LHC “Yeni Fiziğe” Kucak Açıyor

LHC “Yeni Fiziğe” Kucak Açıyor
Hedefte süpersimetri parçacıkları, karanlık madde...
Üç yıl önce parçacıklara kütlelerini kazandıran Higgs bozonunu bularak tarih yazan Büyük Hadron
Çarpıştırıcısı (LHC), iki yıl süren bir tamir ve yenilenme aşamasının ardından fiziği 40 yıllık başarılı
kuramı Standart Model’in ötesine taşımak için yeniden devreye giriyor. İkinci çalışma dönemi için
adım adım devreye sokulan hızlandırıcıda, protonların Çarşamba gününden itibaren iki ayrı halkada
ters yönlerdeki turlarına başlaması bekleniyor.
Ayrı halkalardaki protonların detektörler içinde çarpıştırılmasınınsa Mayıs içinde başlatılması
tasarlanıyor.
Atomaltı ölçekte etkileşen temel doğa kuvvetleri olan “güçlü çekirdek kuvveti”, “zayıf çekirdek
kuvvveti” ve “elektromanyetizma”yı açıklayan Standart Model’in tek eksiği olan Higgs parçacığının
keşfi 4 Temmuz 2012'de açıklanmış ve kuramcılarına 2013 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırmıştı.
YARIM KAPASİTEYLE GEÇEN ÜÇ YIL
Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi’ne (CERN) ait hızlandırıcı, İsviçre-Fransa sınırının altında 27 km
uzunluğundaki halka biçimli tünel içinde kurulu. LHC, güçlü süperiletken mıknatıslarla ters yönlerde
ışık hızının hemen yakınına kadar
hızlandırılan proton demetlerini 14
trilyon elektronvolt (14 TeV) enerji
düzeyinde çarpıştırmak üzere
tasarlanmıştı. Protonların kafa kafaya
çarpışmasıyla ortaya çıkan enerjinin
dönüştüğü parçacıklar yelpazesi, dört
dev detektör tarafından inceleniyor.
Ancak LHC, Eylül 2008'de devreye
girdikten dokuz gün sonra meydana
gelen bir kaza nedeniyle devre dışı
kalınca, tamirinden sonra düşük güçle
çalıştırılmaya başlanmıştı. Hızlandırıcı
iki yıl önce iyileştirmeler için
kapatılmadan önce çarpışma enerjisi
önce 7 Tev düzeyinde tutulmuş, son
olarak da 8 Tev’e çıkarılmıştı.
TAM KAPASİTEYLE YENİ UFUKLARA
Yeni aşamadaysa LHC, protonları 13 TeV
düzeyinde çarpıştırarak Standart Model’i
genişletmeye yönelik yeni bazı kuramların öngördüğü parçacıkları araştıracak. Bu enerji düzeyi, Higgs
parçacığının da Standart Model’deki en ağır parçacıklar olan üst ve alt kuarkların da kütlelerinin
onlarca katına karşılık geliyor (Einstein’ın ünlü E=mc2 formülü uyarınca kütle de enerjinin bir türü).
CERN teknisyenleri bu hedefe yönelik olarak ayrıca, ters yönde hızlandırıldıktan sonra birbiri içinden
geçen demetlerde protonların çarpışma sayısını da, şimdiye kadarki saniyede 360 milyon düzeyinden,
saniyede 700 milyona çıkarmayı hedefliyorlar. Çünkü bu çarpışmalardan pek azında, ancak tam olarak
kafa kafaya çarpışan protonların enkazında ilginç parçacıklar ortaya çıkabiliyor.
HIGGS Mİ, HIGGSLER Mİ?
LHC’nin yeni çalışma döneminde üstleneceği görevlerden biri, üç yıl önce keşfi yapılan Higgs
parçacığını enine boyuna irdeleyerek özelliklerini ve parçacıklara kütle kazandırma mekanizmasını
aydınlığa kavuşturmak. Hızlandırıcı fizikçilerini bu konuda umutlandıran, yeni gücüyle LHC’nin, Higgs
parçacıklarının sayısını 10’a katlayacağı beklentisi.
Fizikçiler 4 Temmuz 2012’de keşfi açıklanan 125 GeV (milyar elektronvolt) kütlesindeki Higgs
bozonunu “hafif Higgs” olarak değerlendiriyorlar. Çünkü Standart Model’i genişletmeye yönelik
kuramların bazılarında daha ağır kütlelerde birkaç Higgs parçacığının varlığı da öngörülüyor.
LHC’nin üstleneceği görevlerden biri, varsa bu ağır Higgs’leri de bulup ortaya çıkarmak olacak.
“SÜPER” EŞLER ARANIYOR
Bu kuramlardan süpersimetri adlı olanının öngördüğü parçacıklar, LHC’nin yeni hedefleri arasında
en çok ilgi toplayanları. Süpersimetri, bilinen her temel parçacığın daha ağır (süper) bir eşe sahip
olduğunu varsayıyor. Eğer bilinen parçacık
bir fermiyon, yani madde parçacığıysa,
süper eşinin bozon, yani kuvvet taşıyan bir
parçacık olması gerekiyor. Örneğin
elektromanyetik kuvveti taşıyan bozon
olan ve ışık parçacığı olarak da bilinen
foton kütlesizken, eşparçacığının (fotino)
oldukça ağır (onlarca, hatta yüzlerce milyar
elektronvolt düzeyinde) olduğu
düşünülüyor. Madde parçacıklarının süper
eşleri, genellikle bilinen parçacığın adının başına, süperliği temsil eden "s" harfinin konmasıyla
adlandırılıyorlar (Ör: kuark-skuark; elektron-selektron). Kuvvet taşıyıcı parçacıkların (bozon) eş
parçacıklarıysa, bilinen parçacığın adının sonuna bir “o” harfi eklenerek adlandırılıyorlar (foton-fotino;
W-Wino, Z-Zino, gluon-gluino)
LHC’nin yeni çalışma döneminde süpersimetrik parçacıklar arayacak olan fizikçilerin, öncelikle,
Standart Model’deki en ağır parçacık olan üst (top) kuarkın hipotetik eş parçacığı olan “stop kuark”
üzerinde odaklanmaları bekleniyor. Nedeni, bu parçacığın Higgs kütlesini en çok etkileyen madde
parçacığı olması.
KARANLIK MADDE AYDINLANACAK MI?
Bildiğimiz Standart Model ve bu kuramın dışarıda bıraktığı kütle çekimini açıklayan genel görelilik
fiziğinin ötesinde bir “yeni fizik” paradigmasının varlığını gerekli kılan bir olgu, evrendeki tüm
maddenin yüzde 85 kadarını oluşturduğu belirlenen gizemli bir “karanlık madde”nin varlığı. Varlığını
uyguladığı kütle çekimiyle hissettiren bu gizemli maddenin parçacıkları henüz hızlandırıcı
laboratuvarlarında ortaya çıkarılabilmiş değil. Kuramsal öngörülerde şimdiye kadar öne çıkan
adaylar, zayıf etkileşimli ağır parçacıklar (Weakly Interacting Massive Particles - WIMP) denen ve
protonun ağırlığının (1 milyar elektronvolt – 1 Gev) 10 ile 1000 katı arasında olabileceği düşünülen
parçacıklar. Bir başka adaysa, axion diye adlandırılan ve 1 elektronun kütlesinin (0,5 milyon
elektronvolt – MeV) trilyonlarda biri kütledeki bir parçacık.
Birçok fizikçi, LHC’nin oluşturduğu güçlü çarpışma
enerjisinde bu parçacıkların ortaya çıkabileceğine
inanıyor. Ancak bu parçacıklar LHC’de de doğrudan
gözlenemeyip, varlıkları bıraktıkları izlerden
belirlenebilecek. Hızlandırıcı fizikçilerinin “monoX” olaylar olarak adlandırdıkları bu tür protonproton çarpışmalarında, alışılanın tersine,
parçacıkların ya da “jet” denen enkaz fıskiyelerinin
yalnızca bir yönde ortaya çıkacağı, ters yöne giden
herhangi bir şey görülemeyeceği düşünülüyor.
Bunun da nedeni, çarpışma enerjisinin bir
bölümünün karanlık madde tarafından
götürüleceği hipotezi. Ancak bazı fizikçiler, karanlık
maddenin farklı, daha karmaşık imzalarının da olabileceğini öngörüyorlar.
FİZİK DEĞİŞECEK Mİ?
LHC’nin yeni çalışma döneminde ortaya çıkabilecek bilgiler, kuantum mekaniği ve genel göreliliğe
dayanan fiziği ve zihnimizdeki evren tablosunu değiştirecek mi? Eskilerini kaldırıp atıp, yeni fizik
kitaplarının yazılmasını mı bekleyeceğiz?
Parçacık fizikçileri bu konuda bölünmüş görünüyorlar. Bazıları, üç yıl süren geçtiğimiz dönemde Higgs
bozonundan başka hiçbir şey bulunamamış olmasını, yeni dönem için de olumsuz bir işaret olarak
görüyorlar. Karamsar takıma göre bu yeni dönemde de “yeni fizik” işaretlerinin ortaya çıkmaması,
LHC’ye ve hızlandırıcı fiziğine ilgiyi azaltabilir.
İyimserler kampındaysa, gücü katlanmış olan LHC’nin Standart Model’i ileriye taşıyacağı
beklentisi yüksek. LHC’nin, sürekli iyileştirmelerle ve yeni çalıştırma dönemleriyle 2035 yılına
kadar bilime hizmet vereceğine işaret eden araştırmacılar, heyecanlı yeni keşifler konusundaki
umutlarını koruyorlar.
TİTİZ HAZIRLIK
Yeni dönemde LHC’nin 13 TeV enerji düzeyine çıkabilmesi için 13.000 amper akım gerekiyor. Çünkü,
proton demetlerinin enerji düzeyinin yükseltilmesi, demetlerin sabit yörüngelerde yol alabilmesini
sağlayacak daha güçlü manyetik alanlar istiyor. Bu da, manyetik alanı sağlayan mıknatısların
süperiletken bobinlerinden daha güçlü elektrik akımının geçmesini gerektiriyor. Mıknatısları
çevreleyen bobinlerin 13.000 amper gibi güçlü bir akımı taşıyabilmeleri, ancak süperiletken (elektriği
dirençsiz ileten) tellerden yapılı olmalarını zorunlu kılıyor. Süperiletkenlikse, ancak mutlak sıfır
(- 273,15°C) yakınlarında gerçekleşebilen bir olgu. Dolayısıyla mıknatıs bobinleri, sıvı helyumla -271°
C’ye kadar soğutuluyor.
Bunun için LHC’nin
hızlandırıcı tünelinde
(+ elektrik yüklü) protonları
yöneterek halka içinde
mükemmel daireler
çizmelerini sağlayan 1232
mıknatıs ve 10.170 elektrik
bağlantısı, hızlandırıcının
yeni işletim döneminde
neredeyse ikiye katlanacak
enerji düzeyinin gereklerine
cevap verecek hale gelmeleri
için teker teker elden
geçirildi.
NEDEN TAM KAPASİTE DEĞİL?
LHC, protonları 14 TeV enerji düzeyinde çarpıştırmak için tasarlanmış bir hızlandırıcı. O halde neden
hâlâ tam kapasitesine yükseltilmiyor? Nedeni, mıknatısların “eğitimi” ile ilgili. Mutlak sıfır yakınlarına
kadar soğutulmuş mıknatıslara en ufak düzeyde, ( örneğin 5 cm’den yere düşen 10 kuruşun yere
bırakacağı kadar) bir enerji sızması bobinleri ısıtıp süperiletkenliklerini bozabilir, bu olduğunda
bobindeki elektriğin hemen boşaltılması gerekiyor. Bu duruma sönüm (quench) deniyor. Süperiletken
bir mıknatısın, yerine yerleştirildikten sonra gerekli akım düzeyinde düzenli olarak çalışabilecek
şekilde “eğitilmesi” gerekiyor. Bunun için giderek artan düzeylerde akım veriliyor ve sönüm
olduğunda başa dönülerek işlem tekrarlanıyor. İlk başlarda düşük akım düzeylerinde sönüm
gerçekleşiyorsa da, bileşenleri yerli yerine oturdukça, mıknatıslar tasarlandıkları akım düzeyinde
düzenli çalışmaya başlıyorlar. Ancak, hızlandırıcı uzun süre hizmet dışında tutulup mıknatıslar da
soğutulmadan ortam sıcaklığında kalınca iş yeniden başlıyor. Bunlar yeni dönem için eğitime tekrar
alınınca daha önce ulaştıkları maksimum akım düzeyine ulaşamadan sönüme uğruyorlar. Yani
öğrendiklerini yüzde 100 belleklerinde tutamamış oluyorlar. Dolayısıyla bunları yeni baştan eğitmek
gerekiyor. Mıknatıslar sönüme uğramadan 13 TeV enerji nin gerektirdiği yüksek akım düzeyi için
görece kolay eğitiliyorlar. Ancak 14 TeV düzeyini tekrar tutturabilmek için daha uzun eğitim süresine
gereksinim var. Dolayısıyla CERN yöneticileri, araştırmaların gecikmemesi için enerjiyi 13 TeV
düzeyinde tutmayı kararlaştırmışlar. 14 TeV’e ne zaman çıkılacağı 2. dönem içinde kararlaştırılacak .
Raşit Gürdilek
KAYNAKLAR:
“Excitement, anxiety greet LHC restart”, Science, 13 Mart 2015
“Large Hadron Collider fires up in a bid to shake up the Standard Model”, Physics World, 13 Mart
2015
Cern updater: http://home.web.cern.ch/about/engineering/restarting-lhc-why-13-tev
“CERN accelerators come alive for LHC restart”, Physics World, 24 Temmuz 2014