Saç Telinden İnce Mini Parçacık Hızlandırıcıları

Bilim insanları kızılötesi lazerle çalışan ve camdan üretilen saç telinden ince parçacık hızlandırıcıları geliştiriyor. Yalnızca 30 mikron boyundaki hızlandırıcılar hastanelerdeki MR ve tomografi cihazlarının tezgah boyuna inmesini sağlayarak sağlık harcamalarını azaltacak. Minyatür hızlandırıcılar parçacık fiziğinde CERN ve Fermilab’in gücüne güç katarak evrenin yapıtaşı olan temel parçacıkların araştırılmasına da hız kazandıracak. Kızılötesi lazerli minyatür hızlandırıcılar nasıl çalışıyor?

CERN ve parçacık hızlandırıcıları

Fizikçiler Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi’nde (CERN) yer alan ve 27 km çapındaki halka şekilli bir yeraltı tünelinden oluşan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) yerine yeni bir hızlandırıcı inşa etmek istiyor. 2038’de devreye girecek 24 milyar dolarlık yeni çarpıştırıcı LHC’den 7 kat güçlü olacak ama bu çok pahalı bir proje: 2008’de kullanıma giren LHC, bugüne dek parçacık fiziğinin temeli olan standart modeldeki bütün parçacıkları buldu ve geriye bulacağımız şüpheli olan teorik parçacıklar kaldı.

Fizikçiler de yanlışlıkla hiç var olmayan parçacıkları aramakla zaman yitirebilecek 100 km çaplı daha büyük bir LHC kurmak yerine, bütçeyi riske atmadan başka araştırmalara kaydırmak istiyor. Peki CERN ve Fermilab gibi büyük hızlandırıcılar emekli mi olacak? Mini parçacık hızlandırıcıları (plazma hızlandırıcıları) deneysel fizik ve sağlık sektöründe nasıl dijital dönüşüm yapacak?

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

 

Hızlandırıcılar nasıl çalışıyor?

Akıllı telefonların tersine parçacık hızlandırıcılar teknoloji ilerledikçe küçülmüyor. Tersine gittikçe büyüyor. İnsanlık her 20 yılda yeni ve daha büyük hızlandırıcılar üretiyor. Bunun nedeni parçacık hızlandırıcılarının dairesel veya düz tünellerden oluşmasıdır. Bu tünellerde proton ve elektron gibi kütleli parçacıkları ışık hızının yüzde 99’una kadar hızlandırıyorlar.

Parçacıkların hızlanması için de uzun bir tünel gerekiyor. Nasıl ki yolcu uçakları kalkış hızına ulaşana kadar uzun bir pisti kat ediyor, parçacıklar da uzun tünellerden geçiyor. Böylece protonları ışık hızının yüzde 99’undan daha yüksek hızlara çıkararak kafa kafaya çarpıştırmak, onları parçalayarak içine bakmak veya çarpışma sonucunda nadir parçacıklar oluşturup gözlemlemek mümkün oluyor.

Ancak, bilim insanları son 7 yılda saç telinden ince yani sadece 30 mikron uzunluğunda kızılötesi lazerli minyatür parçacık hızlandırıcıları geliştirmeye başladılar. Bunlar lazer sistemiyle birlikte küçük bir ayakkabı kutusuna sığıyor.

Baştan söyleyelim: Minyatür hızlandırıcılar asla CERN’deki LHC kadar güçlü olmayacak. Evrenin sırlarını aydınlatmak için insanlık 2100’e dek büyük hızlandırıcılar kullanmaya devam edecek ama bunun da bir dezavantajı var. Büyük hızlandırıcılar pahalı olur ve bunları ancak CERN ile Fermilab gibi en büyük araştırma merkezleri kullanabilir. O zaman da hızlandırıcıların zamanı değerli olur. Higgs bozonunu gözlemlemek için LHC kullanırsınız fakat Higgs parçacığının detaylarını incelemeye bütçeniz kalmaz.

Lazer parçacık hızlandırıcıları

Minyatür hızlandırıcılar işte burada devreye giriyor. Bunlar en yoksul üniversitenin bile parçacık fiziğine çalışmasını sağlayabilir. Yeni alaşımlar, malzemeler, görünmezlik pelerini kumaşı gibi metamateryaller, akışkanlar dinamiği, yeni yakıtlar, roket motorları gibi türlü araştırmayı ve nihayetinde temel bilimlerden özel sektöre teknoloji transferini hızlandırır. Sağlık sektöründeki faydalarına zaten değineceğiz; ama ikinci olarak parçacık fiziğine de dinamizm kadar. Örneğin LHC nadir parçacıkları araştırırken bunların detaylarını minyatür hızlandırıcılar inceleyebilir. Peki nasıl çalışıyorlar?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Lazer parçacık hızlandırıcıları

LHC’nin Cenevre’de yeraltına inşa edilen 27 km çapındaki dev bir halka tünelden oluşmasının tek nedeni protonları hızlandırmak için uzun mesafeler gerekmesi değil. Bunun mühendislik sebepleri de var. LHC’deki parçacıklar tünelden geçen elektromanyetik alanlarla hızlandırılıyor; ama manyetik alan şiddetini artırmanın da bir sınırı var ve sorun daha güçlü süperiletken mıknatıslar kullanmak değil:

Manyetik alan şiddetini çok arttırdığınız zaman metal tüpler ve detektörlerde kıvılcımlar oluşuyor. Bu da hem protonları yavaşlatıyor hem de detektörleri kör ediyor. Kısacası gözlem yapmak imkansız oluyor. Oysa mümkün olan en güçlü mıknatısları da kullanmak şart; çünkü protonlar hızlanma aşamasında enerji kaybediyor ve yeterince hızlı gitmeleri için bunu telafi etmek gerekiyor. Neden mi?

Bütün yüklü parçacıklar yön veya hız değiştirirken sinkrotron radyasyonu yayar. Örneğin elektronlar foton yayarak enerji kaybeder. Hatta protonlardan hafif olduğu için 10¹³ kat hızlı enerji kaybeder. Enerji kaybederken de çevre, insanlar ve makineler için zararlı gama ışınları yayar. Bu nedenle LHC’nin protonları ışık hızının yüzde +99,99’una çıkarması elektronları o kadar hızlandırmaktan daha kolaydır.

Sözün özü evrendeki nadir parçacıkları gözlemlemek için LHC’nin enerjisini artırmanız işe yaramaz; çünkü enerjiyi yukarıdaki sebeplerle yeterince artıramazsınız. Bunun yerine çarpışma sıklığını artırırsınız; yani saniyede daha çok proton çarpıştırırsınız. Bu da çok büyük parçacık hızlandırıcıları kullanmanızı zorunlu kılar. Oysa kızılötesi lazerli minyatür hızlandırıcılar bu sorunu kurnazlıkla aşıyor:

İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?

 

Radyo dalgaları yerine lazerler

Geleneksel hızlandırıcılar parçacıkları radyo dalgalarıyla hızlandırır. Bunların dalga boyu da metrelerce genişlikte olabilir. Bu bir yandan kolaylık sağlar. Evet, dev gibi ve çok pahalı hızlandırıcılar kurarsınız ama minyatür makine parçaları üretmekten kurtulursunuz. Sonuçta 50 cm çapındaki tünel boruları imal etmek saç teli inceliğindeki borular inşa etmekten kolaydır.

Oysa kızılötesi ışınların dalga boyu radyo dalgalarından binlerce kat kısadır. Bu nedenle frekansı ve enerjisi yüksektir. Böylece parçacıkları kısa mesafelerde daha fazla hızlandırır. Minyatür hızlandırıcılar LHC kadar güçlü değildir ama boyuna göre çok güçlüdür! Üstelik 70 yıldır TV kumandalarından aşina olduğumuz kızılötesi ışınlar düşük enerji tüketir. Kızılötesi lazerler de çok verimlidir.

Oysa minyatür hızlandırıcı üretmek de kolay değildir. Sonuçta hızlandırıcı tünelin ışınların dalga boyuna denk olması gerekir. Dalga boyu ile aynı çaptaki tüpler kullandığınızda ışın dalgalarında yapıcı girişim yaparak ışınları güçlendirmiş ve parçacıkları az enerjiyle daha çok hızlandırmış olursunuz. 30 mikron çapında bir tüp inşa ederek içinde parçacık hızlandırmak zordur. Yine de 2013 yılında iki grup bilim insanı bunu başardılar. Nasıl yaptılar derseniz cam kullandılar:

Camın ışığı kırma özelliğinden yararlanmak için içine mikroskobik delikler açtılar. Ardından camı havası alınmış bir kutuya koydular ve kızılötesi ışınlarla elektromanyetik alan parçacıkları hızlandırmaya başladılar. Bu örnekte proton yerine elektronları hızlandırdılar. Mikroskobik tüpteki kısa mesafede elektronları sinkrotron radyasyonuna bağlı enerji kaybına uğramadan hızlandırmak mümkün oldu.

İlgili yazı: Genel Görelilik Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Parçacık hızlandırıcıları için sınırlar

Minyatür hızlandırıcılar asla LHC kadar güçlü değildir ama elektronları az enerjiyle hızlandırmanın yanı sıra, sistemin parlaklığını (ışınıklık denir) her elektron çarpışmasında daha fazla artırabilirsiniz. Bu da her çarpışmada daha yüksek enerjilere ulaşmanızı sağlar. Örneğin kolay iyonize olan metalik lityum gazıyla dolu bir tüpe lazerle ateş ederseniz fotonlar gazı delerken su damlacıkları gibi şekillendirir.

Isınan gaz fotonları saran su damlacığı benzeri plazmaya dönüşür. Fotonun hemen arkasındaki “aerodinamik boşlukta” pozitif elektrik yükü ve su damlacığının kılıfında da negatif yük oluşur. Elektronlar da negatiftir ve elektromanyetik kuvvette eş yükler birbirini çeker. Demek ki tam fotonun arkasındaki pozitif plazmaya elektronlarla ateş ederseniz elektronlar fotona doğru çekilir.

Öyleyse kızılötesi lazerler sadece yüksek frekanslı olduğu için değil, “dümen suyu alanı etkisi” denilen ve mekanik deniz dalgalarına benzeyen kuantum mekaniği süreçleriyle de elektronları az enerji kullanarak hızlandırır. Bunu anlamak için resme bakın ve aynı zamanda havayı yaran bir uçak kanadı kesitini, özellikle de hücum açısını düşünün. Fotonun önü hücum açısına ve arkası da düşük basınçlı havaya karşılık gelecektir. Bu detaya neden girdim derseniz:

LHC’yi oda boyuna indiremezsiniz ama 1 km uzunluğundaki doğrusal bir hızlandırıcıyı oda boyuna indirebilirsiniz ki temel bilimler açısından bu bile büyük başarıdır. 27 km uzunluğundaki LHC 14 bin GeV (gigaelektronvolt) gücündedir ama kızılötesi lazerler sayesinde sizin sadece 1,2 metre uzunluğundaki bir hızlandırıcıda 9 GeV enerjiye ulaşmanız mümkündür! 😮 Kısacası lazerli hızlandırıcılar ya minyatürleşme sağlar ya da büyük hızlandırıcıların enerji verimliliğini artırır.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Nano parçacık hızlandırıcıları

Bütün bu anlattıklarım Uluslararası Çipe Takılmış Hızlandırıcılar programının parçasıdır (ACHIP) ki bu alanda çok hızlı ilerleme kaydediyoruz. Bilim insanları 2020 sonunda metrenin milyarda biri boyunda, yani PC işlemcilerindeki transistor telleri kadar ince hızlandırıcılar geliştireceklerini duyurdular. Peki bu nanoteknoloji alanında ne anlama geliyor?

Öncelikle gelecekte PC işlemcilerinin lazer ışınlarıyla çalışan hiper hızlı fotonik CPU’lara dönüşeceğini gösteriyor. Bunun fiber internet ve bilgisayar hızını artıracağından emin olabilirsiniz. Hem de az elektrik tüketen kızılötesi lazerlerle. Ayrıca minyatür hızlandırıcılar basit birer makine parçasına da dönüşebilir. Böylece MR ve tomografi cihazlarını, hatta kanserli tümörleri öldürmekte kullanılan radyoterapi cihazlarını tezgah üstü boyuta indirebiliriz (enerjiyi artırmadan çözünürlüğü artıran sağlıklı tarayıcılar).

Bu da gelecekte tıbbi tetkiklerin fotokopi çektirmek kadar ucuzlamasını sağlayabilir. Ayrıca atomları tek tek dizen mikro füzyon imalat fırınları üretebiliriz. Bunlarda nükleer füzyon enerjisi kıllanıp endüstri 5.0’a geçebilir ve bugün üretilmesi imkansız olan hiper alaşımlar geliştirebiliriz. Bu teknoloji kilometrelerce uzunluğunda karbon nanotüpler üreterek ISV Venture Star gibi yıldız gemilerini ve uzay asansörlerini inşa etmemize, hatta görünmezlik pelerini üretmemize izin verebilir.

Sonuçta üretim biçimleri değişirse yönetim biçimleri de değişir ama üretim biçimleri sadece yeni teknolojilerle değişir ve sadece temel bilimler yeni teknolojiler geliştirir. İşte parçacık fiziğinde böyle bir dijital dönüşüm gerçekleşirken CERN kurulu da geçenlerde 2038 yılında LHC’yi söküp yerine yeni bir hızlandırıcı kuracaklarını açıkladı. Bu hızlandırıcı proton yerine elektronlarla çalışacak ve maddeye kütlesini kazandıran Higgs alanının tezahürü olan Higgs parçacığını araştıracak ama dahası var:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Yeni parçacık hızlandırıcıları

CERN 2060’larda bu hızlandırıcıyı da söküp yerine 100 teraelektronvolt (TeV) gücünde yeni bir proton çarpıştırıcısı inşa edecek. 100 km çapındaki bir yeraltı halkasından oluşan hızlandırıcı Standart Modelde yer almayan, ama modelin eksiklerini açıklamak için tasarlanan teorik parçacıkları arayacak. Sorun şu ki bu parçacıklar evrende var olmayabilir ve yeni hızlandırıcı ziyan olabilir.

Nitekim bazı fizikçiler 24 milyar dolarlık bütçenin başka araştırmalara ayrılmasını istiyor. Ancak, Liverpool Üniversitesi’nden fizikçi Tara Shears bize bilimin deneysel olduğunu hatırlatıyor: “Bilmediklerimizin yanıtını bulmanın tek yolu deney yapmaktır ve bunun için de daha önce bakmadığımız yerlere bakmamız gerekir.”

Gerçekten de LHC’nin yerini alacak Gelecek Dairesel Çarpıştırıcı FCC, LHC’nin erişemediği enerjilerde çalışacak ve en cesur teorilerde bile öngörülmeyen sürpriz parçacıklar bulmamızı sağlayabilecek. Son 50 yılda teorik fizik deney aygıtları yetersiz olduğu için durakladı. Bu darboğazı aşmak için 24 milyar dolar harcamaya değer. Sonuçta en iyi politikalar bilimsel düşünceyle yapılır.

Peki CERN mini kara delik yaparsa ne olur? Onu da şimdi okuyabilir, 2028’de CERN için 10 kat hızlı çalışacak LHC’ye bakabilir ve ondan 8 kat güçlü Gelecek Dairesel Hızlandırıcıyı da hemen görebilirsiniz. Nasıl ki doğal kozmik lazerler evreni incelememizi sağlıyor yapay parçacık hızlandırıcılar da atomaltı dünyayı aydınlatarak atomları tek tek gören kuantum mikroskop geliştirmemizi sağlıyor. Bilimi sevin. 😊

Parçacık hızlandırıcılarının geleceği

¹Proposed few-optical cycle laser-driven particle accelerator structure
²On-chip integrated laser-driven particle accelerator
³Laser-Based Acceleration of Nonrelativistic Electrons at a Dielectric Structure
⁴Commissioning, clinical implementation, and performance of the Mobetron 2000 for intraoperative radiation therapy
⁵Applications of Particle Accelerators in Europe (pdf)