükleer kuvvetle birbirine çok sıkı bağlı olan 1 aşağı ve 2 yukarı kuarktan meydana geliyor.

Kuarkları birbirine bağlayan güçlü nükleer kuvvet gluonlar tarafından taşınıyor. Kuarklar arasında ışık hızıyla gidip gelen; ama durağan kütlesi olmayan gluonlar kuarkları birbirine yapıştırıyor.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Protonun kütlesi nereden geliyor?

Bu sorunun cevabı için görelilik teorisini düşünmemiz yeterli: Einstein’ın görelilik teorisindeki E=mc² denklemi gereği, gluonların enerjisinin kütleye dönüşebilmesi gerekiyor.

Nitekim fizikçiler protonun büyük kütleye sahip bir parçacık olmasını buna bağlıyor ve protonun kütlesinin yüzde 99,8’inin kuarkları birbirine bağlayan gluonların enerjisinden geldiğini düşünüyorlar (ama görelilik teorisi konu hakkında genel bir fikir verse de bunun sebebini tam olarak bilmiyorlar).

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Konuyla ne ilgisi var?

Protonun kütlesinin nereden geldiği sorusu, atom çekirdeklerini oluşturan proton ve nötronları birbirine yapıştıran güçlü nükleer kuvvetle doğrudan alakalı:

Fizikçiler gluonların enerjisinin kütleye nasıl dönüştüğünü öğrenmek için güçlü nükleer kuvvetin şiddetini çok kesin olarak ölçmek istiyorlar.

Bugüne kadar teorik ve deneysel sınırlar bunu yapmamızı engelledi. Ancak, LHC deneyinin keşfettiği ve kuark gruplarından oluşan 5 yeni bileşik parçacık güçlü nükleer kuvvetin şiddetini daha kesin ölçmemizi sağlayacak.

Nedir bu parçacıklar?

Yeni keşfedilen parçacıklarının hepsi Omega-c-sıfır (Ωc0) adındaki tek bir parçacığın farklı enerjik hallerinden oluşuyor. Omega-c-sıfır parçacığı iki acayip ve bir tılsım kuarktan oluşuyor.

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

 

CERN’de parçacıkları nasıl görüyoruz?

Protonlar çarpışınca o kadar hızlı parçalanıyor ki bizler parçalanma anını veya parçalanma nedeniyle saniyenin çok küçük bir kesrinde ortaya çıkıp sonra kaybolan daha küçük parçacıkları göremiyoruz.

Bunun yerine, parçacıkların LHC Atlas detektörlerinde bıraktığı enerji izlerini görüyoruz (tıpkı Güneş’in gözünüzü alması ve gözkapaklarınızı kapatınca görüş alanınızda mor lekeler oluşması gibi). Ardından, CERN bilgisayarları bu izleri analiz ederek çarpışmada yeni parçacık oluşup oluşmadığına bakıyor.

Bu noktada teknik arkadaşlar için 5 yeni parçacığın isimlerini de sıralayalım: Ωc(3000)0, Ωc(3050)0, Ωc(3066)0, Ωc(3090)0 ve Ωc(3119)0. Peki yeni parçacıklar bulduğumuza göre sırada ne var?

İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?

 

Kuantum sayıları

Fizikte yeni parçacık bulmak yetmez. Bu parçacıklara mevcut teorilerde yer vermek için kuantum sayılarını da bilmemiz, yani fiziksel özelliklerini öğrenmemiz gerekiyor. Fizikçiler bakım aşamasından sonra tekrar çalışmaya başlayacak olan LHC’de yeni parçacıkların kuantum sayısını ölçecekler.

Ne önemi var?

Omega-c-sıfır fizikte bilinen tek bileşik ara parçacık değil. Bir de üçlü ve beşli kuark grupları var (tetra ve pentakuarklar). Bunlar maddenin yüksek ısı ve basınç altında nasıl davrandığını açıklamamızı sağlıyor.

Örneğin, insanlığa ucuz ve temiz enerji sağlayacak nükleer füzyon reaktörleri inşa etmek için fizikteki bütün ara parçacıkları bilmeliyiz. Böylece yıldızların nasıl yandığını bilebilir ve nötron yıldızlarıyla beyaz cüceler gibi egzotik gökcisimlerinin içyapısını öğrenebiliriz.

Ancak, bu kadar teorik bilgi yeter. Haydi şimdi dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısı olan CERN ile ilgili 10 ilginç bilgiyi görelim:

İlgili yazı: Evren Bir Simülasyon mu?

 

1. LHC adı nereden geliyor?

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gerçekten de çok büyük bir deney aygıtı. Yerin ortalama 100 metre altında yer alan 27 km genişliğindeki bir halkadan ve yedi detektörden oluşuyor. Bunların en ünlüsü Atlas aygıtı; ama beş yeni parçacığı LHCb detektörü buldu.

2. Neden yeraltında?

LHC 2000 yılında kapatılan eski LEP (Büyük Elektron Pozitron Çarpıştırıcısı) için açılan tünellerin genişletilmesiyle inşa edildi. Yeraltındaki kayalar dünyadaki doğal radyoaktif elementlerin yol açtığı radyasyonu kesiyor ve detektörlerin görüntüsünü bozmasını engelliyor (kısacası gürültüye kalkan oluyor).

3. Ay, gelgitler ve LHC

LHCb detektörü efsanelerde geçen bir kurt adam değil, ama bir şekilde Ay’dan etkileniyor. Ay’ın yol açtığı gelgitler yerkabuğunun 25 cm kadar kabarmasına yol açıyor. Bu da LHC halkasının boyunun 1 mm uzamasına neden oluyor ve fizikçiler, ışık hızının yüzde 99’ndan hızlı giden protonların yol aldığı halkanın esnemesini hesaba katmak zorunda kalıyor. Yoksa deney sonuçları hatalı olur.

İlgili yazı: Titanic Enkazı 20 Yılda Yok Olacak

 

4. En büyük buzdolabı

LHC’nin protonları hızlandırmak için süperiletken elektromıknatıslar kullanması gerekiyor. Bu mıknatıslar da ancak -271,3°C’ye kadar soğutulduğu zaman süperiletken özelliği kazanıyor. Dolayısıyla CERN uzaydan (-270,5°C) çok daha soğuk bir yer ve Dünya’nın en büyük derin dondurucusu.

LHC o kadar soğuk ki tek seferde -271,3°C’ye soğutamıyoruz. Önce mıknatısları 10 bin ton sıvı azotla -193,2°C’ye soğutuyoruz. Sonra 90 ton sıvı helyumla sıcaklığı -271,3°C’ye düşürüyoruz. Böylece termal parazitin LHC detektörlerini bozmasını engelliyor ve son derece hassas ölçümler yapabiliyoruz. Öyle ki ilk çalıştırmada soğutma işlemi birkaç hafta sürüyor!

İlgili yazı: Mobil İnternette Video İzleme Rehberi

 

5. CERN adı nereden geliyor?

Avrupalılar 1952 yılında Avrupa Konseyi Nükleer Araştırma merkezini kurdular. Bunun Fransızca kısaltması CERN oluyor.

Bu arada dünya çapında web’i (www) CERN çalışanları Sir Tim Berners-Lee ve Robert Cailliau’nun icat ettiğini belirtelim. Özetle global web siteleri ağını CERN ve bu siteleri birbirine bağlayan internet şebekesini de Amerika icat etti.

İlgili yazı: Renk Körlüğünü Düzelten Gözlük

 

6. CERN kaça mal oldu?

CERN 30 yıllık bir sürede inşa edildi ve enflasyona oranlarsak 6,4 milyar dolara mal oldu. Karşılaştırma açısından, Amerika’nın Gerald R. Ford sınıfı yeni kuşak uçak gemisinin geliştirme maliyetinin 14 milyar dolar olduğunu söyleyebiliriz.

Ayrıca CERN’ün yenileme ve sürüm yükseltme maliyeti 1,43 milyar avro ediyor. Gerçi İngiltere Brexit ile AB’den çıkmaya karar verdi, ama bugüne dek CERN’e yılda 34 milyon pound ödüyordu. Amerika ise her yıl toplam 531 milyon dolar veriyor (enerji bakanlığı 450 ve Ulusal Bilim Vakfı da yılda 81 milyon dolar bütçe ayırıyor).

İlgili yazı: Yoksa Evren Topaç Gibi Dönüyor mu?

 

7. Elektrik faturası

CERN hızlandırıcısını çalıştırmak için 120 megawatt güç gerekiyor. Bu da İsviçre’deki Cenevre kantonunun güç tüketimine eşit ve bu kadar elektrikle California’da 120 bin konutu aydınlatabilirsiniz. Yıllık elektrik faturası ise 19 milyon avro olarak hesaplanıyor.

8. LHC ne kadar büyük veri üretiyor?

LHC deney aygıtlarında 150 milyon sensör (algıç) var ve bunlar saniyede 40 milyon kez veri yolluyor. Yoksa süper hızlı parçacık çarpışmalarını gözlemleyemezler. Bunun karşılığında CERN saniyede 700 MB ve yılda 15 bin terabayt veri üretiyor (15 petabayt).

Öyle ki CERN’ün yıllık verisini DVD’ye kaydetmek istesek bunun için 100 bin DVD veya 10 bin Blu-Ray disk gerekirdi. Tabii bu kadar büyük veriyi işlemek de problem. Nitekim CERN verilerinin analiz edilmesi 3 yıl alıyor. Küçük bir sır verecek olursak internette yeni duyurulan fizik keşifleri aslında 3-5 yıl önceki verileri kullanıyor!

CERN kaynaklı büyük veri problemi o kadar önemli bir sorun ki fizikçiler sırf LHC verilerini analiz etmek için Dünya çapında 80 bin bilgisayarı bir araya getirerek Dünya Çapında LHC Bilgi İşlem Şebekesi’ni kurdular ve aşağıda belirteceğimiz gibi buna siz de başvurabilirsiniz.

İlgili yazı: Dört Boyutlu Madde Bulundu: Zaman Kristalleri

 

9. LHC kara delik üretip Dünya’yı yok eder mi?

Kurnaz medyamız halkı galeyana getirip web sitelerindeki tıklamaları artırmak için birçok yanlış haber yayınlıyor. Hatta bazı gazeteciler kendini bu haberlere o kadar kaptırdı ki son 3 yıl içinde CERN deneyinin Dünya’yı yok edeceğine dair 4 sözde bilim senaryosu uydurdular.

Şimdi bu senaryoları kısaca görelim ve korkuları giderelim: kara delikler, acayip madde parçacıkları (strangelet), manyetik tekkutuplar ve yeni sahte vakum köpükleri. 😉

İlgili yazı: Karanlık Madde Kara Delik mi?

 

a) Mikro kara delikler

Einstein’ın dediği gibi enerjiyi kütleye çevirmek mümkün ve çok küçük bir noktada büyük kütle toplarsanız; yani çok küçük ve ağır cisimler yaratırsanız aslında kara delik oluşturursunuz. Bu bağlamda CERN protonları ışık hızına yakın hızda çarpıştırıyor.

Peki ya protonlar ürettikleri enerji kütleye dönüşünce mikroskobik kara delikler oluşturursa ne olacak? Bu mikro kara delikler Dünya’nın merkezine çöküp gezegenimizi elma kurdu gibi içten içe yiyerek yok eder mi?

İlgili yazı: Bazı Kara Delikler Evrenden Eski

 

Şansımıza imkansız

CERN’ün üreteceği ağır parçacıklar aslında çok küçük olacaklar. Ancak, kara delik olmaları için ağırlıklarına göre olduğundan çok daha küçük olmaları gerekecek. Bu da mümkün değil; çünkü düz mantık gereği hiçbir parçacık kendinden küçük olamaz.

Zaten bu mümkün olsaydı protonlar ve diğer parçacıkların mikroskobik kara delikler olduğunu söyleyebilirdik. Ancak varsayalım ki mikro kara delik üretmek istediniz; teorik olarak yapabilir misiniz? Teoride mümkün ama pratikte imkansız:

Örneğin, Evren’de mümkün olan en küçük, en ağır ve en enerjik parçacık sadece teorilerde öngörülen, ama bugüne dek görmediğimiz Planck parçacıklarıdır. Bunlar 10^-35 metre çapında ve toz taneciğinden daha hafifler (aslında boyuna göre çok ağırlar)! Peki kara delik olabilirler mi?

Her şeyden önce, CERN hızlandırıcısı Planck parçacıklarını üretecek kadar güçlü değil. Olsaydı bile, üreteceği en küçük kara delikler 10^-42 saniye içinde Hawking radyasyonu ile buharlaşırdı. Sonuçta bir kara delik ne kadar küçükse o kadar hızlı buharlaşıp yok oluyor. Bu da CERN’ün uzun ömürlü ve ölümcül kara delikler oluşturmasını engelliyor.

İlgili yazı: Her Kara Delikte Başka Evren Var

 

Dünya’yı yutamayacak kadar küçük

Bunu anlamak için kendi bebekliğinizi anımsayın: Muhtemelen meme emerken 10 dakikada bir acıkıyor ve annenizi bütün gece uyutmuyordunuz. Sonuçta bebeklerin ağzı küçük ve tek seferde doyacak kadar meme ememiyorlar; çünkü yoruluyorlar!

Mikro kara delikler de o kadar küçük olacak ki bırakın bunları Dünya’nın merkezine koymayı, laboratuarda bir protonun içine koysanız bile protonları oluşturan kuarkları yutamayacaklar. Çok küçük oldukları için en yakın kuark bile yerçekimiyle kendine çekemeyecekleri kadar uzak olacak. 😮

İlgili yazı: Kara Deliklerin Tersi Ak Delikler ve Sırları

 

b) Acayip madde parçacıkları

Strangeletler gerçek dünyada görülmeyen teorik parçacıklar ve diğer parçacıkların tersine, eşit sayıda yukarı, aşağı ve acayip kuarktan oluşmaları gerekiyor (3 acayip kuark parçacığının birleşmesi gibi kombinasyonlardan söz ediyoruz).

CERN mikro kara delik üretecek kadar güçlü değil; ama bazı teorilere göre acayip madde parçacıkları oluşturacak kadar güçlü olabilir. Üstelik acayip madde parçacıkları zombi virüsü gibi davranıyor. Normal maddeye değince onu da acayip madde yapıyorlar.

CERN acayip madde parçacıkları üretseydi bunlar bütün Dünya’yı acayip maddeye dönüştürüp gezegendeki hayatı yok edebilirdi (iç organlarınızı ve iskeletinizi kaybederek bir tür tekbiçimli cansız hamura dönüştüğünüzü düşünün).

İlgili yazı: Işıktan Yaratılan Kara Delik Kugelblitz

 

c) Manyetik tekkutuplar

Evren’de bildiğimiz bütün mıknatıslar iki kutupludur (kuzey ve güney kutupları var). Ancak bazı teorilerde tek kutuplu parçacıklar öngörülüyor. Bunların ya kuzey ya da güney kutbu bulunuyor. Evet, tek kutuplu bir parçacığı hayal etmemiz çok zor ve bu güney kutbu olmayan bir Dünya hayal etmeye benziyor.

Oysa bazı fizikçiler Evren’in doğumu sırasında manyetik tekkutuplar üretildiğini ve Evren’in çok kısa bir süre için ışıktan hızlı genişlemesinin ardından, bu manyetik tek kutupların lastik gibi uzayarak milyarlarca ışık yılı mesafeye genişlediğini söylüyorlar.

Öyleyse bunların bugün Dünya’ya değmesi veya CERN’ün manyetik tekkutuplar üretmesi felaket olur; çünkü bu tür parçacıklar protonları kahvaltıda çerez niyetine yiyor ve yok ediyorlar. Bütün atom çekirdekleri proton içerdiği için manyetik kutupların dünyayı nasıl yok edeceğini tahmin edebilirsiniz.

İlgili yazı: Çoklu Evren: En Yakın Komşu Evren Nerede?

 

d) Sahte vakum

Evren’de uzay boşluğunun bile enerjisi ve ağırlığı var. Boşluğun enerjisi sıfıra eşit değil ve aslında sıfırdan büyük. Bu da uzayda gerçek vakum olmadığını, bunun yerine sahte vakum olduğunu gösteriyor. Kısacası uzaydaki en karanlık bölgeler bile mutlak sıfırdan yaklaşık 3 santigrat sıcak oluyor (Evren’in doğumundan kalan kozmik mikrodalga artalan ışımasının sıcaklığı -270 derece).

Ancak, CERN parçacık hızlandırıcısı Evren’in vakum dengesini bozarsa uzay başka bir enerji düzeyine geçer. O zaman da yaşadığımız Evren büyük patlamayla yok olup yepyeni bir Evren oluşur!

Yine de Evren’in enerjisini değiştirmek için Evren’in sahip olduğu enerjiden daha fazlasını kullanmamız gerektiğini hatırlayalım. Bu da termodinamik yasaları gereği imkansız; çünkü yoktan enerji yaratamaz ve Evren’in toplam enerjisini artıramayız.

Aksi takdirde Evren’in çoktan yok olması gerekirdi. Ne de olsa nötron yıldızları, süpernova ve kara delikler CERN’den çok daha yüksek enerji üretiyorlar. Neden manyetik tekkutup üretmesinler?

10. Nasıl yardım edebilirim?

Laptopunuzu kullanmadan açık bıraktığınız zaman CERN araştırmalarına yardım etmek istiyorsanız LHC@home adresine yazıp PC’ye özel bir program kurarak siz de proton analizi yapmaya başlayabilirsiniz.

İlgili yazı: Stephen Hawking ve Sandalyesi Nasıl Çalışıyor?

 

Toparlayacak olursak

CERN yeni keşfedilen 5 parçacıkla birlikte atom dünyasını ve atom çekirdeklerini bir arada tutan güçlü nükleer kuvveti daha iyi anlamamızı sağlıyor. Ancak bir sorun var: LHC deneyi süpersimetri teorilerini kanıtlayamadı. CERN parçacık hızlandırıcısının teorik fizikteki önemini göstermek için bunu kısaca açıklayalım:

Bilim insanları bütün evreni E=mc² gibi tek bir kısa denklemle açıklamak ve bunun için de her şeyin teorisini geliştirmek istiyor. Elimizdeki en güçlü her şeyin teorisi adayı ise süpersicim teorisi. Ancak, bunun doğru olması için önce süpersimetriyi kanıtlamamız gerekiyor.

İlgili yazı: Her Şeyin Teorisi Peşinde >> Sicim ve halka kuantum kütleçekim teorisi birleşiyor mu?

 

Süpersimetri nedir?

Süpersimetri Evren’deki bütün parçacıkların onlardan daha ağır olan ve daha yüksek enerji düzeylerine sahip olan süpersimetrik gölge parçacıkları olduğunu söylüyor. Kısacası süpersimetri doğruysa Evren’deki temel parçacık sayısı ikiye katlanmalı (parçacıklar ve süpersimetrik eşleri).

Oysa CERN protonları ışık hızına yakın hızda çarpıştırarak 13 TeV gibi müthiş bir enerji üretmesine rağmen, en sorunsuz ve en yalın süpersimetri modellerinde öngörülen göreli hafif süpersimetrik parçacıkları bulamadı.

Sadece maddeye durağan kütlesini kazandıran Higgs bozonunu bularak 40 yıllık standart modeli çok daha kesin olarak kanıtladı.

Buna rağmen standart modelin açıklayamadığı pek çok soru var (Evren’de antimadde neden çok nadir gibi sorular). Fizikçiler bu soruları yanıtlamak için süpersimetri teorisini geliştirdiler; ama bir türlü ispatlayamadılar.

İlgili yazı: Fizikte Kriz: Süpersimetri LHC Testini Geçemedi

 

Süpersimetri krizi

Bu durumda ya süpersimetri yanlış ve bizim 40 yıl önce kaldığımız yerden tekrar başlamamız gerekiyor ya da süpersimetri var; ancak süpersimetrik parçacıklar CERN’de üretilemeyecek kadar küçükler. O zaman da CERN’den çok daha güçlü bir hızlandırıcı inşa etmemiz gerekiyor ve buna en az 30 yıl var.

Temel parçacıkların sırlarını Popular Science Türkiye 2016 Ağustos sayısında, Bilgi Üniversitesi CERN Atlas Deneyi Türkiye Koordinatörü Prof. Dr. Serkant Çetin’le yaptığım söyleşide ele aldım ve konuyla ilgili son gelişmeleri de blogdaki ayrı bir yazıda anlattım. Hemen okumanız dileğiyle hepinize aydınlık haftalar.

CERN hızlandırıcısını gezelim

¹https://arxiv.org/abs/1703.04639