Parçacık Hızlandırıcısı Nedir? Tüplü Televizyonlardan CERN'e, Parçacık Fırlatma Teknolojileri...

Günümüzden sadece 10-15 yıl öncesine kadar hayatımızda olan tüplü televizyonlara neden "tüplü" dediğimizi hiç düşündünüz mü? Çünkü "tüplü" televizyonların tamamı, içerisinde "Katot Işın Tüpü (CRT)" denen bir mekanizma bulundurur. Bu mekanizmanın görevi, televizyon içerisinde serbest kalan elektronları, o elektronların çarpması halinde ışık saçacak ve dolayısıyla görüntü oluşturacak bir ekrana fırlatmaktır.

Katot ışın tüpleri içerisinde anot ve katot uçlar bulunur. Bu uçlar, tıpkı bir pilin artı ve eksi ucu gibidir. Katot uçta bir tel, anot uçta ise bir fosfor tabakası bulunur. Anot ve katot uçlar arasında oluşan gerilim farkı sebebiyle telde bulunan elektronlar fosfor tabakasının bulunduğu anot uca fırlatılır. Fırlatma sonucu oluşan çarpışmanın ardından elektronlar parlayarak ekranı adeta "pikseller gibi" aydınlatır (ancak günümüzdeki televizyonların aksine, eski televizyonlarda bağımsız olarak aydınlanan pikseller yoktur). Bu aydınlanma sonucunda, ekranda görüntü elde edilir. Eğer bu parlamayı yeterince hızlı bir şekilde ekran boyunca dağıtabilirseniz, hareketli görüntüler elde etmeniz de mümkün olur. İşte bu mekanizma ile beraber, "parçacık hızlandırma" kavramı, 19. yüzyıl sonlarında hayatımıza girdi. Ancak bu teknoloji, sadece televizyonda görüntü oluşturmaktan ibaret kalmayacaktı...

Tüplü televizyonların çalışmasının arkasındaki mekanizma, Higgs bozonunun keşif noktası ve karanlık madde üzerine olan çalışmaların kalbi olan, evrenimizi anlamamızda bize büyük faydası olan bu "parçacık hızlandırıcısı" kavramı tam olarak nedir? Gelin beraber inceleyelim.

Parçacık Hızlandırıcısı Nedir?

20. yüzyıl başlarında parçacık hızlandırıcılar, atom çekirdeğinin doğasını ve yapısını anlamak amacıyla kullanılmaya başlandı. Ancak parçacık hızlandırıcıların kullanım alanı atom çekirdeği veya görüntü elde etme sistemleri ile sınırlı kalmadı. Üretildikleri tarihten itibaren parçacık fiziğinin pek çok alanındaki çalışmalar hızlandırıcılar sayesinde yapıldı.

Hızlandırıcılar, parçacıkları (örneğin elektron veya proton) çok yüksek hıza sahip olana dek hızlandıran cihazlardır. Bu hızlandırma sonucunda parçacıklar çok yüksek enerji değerlerine ulaşabilir. Yüksek enerjiye sahip olacak biçimde hızlandırılmış bu parçacıklar, gerektiğinde diğer hızlandırılmış parçacıklar ile veya doğrudan hedef bir nokta ile çarpıştırılabilir. Bu çarpışma deneyleri sayesinde, parçacıkların doğasına yönelik çok çeşitli bilgilere erişmemiz mümkün olmaktadır. Bunun en meşhur örneği, CERN'de yapılan parçacık hızlandırıcı deneyleri sonucunda, maddeye kütlesinin bir kısmını kazandıran Higgs bozonunun keşfidir.

Wikipedia

Parçacık Hızlandırıcısı Nasıl Çalışır?

Parçacıkların hızlandırılması için gereken iki temel bileşen vardır: elektrik alan ve manyetik alan (ki bu ikilinin, aynı paranın iki yüzü gibi olduğunu hatırlayınız).

İlk aşamada, parçacığın bulunduğu bölgedeki elektrik alan pozitiften negatife geçirilir (tıpkı bir lambanın sürekli kapatılıp açılması gibi). Bu işlem belirli bir frekansta sürekli olarak yapılarak bir elektrik alan değişimi elde edilir. Elektrik alanın değişmesi sonucunda radyo dalgaları yayılmaya başlar. Yayılım yapan radyo dalgaları, parçacıkları hızlandırır.

Elektrik alan sayesinde hızlandırılan bu parçacıklar, manyetik alan yardımıyla yönlendirilir. Manyetik alan; parçacıkların izledikleri yolu ilerlemeleri gereken yöne doğru odaklar.

Her ne kadar teoride parçacıkların enerjisi tekrar tekrar yükseltilebilse de, enerji arttıkça yönlendirme için gerekecek manyetik alan da bir o kadar güçlü olmalıdır. Bu durumda, daha yüksek enerjilere çıkmak istendikçe parçacık hızlandırıcıların boyutu da büyümelidir. İşte bu noktada akıllara CERN ve Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gelebilir.

CERN'de bulunan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC), dünyadaki en büyük ve en güçlü parçacık hızlandırıcısıdır. 27 kilometrelik uzunluğuyla LHC, parçacıkları 6.5 TeV (tetra-electronvolt, 1TeV = 10¹² V = 1.6*10^-12 J) enerjiye kadar çıkarabilir. Yani iki parçacığın çarpışması ile 13 TeV enerji elde edilebilir. Ne yazık ki bu enerjiler bile Evren'in doğasına yönelik erişmek istediğimiz tüm bilgileri verememektedir.

Hızlandırıcı Türleri

CERN'de bulunan LHC dışında farklı ülke ve farklı çeşitlerde parçacık hızlandırıcılar bulunmaktadır; yani CERN (veya daha spesifik olarak LHC), Dünya üzerinde bulunan tek parçacık hızlandırıcı değildir. Günümüzde aktif kullanımda olan yaklaşık 30.000 civarında parçacık hızlandırıcısı bulunmaktadır. Ancak bunların pek azı LHC ile kıyaslanabilir boyutlardadır.

En temel anlamda 2 çeşit parçacık hızlandırıcı var diyebiliriz; çizgisel hızlandırıcılar ve dairesel hızlandırıcılar.

Çizgisel hızlandırıcılar, adından da anlaşılabileceği üzere, düz bir çizgi üzerinde konumlandırılır. Bu hızlandırıcı çeşidi, CERN LHC aksine, iki parçacığın çarpıştırılmasından ziyade hızlandırmayı ve yüksek enerji elde etmeyi hedefler. Fakat parçacıklar sadece tek bir yönde, tek bir sefer gidebileceği için ne kadar enerji elde edilmesi istenirse o kadar büyük yapıların inşa edilmesi gerekir.

Dairesel hızlandırıcılar ise daha yüksek enerjilere izin veren yapılardır. Çizgisel hızlandırıcıların aksine, dairesel hızlandırıcılarda yön veya tur kısıtlaması olmadığı için teorik olarak enerji devamlı artırılabilir. Ancak bu noktada, bir önceki bölümde bahsettiğimiz manyetik alan sorunu ortaya çıkıyor. Ne kadar yüksek enerji; o kadar yüksek manyetik alan gereksinimi; o kadar büyük mıknatıslar ve yapılar demek.

Her ne kadar çarpışmalar için dairesel hızlandırıcılar kullanılsa da bilim insanları, çizgisel çarpıştırıcıların yapılabilmesi için çalışmalara devam ediyor. Linear Collider Collaboration (Çizgisel Çarpıştırıcı İş Birliği) çatısı altında, Kompakt Çizgisel Çarpıştırıcı (CLIC) ve Uluslararası Çizgisel Çarpıştırıcı (ILC) projeleri devam ediyor. Bu projeler ile beraber ilk aşamada 500 GeV (giga-elektronvolt), daha sonra yapılacak geliştirmeler ile beraber 1000 GeV (=1 TeV) enerji elde edilmesi hedefleniyor.

Parçacık Hızlandırıcılar Neden Bu Kadar Önemli?

Parçacık hızlandırıcılar; doğa bilimleri, sağlık ve teknoloji gibi alanlar için her zaman önemli olacaktır. Hızlandırıcılar; evrenimizin başlangıcını, ağır çekirdek oluşumunu anlamada bilim insanlarının en önemli aracıdır. Ayrıca hızlandırıcılar; günümüzde kanserle mücadelede, güvenlik amaçlı tarama ve görüntüleme sistemlerinde (Heathrow Havalimanı sınır kontrolü) aktif olarak kullanılmaktadır.

Hızlandırıcıların hayatımıza doğrudan etkilerinin yanında dolaylı etkileri de ilerleyen dönemlerde artmaya devam edecektir. Tıpkı, ilk başta sadece CERN deneyleri için geliştirilen, bugün kısaca "internet" olarak bildiğimiz "World Wide Web" sayesinde bu yazıyı okumanız gibi...