LHC “Yeni Fiziğe” Kucak Açıyor


Raşit Gürdilek

Sorun giderildi, protonların hızlandırıcıya alınması bekleniyor

Üç yıl önce parçacıklara kütlelerini kazandıran Higgs bozonunu bularak tarih yazan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC), iki yıl süren bir tamir ve yenilenme aşamasının ardından ve bilim dünyasına “Yine mi?” dedirten bir küçük bir aksaklığın ardından, fiziği 40 yıllık başarılı kuramı Standart Model’in ötesine taşımak için yeniden devreye giriyor. Bunun için, LHC’nin evreni ortaya çıkaran Büyük Patlama’nın ilk anlarındaki koşulları yeniden oluşturması hedefleniyor. İkinci çalışma dönemi için adım adım devreye sokulan hızlandırıcıda, protonların 25 Mart’ta iki ayrı halkada ters yönlerdeki turlarına başlaması bekleniyordu. Ancak, protonları halkalarda yönlendiren güçlü süperiletken mıknatısların birinde meydana gelen bir elektrik kontağı, işlemi geciktirmişti. CERN yetkilileri nihayet kontağa neden olan metal parçacığının güçlü bir elektrik akımıyla eritilerek yok edildiğini ve LHC’nin yeniden göreve hazır hale geldiğini açıkladılar. Proton demetlerinin ters yönlerde ışık hızı eşiğine kadar hızlandırılması sürecinin ardından detektörler içinde çarpıştırılmasına Mayıs içinde başlanması bekleniyor. Hızlandırıcının 2008 yılında ilk kez devreye girmesi de olaylı olmuş ve elektrik donanımında eriyen bir tel parçası soğutucu kaybına ve süperiletken mıknatısların bozulmasına neden olmuştu. 8 ay süren tamirden sonra LHC ilk çalışma dönemini ihtiyaten yarı güç kapasitesiyle sürdürmüştü. Atomaltı ölçekte etkileşen temel doğa kuvvetleri olan “güçlü çekirdek kuvveti”, “zayıf çekirdek kuvveti” 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.

Yarım Kapasiteyle Geçen Üç Yıl

Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi’ne (CERN) ait hızlandırıcı, İsviçre-Fransa sınırının altında 27 km uzunluğundaki halka biçimli tünel içinde kurulu. LHC, her biri 15 metre uzunluğunda ve 35 ton ağırlığında 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 Kapasiteyle Yeni 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=mcformülü 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 mi, Higgsler mi?

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 Aranıyor

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.

Karanlık Madde Aydınlanacak m? 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.

LHC deneyi

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 “mono-X” olaylar olarak adlandırdıkları bu tür proton-proton 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. 

Fizik Değişecek mi?
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.

Titiz Hazırlık

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 Kapasite Değil?

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. 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 enerjinin 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.    

KAYNAKLAR

  • 1. “Excitement, anxiety greet LHC restart”, Science, 13 Mart 2015
  • 2. “Large Hadron Collider fires up in a bid to shake up the Standard Model”, Physics World, 13 Mart 2015
  • 3. Cern updater: http://home.web.cern.ch/about/engineering/restarting-lhc-why-13-tev
  • 4. “CERN accelerators come alive for LHC restart”, Physics World, 24 Temmuz 2014
  • 5. “Short circuit in Large Hadron Collider is fixed”, ScienceOnline, 31 Mart 2015