Yeni Parçacık Çarpıştırıcısı Fizikte Devrim Yapacak mı?

Parçacık hızlandırıcıları nedir ve nasıl çalışır? Gelecek Parçacık Çarpıştırıcısı fizikte devrim yaparak tüm evreni açıklayan her şeyin teorisini geliştirmemizi sağlayacak mı? Fermilab’in inşa edeceği Dune nötrino deneyi antimadde ve maddenin kökeni açıklayabilir mi?

Peki CERN tesislerindeki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı LHC’den 8 kat güçlü olması planlanan gelecek kuşak çarpıştırıcıyla görelilik teorisiyle kuantum fiziğini birleştirip kuantum kütleçekim kuramını geliştirebilir miyiz? Standart Modeli aşmak için tasarlanan geleceğin hiper güçlü ve süper hassas parçacık hızlandırıcılarını görelim.

Gelecek parçacık çarpıştırıcısı

Temmuz ayında Avrupa’nın en üst düzey fizikçilerinden oluşan uluslararası bir ortaklık Avrupa Birliği fizik çalışmalarının gelecek 50 yılına yön erecek bir rapor hazırladı: Raporda Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi’nde (CERN) bulunan Büyük Hadron Çarpıştırıcısının (LHC) yerini almak üzere ondan 4 kat büyük ve 8 kat güçlü olacak Gelecek Dairesel Çarpıştırıcının (FCC) nasıl inşa edileceği anlatıldı. LHC, İsviçre’nin Cenevre kentinde yeraltında bulunan 27 km’lik bir halka tünelken FCC aynı yerde 100 km çapındaki bir halka olacak. Peki fizikte devrim yapacak mı?

Sonuçta teorik fizikteki yeni kuramlar ve yeni parçacıklar öngörür. Biz de en düşük enerji düzeyinde olup da Standart Modelde öngörülen bütün parçacıkları keşfettik. Geriye standart modelin ötesine geçebilecek kuramlarda öngörülen yeni teorik parçacıklar kaldı. LHC 2008’de açıldığından bu yana yeni olası parçacıkların hiçbirini göremedi. Belki de bunun nedeni algılayıcıların (detektör) yeterince duyarlı ya da yüksek çözünürlüklü olmamasıdır ki birazdan göreceğimiz gibi LHC’nin donanımı şu anda yükseltiliyor.

Ancak, büyük olasılıkla asıl nedeni yeni teorik parçacıkların görmek için LHC’den yüksek enerjilere ulaşan daha güçlü bir çarpıştırıcı kullanmamız gerektiğidir. “Peki çarpıştırıcı nedir hocam” derseniz bu aygıtlar elektron ve proton gibi parçacıkları alır, birbiriyle veya atomlarla çarpıştırarak parçalanmasını sağlar. Proton gibi birleşik parçacıklarsa bileşenlerine bakar ya da bunların çarpışma sırasında açığa çıkan enerjiyle dönüşeceği veya oluşturacağı yeni parçacıklara inceler.

Yeni parçacıkları nasıl keşfediyoruz?

FCC tüm evreni tek denklemle açıklayacak her şeyin teorisini ve kuantum kütleçekim kuramını geliştirmemizi sağlayacak parçacıklar bulacak mı? Bunun için parçacık hızlandırıcılarını yakından tanımamız gerekiyor. Öyleyse yüksek enerji fiziği tarihine göz atalım.

İlgili yazı: Neuralink İnsan Beyni ve Bilgisayarları Birleştirecek

 

Parçacık çarpıştırıcısı tarihi

Fizikçiler parçacıkları hızlandırarak çarpıştırmak için 1920’lerden beri yeni ve daha güçlü makineler geliştiriyor. Dünyanın ilk doğrusal hızlandırıcısı LINAC yüklü parçacıkları düz bir borunun (tünelin) içinde hızlandırmak için salınan elektrik alanları kullanıyordu. Hızlandırıcının üstündeki bir mil tıpkı otomobil aksı gibi dönerek borudaki artı ve eksi yüklü kısımların değişimli olarak sürekli yer değiştirmesini sağlıyordu. Bu şekilde üretilen elektrik alanının oluşturduğu manyetik alanın içinde tünelin ucuna doğru hızlanan parçacıklar da karşı uca çarparak parçalanıyordu.

Bilim insanları yüksek enerjilere ulaşmak sürekli daha hızlı hızlandırıcılar geliştirdi ve doğrusal hızlandırıcılardan kısa bir süre sonra sarmal hızlandırıcıları ürettiler. Bu döndürgeçler (kiklotron) parçacıkların sarmal tünelin ucundaki kalın bir metal levhayla çarpışmasını sağlıyordu. Şiddetle parçalanan parçacıklar bazen önceden bilinmeyen yeni parçacıklara dönüşüyordu. Yine de bu teknolojiyle ulaşabileceğiniz enerji sınırlıdır.

Sabit hedefli hızlandırıcılarda çarpışma enerjisi hızlandırma enerjisinin karesiyle doğru orantılı olarak artar. Daha yüksek enerjilere çıkmanın tek yolu parçacıkları kafa kafaya çarpıştırmaktır. Fizikçi Gerard K. O’Neill bu sorunu çözmek için ilk halka şekilli hızlandırıcıyı 1950’lerde geliştirdi ve zamanla örneğin protonları ışık hızının yüzde 99’u ile, hatta daha hızlı çarpıştırmak mümkün oldu. Sonuçta “kafadan” iki kat yüksek çarpışma enerjisi üretmeyi başardılar. Bu konudaki ikinci atılım ise İtalyanlardan geldi:

İlgili yazı: Stephen Hawking ve Sandalyesi Nasıl Çalışıyor?

 

İtalyan çarpıştırıcısı

İtalyanların geliştirdiği AdA (Birikim Halkası) elektronlarla pozitronları (antimadde) çarpıştıran 4 metrelik bir halkaydı. Sovyetler Birliği de hemen ardından AdA’dan çok daha küçük olup düşük enerjide çalışan ama 1000 kat yüksek ışınıklığa (luminosity) ulaşan VEP-1’i geliştirdi. Çarpıştırıcı dilinde ışınıklık belirli bir zaman aralığı ve yüzey alanında gerçekleşen çarpışma sayısıdır. Örneğin metrekare/saniyede ne kadar çok çarpışma oluyorsa o hızlandırıcının ışınıklığı o kadar yüksektir.

Dahası saniyede ne kadar çok çarpışma oluyorsa yeni parçacık keşfetme olasılığı da o kadar yüksektir. En sık görülen parçacıkları çoktan keşfettiğimiz için geriye çarpışmalarda nadiren oluşan parçacıklar kalmıştır. İşte bu yarışta Amerikalılar Rusların hemen ardından 12 metrelik bir elektron-elektron çarpıştırıcısı geliştirdiler. Bunun ışınıklığı VEP-1 ile aynı sayılırdı ama enerjisi AdA’dan bile yüksekti. Bu da görelilikten sonra fizikte ilk devrimi yaptı:

İnsanlık 60’lı yıllarda Richard Feynman, Julian S. Schwinger ve Tomonaga Şin’içiro tarafından 1940’larda birbirinden bağımsız olarak geliştirilen ve elektron gibi yüklü parçacıkların elektromanyetik alanla etkileşimini tanımlayan Kuantum Elektro Dinamiğini (QED) test edecek düzeye nihayet ulaştı. Çarpıştırıcılar insanlığın kuantum alan teorisini geliştirmesine yardımcı oldu. Bundan sonraki adım ise elektronlardan daha kütleli ve dolayısıyla çarpıştırması daha zor olan protonlara geçmekti.

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

 

Fermilas Tevatron Çarpıştırıcısı

6,3 km’lik çevresiyle LHC’den önce dünyanın en büyük hızlandırıcısı olan Illinois’daki Fermilab Tevatron çarpıştırıcısı 1983-2011 arasında önemli keşiflere imza attı ve 1995 yılında iri cüsseli üst kuarkı keşfederek kuark ailesini tamamlamış oldu. Tevatron, LHC’nin devreye girmesiyle gereksiz kalarak 2011’de kapatıldı. 27 km çapındaki LHC ise 2012’de temel parçacıklara kütlesini veren Higgs bozonunu keşfetti. Higgs Standart Modelde öngörülen son parçacıktı. Böylece teorik fizik 2011’den sonra olası parçacık dönemine girmiş oldu. Artık fizikte ilerlemenin tek yolu yeni parçacıklar keşfetmektir.

Neden derseniz standart model eksiktir: 1) Karanlık madde parçacıklarını içermiyor, 2) Birazdan göreceğimiz gibi sıradüzen (hiyerarşi) problemini çözemiyor ve 3) Antimaddenin neden nadir olduğunu açıklayamıyor. Ayrıca birden fazla Higgs parçacığı türü olup olmadığını da bilmiyoruz. Higgs’in temel parçacıklarla nasıl etkileşime girdiğini ve hayalet parçacık nötrinoların kütlesinin nereden geldiğini de bilmiyoruz. Bu sorunlarını çözmek için süpersimetri (SUSY) teorisini geliştirdik.

SUSY özellikle en zayıf fizik kuvveti olan ve yerçekimine yol açan kütleçekim kuvvetinin elektromanyetik kuvvet, hatta zayıf kuvvetten neden bu kadar zayıf olduğunu açıklamak için geliştirildi (sıradüzen problemi). SUSY’ye göre her parçacığın henüz göremediğimiz büyük kütleli süpersimetrik bir eşi var. Nötrinoya karşılık nötralino gibi. Gerçi CERN süpersimetrik parçacıkları standart modelle en uyumlu oldukları enerjilerde keşfedemedi ama kafadan süpersimetri yoktur diyemeyiz. Neden mi?

Higgs sorun çıkarıyor

Standart modelle sınırlı kalırsak Higgs parçacığının çok daha kütleli olması gerekiyor. Oysa protondan sadece 100 kat kütlelidir. Higgs’in beklenenden hafif olmasını açıklamak için elimizdeki en iyi yol SUSY. Süpersimetrik parçacıklar bilinen parçacıkların kuantum alanlarıyla etkileşimini sıfırlayarak elektron gibi parçacıkların gördüğümüz kadar hafif olmasını sağlıyor. Aksi takdirde çok daha ağır olmaları gerekirdi. Yine de LHC 100 ila 1000 gigaelektronvolt (GeV) aralığında SUSY parçacıkları bulamadı. Dahası LHC bundan birkaç kat yüksek enerjilere ulaşabildiği halde keşif yapamadı. Bu da fiziği kilitledi:

LHC nasıl çalışıyor?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Standart modelin ötesinde

Standart modelin eksik olduğunu biliyoruz ama bir türlü ötesine geçemiyoruz. Bu yüzden fizikçiler 2018’de tatile giren ve 2021’de tekrar çalışmaya başlayacak olan LHC’nin ışınıklığını 5 kat ve algılama hızını 10 kat artıracak iki donanım yükseltmesi üzerinde çalışıyor. Belki de SUSY parçacıkları var ama LHC’nin gözleri bunları saptayacak kadar iyi göremiyor. Öte yandan süpersimetrik parçacıkların LHC’nin göremeyeceği kadar kütleli olması da mümkün.

Bu durumda ve kütle enerji denkliği gereği bunları çok daha güçlü çarpıştırıcılarda çarpıştırmalıyız. CERN’den yaklaşık 8 kat güçlü, yani 100 teraelektronvolt (TeV) gücünde çalışacak olan 100 km çevreli Gelecek Dairesel Çarpıştırıcı (FCC) bunun için geliştiriliyor. LHC 2025 gibi tekrar tatile girecek ve son yükseltmeyi alıp 2027’de yeniden çalışmaya başlayacak. O zaman da mevcut teknolojinin sınırlarına ulaşmış olacak. Süpersimetrik veya diğer yeni parçacıklar 1000 GeV’den daha kütleli ise bunları ancak FCC keşfedebilecek. Tabii SUSY parçacıklarının Planck kütlesine yakın olması da mümkün.

Özellikle de bu parçacıklar yerçekiminin diğer kuvvetlerle birleştiği büyük patlamadaki aşırı yüksek enerjide üretildiyse… Gerçi bu kötü bir haber olur; çünkü 2100’lere kadar Planck enerjisine erişemeyeceğimizi neredeyse kesin olarak söyleyebiliriz. Neyse ki Dünya’da elde edemeyeceğimiz enerji düzeylerini süpernovalar, kuasarlar, nötron yıldızları vb. üretebiliyor. Ancak, yeni parçacık oluşumu nadirken bu tür doğa olayları da sık tekrarlanmıyor. Bu nedenle doğal laboratuarları teknolojinin yerine koyamıyor ve FCC gibi tesisler inşa etmek zorunda kalıyoruz.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Fermilab Dune hızlandırıcısı

Bu bağlamda nötrinolar üzerine uzmanlaşan Fermilab kendi tesisleri ile Stanford Üniversitesi’ni yer altından birbirine bağlayan DUNE hızlandırıcısını geliştiriyor. DUNE üç ana bilimsel hedefin peşinden koşacak: 1) Evrenin antimadde yerine maddeden oluşmasının, antimadde yüzünden yok olmamış olmasının sebebi nötrinolar mı? Nötrinolar kendi kendisinin antimaddesi mi? 2) Görelilik teorisiyle kuantum fiziğini birleştirip her şeyin teorisini geliştirmek. 3) Nötron yıldızı ve süpernovaların yaydığı nötrinoları algılayıp uzaydaki doğal hiper çarpıştırıcılardan yararlanmak.

Gördüğünüz gibi Avrupa yüksek enerjili çarpıştırıcılara ve temel bilimlere odaklanırken ABD mevcut teorilerdeki eksikleri gidermek, bilimsel bilgileri iyileştirmek için daha net ve yüksek çözünürlüklü çarpıştırıcılara odaklanıyor. Bir anlamda güç ve çeviklik konusunda AB ile işbölümü yapıyor. Bu bağlamda Dune’dan sonraki ilk ABD hızlandırıcısı Elektron-İyon Çarpıştırıcısı (EIC) olabilir.

ABD Ulusal Bilimler Akademisi tarafından öncelikli olarak desteklenen EIC elektronları protonlar ve atom çekirdekleriyle çarpıştırarak kuarkların arasındaki etkileşimleri, protonlarla nötronları nasıl oluşturduklarını inceleyecek. EIC onaylanırsa New York, Long Island’daki Brookhaven Ulusal Laboratuarlarında kurulacak. FCC’den çok daha ucuza gelip 1,6 ila 2,6 milyar dolara mal olacak.

Pekala… Buraya dek çarpıştırıcıların fiziği nasıl geliştirdiğini ve neden bir türlü standart modelin ötesine geçemediğimizi gördük. Dilerseniz bir de maliyetlerden söz edelim. FCC inşaat, bakım, onarım ve donanım yükseltme dahil 30 yıllık ömründe onlarca milyar dolara mal olacak. Peki buna gerek var mı? Parayı açları doyurmaya harcasak daha doğru olmaz mı?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Parçacık çarpıştırıcısı gerekli mi?

ABD’nin 2019 askeri bütçesi 680 milyar doları aşarken buna katılmıyorum; çünkü sakla samanı, gelir zamanı. Bilimsel araştırmaların amacı ekonomik fayda sağlamak değildir ama bütün ekonomik yararlar temel bilimlere yatırımdan gelir. Teknoloji sadece temel bilimlerle gelişir ve bu saatten sonra küresel ısınmayla bozulan dünyayı ancak bilim kurtarabilir. En iyi politika da somut verilere dayalı bilimle yapılır. Silahlara ve yağma düzenine odaklanmazsak açları doyurmaya her zaman paramız vardır.

Yine de biz üniter devlet olmamıza rağmen ulusal sözcüğüyle TC ibaresini tabelalardan kaldırmaya çalışırken federal devlet ABD’nin Ulusal Savunma Ajansı ve Ulusal Bilimler Akademisi gibi kurum adlarını korumaya özen gösterdiğine dikkat edelim. Parçacık hızlandırıcılara yatırım yapmanın önemini bir de Fermilab’in ilk direktörü olan Robert Wilson’dan dinleyelim. Wilson 1983 yılında ABD’nin neden Tevatron’u inşa etmesi gerektiğini Senatoya bizzat açıkladı:

Tevatron’un Ruslarla rekabet etmeyi sağlayıp sağlamayacağı sorusuna cevaben “Teknolojinin gelişimine bağlı olarak Tevatron yalnızca uzun vadede rekabet gücümüzü artırır” dedi. “Ancak şöyle sormak lazım. Biz iyi ressamlar, iyi heykeltıraşlar ve harika şairler miyiz? Ülkemize saygı duyuyor ve ülkemizi yüceltmek istiyoruz değil mi? Biz yurtseveriz. Bu anlamda Tevatron da ülkemizi yüceltmekle ilgilidir ama doğrudan savunmaya yönelik değildir. Yine de ABD’yi savunmaya değer bir ülke kılar.”

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Çok mu şoven?

Hiç de değil! Wilson Amerikan senatörlerinden bütçe alarak Tevatron’u kurmak için doğru şeyleri söylemek zorundaydı. Zaten sorular belli bazı cevapları kayırıyordu. Ancak, Türkiye’nin de sadece bilim ve teknolojiyle kalkınabileceğini dikkate alırsak sözlerinde yanılmıyordu. Yurtseverlik derken artık dünya yurttaşlığına geçiyoruz. Corona’ya kanmayın. Dünya önümüzdeki 50 yılda gittikçe daha fazla küreselleşecek ve içine kapanan otokratik ülkeler isterse ABD olsun silinip gidecektir.

Özetle temel bilimleri destekleyen parçacık hızlandırıcılarının kurulmasını istemek global yurtseverliğin ve insanlığı sevmenin ayrılmaz bir parçasıdır. Peki biz ne yaptık? CERN bizi asli üye olarak davet ederken üyelik bedeli 4 milyon dolar diye daveti reddedip yarım üye olduk. 😮 Bu yüzden CERN araştırma programında söz sahibi değiliz. Yalnızca gözlemci olarak fizikte geri kalıyoruz.

Bunu anlamıyorum. Kanalistanbul’a milyarlarca dolar harcayan ve donanmayı Doğu Akdeniz’e yollayan güçlü Türkiye CERN’e asli üye olmak için gereken 4 milyon doları bulabilirdi. Açıkçası bilimden taraf olmayan bertaraf olur. Başta kadınlarımız mutlaka fizik, matematik, felsefe, yazılım, mühendislik ve tıp okuyarak ülkemizi kalkındırmalıdır. Kadınlar okursa kuşaklar yetişir.

Peki kozmik lazerler evreni anlamamızı nasıl kolaylaştırıyor? Onu da şimdi okuyabilir ve saç telinden ince mini parçacık hızlandırıcılarına hemen bakabilirsiniz. Doğaya hükmeden 10 temel fizik etkisini inceleyerek paralel dünya deneyleriyle zamanı tersine çevirmenin mümkün olup olmadığını görebilirsiniz. İnsan onuruna yaraşan özgür bir dünyada yaşamak dileğiyle bilimle kalın.

Gelecek kuşak çarpıştırıcı

¹Tevatron Top-Quark Combinations and World Top-Quark Mass Combination
²The Deep Underground Neutrino Experiment — DUNE: the precision era of neutrino physics
³LHC luminosity and energy upgrades confront natural supersymmetry models
⁴Future Circular Collider Conceptual Design Report Volume 3
⁵Requirements, Status, and Plans for Track Reconstruction at the sPHENIX Experimet (pdf)