CERN: Evrenin Sırlarını Arayan Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi

CERN, Fransızca adı olan Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire'in kısaltması olup, Türkçesi Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi’dir. CERN’deki araştırmacılar, dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcılarını kullanıyorlar ve dünyanın en büyük bilim deneyleri ile evrenin sırlarını ortaya çıkarmaya çalışıyorlar. 2012 yılında, CERN'de, Higgs Bozonu parçacığının keşfi ile evrene dair soruların küçük ama önemli bir kısmına cevap verilmiş olsa da, keşfedecek daha çok şey var. CERN'ün genel direktörü Fabiola Gianotti şöyle diyor:

Evrenin %95'i hala bilinmiyor. Hepimiz tutkuyla, bilmek için çalışıyoruz.

CERN'deki ATLAS deneyine de katkısı olan Doç. Dr. Erkcan Özcan şunları söylüyor:

Bir parçacık fizikçisi gözüyle evrenin kısa tarihini ele alacak olursam: Her şey, Büyük Patlama (The Big Bang) ile başlıyor ve 13.7 milyar yıl sonra bugüne geliyoruz. Fakat bu kısacık özetiyle ifade ettiğimiz evrenin oluşumunu kavrayabilmek için en büyükten yani yıldızlardan, galaksilerden; en küçüğe yani parçacıklara, atoma, protonlara doğru bir yolculuk yapmak zorundayız.

Bu yazımızda CERN’ün kuruluşundan itibaren nelere tanıklık ettiğini, hangi keşiflerin ve gelişmelerin yaşandığını incelemeye çalışacağız.

CERN'ün Misyonu

CERN'ün belirlediği misyon ilkeleri şunlardır:

• İnsan bilgisini kullanarak, araştırma yapılmasını sağlayan eşsiz bir partikül hızlandırıcı tesisler yelpazesi sunmak.
• Temel fizik alanında birinci sınıf araştırma yapabilmek.
• Dünyanın her yerinden insanları, herkesin yararına olacak şekilde bilim ve teknolojinin sınırlarını zorlamak için birleştirmek.

CERN’ün İlk Yılları

CERN'ün Doğuşu

İkinci Dünya Savaşı'nın sonunda, bilimsel ilerlemenin yavaşlaması ile birlikte bir avuç bilim insanı Avrupa’da bir atom fiziği laboratuvarı oluşturmaya karar verdi. Fransa'da Raoul Dautry, Pierre Auger ve Lew Kowarski, İtalya'dan Edoardo Amaldi ve Danimarka'dan Niels Bohr öncülerdi. Fransız fizikçi Louis de Broglie, 9 Aralık 1949'da Lozan'da açılan Avrupa Kültür Konferansı'nda bir Avrupa laboratuvarı oluşturulması için ilk resmi teklifi sundu.

Haziran 1950'de Nobel ödüllü Isidor Rabi, UNESCO'ya "uluslararası bilimsel işbirliğini artırmak için bölgesel araştırma laboratuvarlarının oluşturulmasına yardımcı olmak ve onları cesaretlendirmek için" yetki veren bir karar verdi. Aralık 1951'de Paris'teki UNESCO hükümetlerarası toplantısında, CERN'ün kurulmasına ilişkin ilk karar kabul edildi. İki ay sonra, 11 ülke geçici konseyi kurmak üzere bir anlaşma imzaladı ve CERN doğdu.

CERN

İsviçre’nin Fransız kantonunda yer alan Cenevre, 1952'de CERN Laboratuvarı'nın yeri olarak seçildi Cenevre'nin Avrupa'daki merkezi konumu, savaş sırasında İsviçre'nin tarafsızlığı ile bir avantaj sağladı. Cenevre'de laboratuvarın kurulması için hazırlıklar yapılırken, Kopenhag'da teorik çalışmalar yapılacaktı.

CERN'de Yapılan İlk Çalışmalar

CERN’in ilk hızlandırıcısı 1957'de inşa edilen Senkrosiklotron'dur (SC) ve CERN’in parçacık ve nükleer fizikteki ilk deneyleri için ışınlar sağlamıştır. 1964 yılında, yerini Proton Senkrotron'a (PS) bıraktı. SC oldukça uzun ömürlü bir makine oldu, 1990 yılında 33 yıllık hizmetinin ardından kapatıldı.

Proton Synchrotron (PS), protonları ilk kez 24 Kasım 1959'da hızlandırdı ve kısa bir süre için dünyanın en yüksek enerji parçacık hızlandırıcısı oldu. CERN 1970'lerde yeni hızlandırıcılar inşa ettiğinde, PS’nin temel rolü yeni makinelere parçacıklar sağlamak oldu. Tarihi boyunca PS, birçok farklı parçacığı hızlandırdı, onları daha güçlü hızlandırıcılara veya doğrudan deneylere besledi.

Antinükleusların İlk Gözlemleri

1965 yılına kadar atomları oluşturan üç parçacığın (elektronlar, protonlar ve nötronlar) her birinin bir anti parçacığa sahip olduğu biliniyordu. Fizikçiler atom altı anti parçacıkların bir araya geldiklerinde nasıl davrandıklarını bilmek istiyorlardı. Tıpkı protonların ve nötronların bir atomun çekirdeğini oluşturmak için birbirine yapışması gibi bir antiproton ve bir antinötron bir antinükleus oluşturmak için birbirine yapışırlar mıydı?

Antinükleus sorununun cevabı, bir antiproton ve bir antinötrondan yapılan bir antimadde çekirdeği olan bir antidetöronun gözlemlenmesi ile 1965'te bulundu (bir detöron, döteryum atomunun çekirdeği olup, bir proton ve bir nötrondan oluşur). CERN makalesi, Antidetöron Üretiminin Deneysel Gözlemi 1 Eylül 1965'te İtalyan parçacık fiziği dergisi Il nuovo cimento'da yayınlandı.

İlk Proton Çarpışmaları

CERN'deki hızlandırıcı uzmanları, iki yoğun proton ışınının oluşturulabileceği ve daha sonra çarpışabileceği birbirine bağlı iki halkayı beslemek için Proton Synchrotron'u (PS) kullanma fikrini tasarladılar. 27 Ocak 1971'de çarpışan protonlardan gelen ilk etkileşimler kaydedildi. Önündeki 13 yıl boyunca bu makine, parçacık fiziğinin küçük dünyasına eşsiz bir bakış sağladı. Ayrıca CERN'ün daha sonra çarpışan ışın projeleri ve sonuç olarak Büyük Hadron Çarpıştırıcısı için değerli bilgi ve uzmanlık kazanmasına izin verdi.

Süper Proton Senkrotron Tüneli

31 Temmuz 1974'te SPS tünelini kazı yapan Robbins tünel delme makinesi, başlangıç noktasına döndü. Yüzeyin ortalama 40 metre derinliğinde 7 kilometrelik bir tüneli kazmıştı. Tüneli donatmak için binden fazla mıknatısa ihtiyaç oldu. İnşaat mühendisliği ve montaj işleri sadece dört yıl sonra rekor sürede tamamlandı. İlk proton ışını, hızlandırıcının tam 7 kilometresini 3 Mayıs 1976'da dolaştı. Dünyanın ilk proton-antiproton çarpışmaları ise 4 Nisan 1981'de gerçekleştirildi. 1983 yılında CERN, W ve Z parçacıklarının keşfini açıkladı.

CERN

1986'da CERN, kuark gluon-plazmanın sadece bir teoriden daha fazlası olma olasılığını araştırmak için Super Proton Senkrotron'da (SPS) ağır iyonları (birçok nötron ve proton içeren çekirdekler) hızlandırmaya başladı.

LEP Tüneli

Avrupa'nın en büyük inşaat mühendisliği projesi olan LEP tüneli (İng. Large Electron–Positron Collider, Büyük Elektron - Pozitron Çarpıştırıcısı) kazısı 8 Şubat 1988'de tamamlandı. 27 kilometrelik halkanın iki ucu sadece bir santimetre hata ile bir araya gelmişti.

11 yıllık araştırma boyunca, LEP ve deneyleri, katı deneysel temellere dayanan elektrokeaktin etkileşimi hakkında ayrıntılı bir çalışma sağlamıştır. LEP'de yapılan ölçümler aynı zamanda sadece üç nesil madde parçacıklarının olduğunu kanıtladı.

21. Yüzyılda CERN

Dünyanın En Büyük Süper İletken Mıknatısı

O zamana kadar yapılmış en büyük süper iletken mıknatıs olan ATLAS Barrel Toroid, 20 Kasım 2006'da CERN'de açıldı. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda (LHC) veri alan başlıca parçacık dedektörlerinden biri olan ATLAS, güçlü bir manyetik alan sağlar. Mıknatıs, her biri milimetre hassasiyetine hizalanmış, 5m genişliğinde, 25 metre uzunluğunda ve 100 ton ağırlığında yuvarlak köşeli bir dikdörtgen şeklinde sekiz süper iletken bobinden oluşur.

CERN

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC)

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) dünyanın en büyük ve en güçlü parçacık hızlandırıcısıdır ve CERN’in hızlandırıcı kompleksinin en son üyesi olmaya devam ediyor. LHC, yol boyunca parçacıkların enerjisini artırmak için bir dizi hızlandırıcı yapıya sahip 27 kilometrelik bir süper iletken mıknatıs halkasından oluşur. 10 Eylül 2008 günü sabahı ilk kez, bir proton demeti 27 kilometrelik Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) etrafında başarıyla yol aldı.

CERN

ATLAS ve CMS, Higgs Bozonuyla Tutarlı Bir Parçacık Gözlemledi!

4 Temmuz 2012'de, yılın büyük parçacık fiziği konferansında, ATLAS ve CMS (İng. The Compact Muon Solenoid, Kompakt Muon Solenoidi) deneyleri uzun zamandır aranan Higgs parçacığının araştırılmasındaki en son sonuçlar sunuldu. Her iki deney de kütle bölgesinde 125-126 GeV civarında yeni bir parçacık gözlemledi.

Bir sonraki adım, parçacığın kesin doğasını ve evreni anlamamız için çok önemli. Standart Model, bizim ve evrendeki görünür şeylerin temel parçacıkları ve aralarında hareket eden kuvvetleri açıklar. Ancak görebildiğimiz, toplamın yaklaşık % 5'ünden daha fazla değildir. Higgs parçacığı, karanlık kalan evrenin % 95'ini anlamak için bir köprü olabilir.

Aşağıdaki videoda CERN araştırmacılarından biri, Higgs Bozonu'nun yani 'Tanrı Parçacığı'nın keşfini duyuruyor.

Aşağıdaki videoda Evrim Ağacı'ndan Soner Albayrak; Higgs parçacığı nedir, standart model nedir? Higgs parçacığının standart modeldeki etkileşimlerle ne ilgisi vardır? Higgs parçacığı standart modelin geçerliliğini etkiler mi? sorularına cevap veriyor.

Pentakuarkların Keşfi

14 Temmuz 2015'de, CERN'in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki LHCb deneyinde, pentakuarklar olarak bilinen bir parçacık keşfedildiği duyuruldu. LHCb sözcüsü Guy Wilkinson şöyle demiş:

Pentakuark sadece yeni bir parçacık değil. Bu, kuarkları, yani sıradan protonların ve nötronların temel bileşenlerini, 50 yılı aşkın deneysel araştırmalarda daha önce hiç gözlemlenmemiş bir şekilde bir araya getirmenin bir yolunu temsil ediyor. Özelliklerini incelemek, hepimizin yapıldığı protonların ve nötronların sıradan maddenin nasıl oluştuğunu daha iyi anlamamızı sağlayabilir.

CERN

Pentakuarkları araştıran önceki deneyler sonuçsuz kalmıştı. LHCb deneyinin farklı olduğu nokta, pentakuarkları birçok açıdan arayabilmiş olması ve hepsinin aynı sonuca işaret etmesidir. Önceki aramalar sanki karanlıkta silüetler arıyordu, oysa LHCb aramayı ışıklar açık ve her açıdan gerçekleştirdi. Analizin bir sonraki adımı, kuarkların pentakuarklar içinde nasıl birbirine bağlandığını incelemek olacak.

CERN Hakkındaki İlginç Gerçekler

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) Uzaydan Daha Soğuk

Sıcaklığı 1.9 °K (-271.3 °C), yani neredeyse mutlak sıfır. Kriyojenik bir soğutma sistemi ile soğutulan sistemde, toprağın 100 metre altındaki bir döngüde birbirine doğru proton ışınları gönderen süperiletken elektromıknatıslar bu soğukluğu koruyor.

World Economic Forum

27 km'lik bir halka etrafında saniyede 11.000 kez, 200.000 milyar protonluk patlamalar gerçekleşirken, orayı serin tutmak için yardıma ihtiyacınız olacaktır. Proton demetleri, Higgs Bozonu da dahil olmak üzere sayısız alt atomik parçacıklar üretecekleri kadar kuvvetle çarpışırlar.

Higgs Bozonu'nun Adı En Başta, ''Tanrı Parçacığı'' (God Particle) Değil; Lanet Olası Parçacıktı (Goddamn Particle)

Higgs bozonunun 4 Temmuz 2012'de keşfedilmesinden önce fizikçilerin elektronlar ve kuarklar gibi temel parçacıkların kütlelerini nasıl sahip olduklarını açıklayan bir teorileri vardı ancak hiçbir kanıt yoktu. Nobel Ödülü sahibi bir fizikçi olan Leon Lederman'ın 1993 tarihli kitabının adının The Goddamn Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question? (Lanet Olası Parçacık / Eğer Evren Yanıtsa Soru Ne?) olmasını istiyordu ama ''Goddamn'' kelimesini rahatsız bulan yayıncılar, ''God'' olarak değişitirdiler ve kitabın adı The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question? (Tanrı Parçacığı / Eğer Evren Yanıtsa Soru Ne?) oldu.

WWW (World Wide Web) CERN'de Doğdu!

Tim Berners-Lee, dünya çapında bilim insanlarının veri paylaşmasına izin veren bir araç olması için, 1989'da CERN'de WWW'i icat etti.

CERN ve diğer benzer tesislerde parçacık fiziği için geliştirilen karmaşık araçlar, kanser teşhisi için kullanılan en yaygın araç olan PET taramaları da dahil olmak üzere çok sayıda başka kullanım alanı ortaya çıkarmıştır.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda (LHC) Gerçekleşen İlginç Olaylar

CERN'de hızlanan tüm protonlar standart hidrojenden elde edilir. LHC'deki proton ışınları çok yoğun olmasına rağmen, her gün sadece 2 nanogram hidrojen hızlanır. Bu nedenle, LHC'nin 1 gram hidrojeni hızlandırması yaklaşık 1 milyon yıl alacaktır.

LHC'nin merkezi kısmı çok soğuk olmasına rağmen, LHC inanılmaz sıcaklıklara, Güneş'in merkezindeki sıcaklığın 100.000 katından fazlasına ulaşabilir. Bu, her gün gerçekleşen bir olay olan saniyede 40 milyon kez iki ağır iyon ışını hızlandırarak ve çarpışarak elde edilir.

LHC'deki protonlar ışık hızının 0.999999991 katı oranında seyahat ederler. Her bir protonun, 27 km'lik halkanın saniyede 11.000'den fazla kez dönmesine neden olur. Bir ışın 10 saatten fazla dolaşabilir ve 10 milyar kilometreden daha fazla seyahat ederek Neptün gezegenine gidip tekrar geri dönebilir.

Higgs Bozonu İle İlgili Yapılan En son Açıklamalar

ATLAS ve CMS araştırmacıları CERN’ün Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda Higgs bozonunu saptamaya yönelik en son sonuçlarını sundular. Bu sonuçalar, Higgs bozonunun doğanın temel kuvvetlerinden birinin taşıyıcısı olan bir Z bozonuna ve ikinci bir parçacığa nadir dönüşümlerini içeriyor. Sonuçlar ayrıca, potansiyel karanlık madde parçacıklarına ışık tutabilecek Higgs dönüşümlerinin “görünmez” parçacıklara işaretlerini aramayı da içeriyor. Analizler, 2015-2018 arasında kaydedilen yaklaşık 140 inverse femtobarn (partikül çarpışma olaylarının bir ölçümüdür; hem çarpışma sayısının hem de toplanan verilerin miktarının bir ölçüsüdür) veri veya yaklaşık 10 milyon milyar proton-proton çarpışması içeriyor.

ATLAS ve CMS dedektörleri hiçbir zaman doğrudan bir Higgs bozonu göremez; geçici bir parçacık, proton-proton çarpışmalarında üretildikten hemen sonra daha daha hafif parçacıklara dönüşür (veya “bozunur”) ve daha hafif parçacıklar dedektörlerde önemli izler bırakır. Bununla birlikte, benzer izler diğer Standart Model süreçleri tarafından da üretilebilir. Bu nedenle bilim insanları önce bu izlerle eşleşen parçaları tanımlamalı ve daha sonra çarpışmaların gerçekten Higgs bozonu ürettiğini doğrulamak için yeterli istatistiksel kanıtlar oluşturmalıdır.

LHCP'de (Large Hadron Collider Physics) ATLAS, Higgs bozonunun Z bozonuna ve fotona (γ) dönüştüğü en son sonuçlarını sundu. Bu şekilde üretilen Z, kendisi kararsız olarak, dedektörde iki lepton ve bir foton izi bırakarak, elektron veya müon çift lepton çiftine dönüşür. Analiz edilen veri hacmi ile bir Higgs bozonunun Zγ'ye dönüşümünün gözlemlenme olasılığının düşük olduğu göz önüne alındığında, ATLAS, LHC'de (İng. Large Hadron Collider, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) üretilen Higgs bozonlarının %0,55'inden fazlasının Zγ'ye dönüşme olasılığının olmadığını ortaya koydu. ATLAS işbirliğinin sözcüsü Karl Jakobs şöyle diyor:

Bu analizle, bu ize ilişkin deneysel duyarlılığımızın artık Standart Model'in tahminine yaklaştığını gösterebiliriz.

“Karanlık sektör”, evrendeki sıradan maddenin kütlesinin beş katından fazlasını oluşturan gizemli unsur olan karanlık maddeyi oluşturabilecek varsayımsal parçacıklar içerir. Bilim insanları, Higgs bozonunun karanlık madde parçacıklarının doğası hakkında ipuçlara sahşp olduğuna inanıyor, çünkü Standart Model'in bazı uzantıları bir Higgs bozonunun karanlık madde parçacıklarına dönüşebileceğini öne sürüyor. Bu parçacıklar ATLAS ve CMS dedektörleri ile etkileşime girmezler, yani onlar için “görünmez” kalırlar. Bu, doğrudan tespitten kaçmalarını ve çarpışma olayında “eksik enerji” olarak tezahür etmelerini sağlayacaktır.

Higgs bozonu, bilim insanlarının parçacık fiziğinin Standart Modeli'ni test etmesine ve arayışına yardımcı olmak için çok değerli olduğunu kanıtlamaya devam ediyor. Bunlar, LHCP'de sunulan Higgs bozonu ile ilgili birçok sonuçtan sadece birkaçıdır.