Neden Uzaya Parçacık Hızlandırıcısı Göndermiyoruz?

Evrenin en enerjik parçacık ışınları olan kozmik ışınları incelemek için neden uzayda parçacık hızlandırıcısı inşa etmiyoruz? Örneğin Ay’ı ekvator hizasında birkaç on bin km uzaktan saran bir hızlandırıcı, Dünya’nın en güçlü parçacık hızlandırıcısı olan CERN’deki LHC’den binlerce kat yüksek enerji üretebilir. Biz de kozmik ışınları oluşturan parçacıkların nasıl çarpıştığına bakarak evreni açıklayan yepyeni bir fizik geliştirebiliriz. Öyleyse ne duruyoruz? Neden Dünya yörüngesine ve hatta Güneş’e uzay teleskopu gönderiyoruz da uzaya parçacık hızlandırıcısı göndermiyoruz? Kozmik ışınlarla görelim:

CERN neyimize yetmiyor?

Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi’ndeki (CERN) Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) insanlığın ürettiği en büyük parçacık hızlandırıcıdır. LHC, yeraltındaki dairesel bir tünelde, protonları ışık hızının yüzde 99’undan daha hızlı olarak kafa kafaya çarpıştırıyor. Protonların parçalanması ve onların oluşturan kuarkların açığa çıkması sırasında yeni parçacıklar da oluşuyor. Fizikçiler parçacıkları ve onları açıklayan Standart Modeli böyle araştırıyor.

LHC’de bunun için özel çarpışma noktaları kullanılıyor. Bu noktalardaki ATLAS gibi detektörler proton çarpışması sırasında olan biteni piksel piksel kaydediyor. Tek tek parçacıkların enerjisi, momentumu, manyetik alanı, elektrik yükü ve benzeri özelliklerini kayda alıyor. Aslında hiçbir detektör çarpışma anını görecek kadar hızlı çalışmaz. Bunun yerine, çarpışmada ortaya çıkan parçacıkların geride bıraktığı izlere bakarak çarpışmada neler olup bittiğini ortaya çıkarırız.

Bazen şansımız yaver gider ve E=mc² gereği, kütlenin enerjiden türeyen bir özellik olması sayesinde nadir parçacıkların geçici olarak oluşmasını da kayda alırız. Zaten LHC’nin şimdiki amacı protonların çarpışmasıyla oluşan nadir parçacıkların özelliklerini incelemektir. Yine de LHC’nin gücü ona ayırabildiğimiz enerjiyle (elektrik faturası) ve protonların özellikleriyle sınırlıdır. Elektrik faturası derken bu hızlandırıcı yılda 750 gigavat enerji tüketiyor! Kısacası çok pahalı bir proje. Öyle ki ondan 10 kat güçlü olan FCC’yi inşa etmek için en az 10 milyar doları gözden çıkarmak gerekecek.

Neden uzaya parçacık hızlandırıcısı gönderelim?

Hükümetlerin buna para ayırıp ayırmayacağı sandığınızın aksine politikada değil, fizikte ayrı bir tartışma konusudur (Bkz. Yeni parçacık çarpıştırıcısı fizikte devrim yapacak mı?). Buna karşın evrendeki en enerjik parçacıklar kozmik ışınlar halinde Dünya’ya ulaşır. Bunlar LHC enerjisinin yüzlerce ve hatta binlerce katına sahiptir. Peki öyleyse neden uzaya teleskop gönderir gibi örneğin, Ay yörüngesinde dairesel bir hızlandırıcı inşa etmiyoruz? Bundan kasıt LHC’nin hormonlu bir versiyonunu yapmak değil… Kastımız kozmik ışınları ölçmek. Sonuçta bunlar doğal olarak hızlandırılan parçacıklardır ve atmosfere çarptıklarında LHC’deki protonlar gibi parçalanırlar. Bunu anlamak için önce LHC’nin neden protonları daha hızlı çarpıştıramadığına bakalım. Sonra uzaya çıkmak için yeterince vaktimiz olacak. 😉

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Uzaya parçacık hızlandırıcı göndermek şart mı?

Protonları ışık hızına yaklaştırmakta önünüze çıkan ilk engel elektromıknatısların gücüdür. Sonuçta protonlar elektronlardan 1836 kat kütlelidir. LHC’nin 27 km çapındaki dairesel tünelinde de 23 km’lik süperiletken elektromıknatıs kullanırız. Bunları da -200 dereceden daha fazla soğutarak süperiletkenlik kazandırmamız gerekir. Özetle LHC mıknatısları 8 tesla gücünde manyetik alan üretir. Buradaki asıl zorluk ise 8 teslaya çıkarken bunu kontrol etmektir. Protonların tünel borusunu delmesini istemezsiniz.

İkinci engel protonların kütle/yük oranıdır. Elektrik yüklü bir parçacığın kütlesi ne kadar küçükse onu manyetik alanlarla o kadar yüksek hıza çıkarabilirsiniz. Örneğin CERN’de LHC’den LEP vardı ki bu Büyük Lepton Çarpıştırıcısıydı. LEP, elektronları saniyede 299.792,457992 km hıza çıkarıyordu. LHC ise daha ağır olan protonları ancak (!) 299.792,455 km hıza çıkarabiliyor. Buna rağmen LEP enerjisi çok daha düşüktür; çünkü protonun büyük kütlesi çarpışmada daha fazla enerji açığa çıkarır. Bunun bir sebebi de elektronların kiklotron radyasyonuyla enerji kaybetmesidir ama asıl konudan devam edersek:

Parçacık fiziğinde kontrollü olarak ne kadar yüksek enerjiye çıkarsanız o kadar nadir parçacıklar görürsünüz. (Kontrolsüz enerji ise atık ısı gibidir. LEP’te olduğu gibi bunu yeni parçacıklar araştırmakta kullanamazsınız). Ayrıca hiç bilmediğiniz parçacıklar ve fiziksel etkileşimler görme şansınız artar. Fizikçilerin de CERN’de LEP yerine LHC’yi inşa etmesinin nedeni budur. LHC’yi sınırlayan üçüncü engele gelince… Bu LHC’nin halka tünelinin çevrenidir ki çevre uzunluğu 27 km ile sınırlıdır. Daha büyük tünelde protonları daha yüksek hıza çıkarabilirsiniz.

Eğer yeterli enerjiniz varsa

Dediğim gibi belki gelecekte inşa edeceğimiz 100 TeV’lik, yani LHC’den 10 kat güçlü FCC ile bunu yaparız ama bir grup da diyor ki kozmik ışınları kullanalım. Öyle ya, bunları patlayan yıldız süpernovalar, nötron yıldızı ve kara delik jetleri, dev yıldızların hiper güçlü güneş rüzgarı ve hatta madde–antimadde yok oluşu üretiyor. Kozmik ışınlar LHC’den binlerce kat güçlü olduğuna göre neden uzaya parçacık hızlandırıcısı göndermiyoruz?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Uzaya parçacık ve kozmik ışınlar

Kozmik ışınlarla ilgili ilk ipucu 20. yy’ın başında elektroskopla geldi. Bu da çok basit bir cihazdır. Cam şişe gibi bir yalıtkan alırsınız. Bu örnekte şişenin ağzından ucu dışarıda kalan bir iletken çubuk geçirirsiniz. Şişedeki alt ucunda ise iki metal folyo durur. Buna ek olarak şişenin havasını da alır ve içinde vakum oluşturursunuz. Elektroskop topraklanmışken veya elektrik akımı yokluğunda metal yapraklar yerçekimiyle aşağı sarkar. Oysa elektrik alanı varken statik elektrik yüklü insan saçı gibi dikilir.

Peki bu deneyi yaptığımızda ne gördük? Öncelikle şişenin tıpasından dışarı çıkan iletken tele elektrik verince metalik yapraklar beklediğimiz gibi elektrik yüklenerek yukarı kalkıyordu. Aynı zamanda eş yüklü olduklarından birbirini iterek iyice dikiliyordu. Öyle ki şişenin akımını boşaltana dek folyoların dik kalması gerekiyordu. Buna rağmen ne yaparsak yapalım, şişeyi ne kadar yalıtırsak yalıtalım yapraklar zamanla deşarj olarak sarkıyordu. Bunu bir türlü açıklayamıyorduk.

Belli ki bir tür radyasyon, taşıdığı yüklü parçacıklar yoluyla iletkenle etkileşerek elektroskopu deşarj ediyordu. Avusturyalı fizikçi Victor Hess bunu test etmek için balonla yükselmeye karar verdi. Öyle ya, radyasyon yerden geliyorsa balon yükseldikçe yapraklar sarkmalıydı. Yok uzaydan geliyorsa elektroskopun yükü yükseldikçe artmalıydı. Hess 1911’de 1100 metreye çıktı ama radyasyonda azalma görmedi. Belki de radyasyon kaynağı Güneş’tir diye düşünüp 17 Nisan 1912’de 5300 metreye çıktı. Hatta bunu Güneş tutulması sırasında yaptı:

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

O irtifada nefes almak bile zordu!

Böylece radyasyonun tutulma yüzünden azalmasını bekledi. Oysa yükseldikçe elektroskopun yükü iyice artmaya başladı. O zaman anladı ki evet, radyasyon uzaydan geliyordu ama Güneş’ten değil, evrenin derinliklerinden geliyordu. Böylelikle kozmik ışınları keşfetmiş olduk. Tabii kozmik ışınların saptamakla hangi parçacıklardan yapıldığını ölçmek farklı şeylerdir. Bu nedenle fizikçiler yeni detektörler yaptılar. Bunların içine özel bir krem (duyarkat) sürdüler. Bu da yüklü parçacıklara duyarlı bir kremdi. İçinden geçen parçacıklar kremde izler açacaktı.

Yalnız unutmayın!

Nasıl ki yağmurun altına koymadığınız sürece bir damacana kendiliğinden dolmaz, kozmik ışınları oluşturan parçacıkları da şişenin içine yönlendirmedikçe ölçemezsiniz. Fizikçiler de detektör şişesinin diyelim, çevresine mıknatıslar yerleştirip manyetik alan yarattılar. Bu sayede parçacıkların izlediği yol bükülecek ve bunlar da şişeye girecekti. Parçacıkların bükülmesi elektrik yükü, hızı ve manyetik alan şiddetine bağlı olacaktı. Manyetik alanın şiddetini ve sadece kütlesiz parçacıkların ışık hızında gittiğini bildiğimize göre işimiz kolaydı. Böylelikle kozmik ışınların neden yapıldığını öğrendik:

Kozmik ışınlar yüzde 90 oranında hızlandırması nispeten kolay olan protonlardan oluşuyordu. Bunlar da çıplak hidrojen çekirdekleridir. Şimdi diyeceksiniz ama hocam, elektronları hızlandırmak daha kolaydır. Evet ama elektronlar galaktik manyetik alandan etkilenir. Bu sebeple elektronların Dünya’ya ulaşması zordur. Protonlar ise deyim yerindeyse yükünden ağır olduğu için uzayda fazla sapmadan yol alır. Diğer parçacıklar ise büyük ölçüde alfa parçacıklarıdır. Bunlar da helyum 4 çekirdekleridir fakat sonra antimaddeyi de keşfettik. 1932’de Carl Anderson laboratuardaki deney odasında antielektron, yani pozitronu keşfetti. 1933’te elektronun ağır kuzeni muonu bulduk ve 1936’da ismiyle adlandırdık.

Fizikçiler kozmik ışınların atmosferde parçacık hızlandırıcısı gibi davrandığını o yıllarda anladılar. Kozmik parçacıklar birden uzaydan atmosfere, vakumdan moleküler ortama geçiyordu. Bu sırada atmosferin üst katmanlarındaki atomlara çarpıyordu. Bu çarpışmalarda yavaşlayarak enerji kaybediyordu. Bu sırada mavi–mor Çerenkov radyasyonu yayıyordu. Demek ki atmosferin dışına, Dünya yörüngesine detektör yerleştirsek parçacıkları özgün haliyle görecekti. Sonuçta atmosfere giren parçacıklar dönüşüyor, değişiyor veya parçalanarak yok oluyordu. Peki kozmik ışınlar ne kadar enerjiktir?

LHC nasıl çalışıyor?

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

 

Uzaya parçacık ve helyum çekirdekleri

Öncelikle gerçekçi olalım: Kozmik ışınların enerjisi genellikle 1 gigaelektronvolttur. Öte yandan LHC parçacık başına 7000 gigaelektronvolt ve toplamda 14 bin gigaelektronvolt enerjiye çıkabilir! “O zaman hani kozmik ışınlar daha güçlüydü? Onlarla yeni fizik geliştirecektik” diyeceksiniz…. Oysa tekil parçacıklarda kozmik ışınlar yüksek enerji rekoru kırar. Mesela helyum 4 çekirdeğini düşünün. Bunda proton ve 2 nötron vardır. Basit… Oysa bazı helyum çekirdekli kozmik ışınlarda, çekirdekteki proton veya nötron başına 100 milyar gigaelektronvolt enerjiye çıkabilirsiniz.

Bu da yılda sadece birkaç parçacık denk gelmekle birlikte, LHC’den 14 bin kat yüksek enerjili kozmik ışınlar olduğunu gösterir. Asıl bunların peşine düşmeliyiz ama neden daha enerjik ışınlar yok derseniz tabii ki var! Gidin, Dünya’yı aktif nötron yıldızı yörüngesine sokun da kutuplarından fışkıran gama ışınlarına ve ışık hızına yakın gaz jetlerine maruz kalsın. Bakın bakalım ne oluyor? Dünya’da hayat yok olur. Kozmik ışınlar da zamanla gezegeni oyup parçalar. En iyisi yılda birkaç hiper enerjik kozmik ışına şükredelim. Galaksinin yaşama uygun sakin ve makul bir köşesindeyiz.

O zaman soruyu yanıtlayalım: Neden uzaya parçacık hızlandırıcısı göndermiyoruz? Öncelikle parçacık hızlandırıcısı göndermedik ama parçacık detektörü gönderdik. Uluslararası Uzay İstasyonu’na takılan Alfa Manyetik Tayfölçer (AMS02) aygıtı, kozmik ışın tayfının bugüne kadarki en detaylı haritasını çıkardı. Hızlandırıcıya gelince yazı boyunca ipucu verdim. Dikkatli okurların gözünden kaçmamıştır diye umuyorum. LHC neden protonları kafa kafaya çarpıştırıyor? Neden onları hızla alıp ne bileyim, duvara filan çarpmıyor? Sonuçta kafa kafaya çarpışan protonların tekil enerjisi 7 teraelektronvolttur.

Sadece toplam enerjisi 14 TeV’e çıkar

Peki bu kadar kasmaya ne gerek var? 1 milyar proton alın ve hepsini duvara çarpın… Bakınız, protonlar kafa kafaya çarpışırsa ortaya çıkan toplam enerjinin tamamını yeni parçacık üretmekte kullanabilirsiniz. Bu da 7 değil, 14 TeV eder. Neden derseniz hiç istemeyiz ama kafa kafaya çarpışan iki otomobil düşünün. Her araç 100 km hızla gidiyorsa çarpışma hızı nedir? Ters yönden gittikleri için hızlar eklenmediğinden saatte 100 km’dir ama toplam enerji saatte 200 km ile duvara çarpmak gibidir. LHC işte bundan yararlanır:

İlgili yazı: Yerkabuğu Nasıl Oluştu ve Kıtalar Neden Kayıyor?

 

Kontrolsüz güç, güç değildir

Bu ünlü reklam sloganıyla aynı adı taşıyan ve telefon pilinin şarjını koruma inceliklerini anlatan bir yazım var. 😊 Şaka bir yana uzaya parçacık hızlandırıcısı göndermiyor olmamızın sebebi budur. Kozmik ışınlar Dünya atmosferine çarpınca duvara çarpmış gibi olur. Oysa bizim bu kozmik parçacıkları yakalayıp Ay yörüngesine yerleştireceğimiz dev bir halka hızlandırıcıya koymamız ve sonra da onun içinde kafa kafaya çarpıştırmamız imkansız. Zaten asıl işe yarayacak ultra enerjik kozmik ışınlar çok nadir… Diğerleri de CERN’deki LHC’den düşük enerjili. Bir gün ultra hızlı kozmik parçacıkları kontrol etmenin yolunu bulursak işte o zaman ama sadece o zaman, uzaya parçacık hızlandırıcısı göndermek işe yarar.

Tabii uzay asansörü inşa edip içine dikey boru koyarsanız bunu gerçek bir uzay parçacık hızlandırıcısı olarak kullanabilirsiniz. 😮 Merak etmeyin. Bu bulgur daha çok su kaldırır ve konuya geri geleceğim. Bu arada siz de saç telinden ince mini parçacık hızlandırıcılarına şimdi bakabilirsiniz. LHC yanlışlıkla mini kara delik yaparsa ne olur ve renkli röntgen cihazı nasıl çalışıyor diye sorabilirsiniz. Pozitron emisyon tomografisi (PET) tıbbi cihazları ve terahertz vücut tarayıcılarının nasıl çalıştığını merak edebilirsiniz. Evrende manyetik tek kutuplu parçacıklar olup olmadığı ve kozmik sicimler varsa yıldızların çekirdeğinde yaşam olup olmadığını araştırabilirsiniz. Dünya’nın kenid doğal hızlandırıcısı Van Allen Kuşakları da sizi bekliyor. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Titan atmosferi nereden geliyor?

¹String Black Holes as Particle Accelerators to Arbitrarily High Energy
²Turn-Key Constrained Parameter Space Exploration for Particle Accelerators Using Bayesian Active Learning
³A very high energy hadron collider on the Moon
⁴OPAL a Versatile Tool for Charged Particle Accelerator Simulations