hızlandırıcılar

HHAAZZIIRRLLAAYYAANN :: VVuurraall AALLTTIINN -- BBTTDD YYaayy››nn KKuurruulluu ÜÜyyeessii

EEKK‹‹MM 22000044 SSAAYYIISSIINNIINN ÜÜCCRREETTSS‹‹ZZ EEKK‹‹DD‹‹RR

h›zland›r›c›larh›zland›r›c›lar

H›zland›r›c›lar, çekirde¤in iç yap›s›na do¤ru yöneltilmifl dev mikroskoplar gibidir. Nas›l ki optik mik-roskoplar, küçük cisimler üzerine çok say›da foton f›rlat›p, saç›lanlar›n› yakalamak suretiyle cismingörüntüsünü sergilemeye çal›fl›rsa, h›zland›r›c›lar da; çekirde¤in üzerine parçac›klar gönderip, çar-p›flma sonras›ndaki sapma ya da saç›lma biçimlerini belirleyerek, hedefin iç yap›s› hakk›nda ipuçlar›verir. Ayn› amaçla bazen, çekirdekler birbirleriyle çarp›flt›r›l›r. ‹lk kez Rutherford’un geçen yüzy›l›nbafllar›nda, radyoaktif radyum çekirdekleri taraf›ndan ‘do¤al olarak’ h›zland›r›lm›fl bulunan alfa par-çac›klar›n› alt›n çekirdeklerine do¤ru yönlendirmesinde olmufl oldu¤u gibi. Bazen de; elektron, po-zitron ya da proton gibi; yüklü olmalar› sayesinde, görece kolay h›zland›r›labilen parçac›klar kullan›-l›r. Parçac›klar adeta, birer yoklama ucu (‘probe’) gibidirler. ‹ç yap›s›n› merak etti¤imiz bir nesne-nin oras›n› buras›n› yoklamak için kulland›¤›m›z birer i¤ne benzeri. ‹¤ne hedef içerisinde ne kadar

2 Ekim 2004B‹L‹M veTEKN‹K

parçac›k H›zland›r›c›lar›

3Ekim 2004 B‹L‹M veTEKN‹K

derinlere nüfuz edebilirse, o kadar çok bilgi verir. Dolay›s›yla bu parçac›klar›n, h›zl› olmas› gerekir.Hele çekirde¤in, ‘güçlü kuvvet kal›nt›lar›’n›n bir arada tuttu¤u sa¤lam yap›s› göz önünde bulunduru-lursa; ›fl›k h›z›na yak›n h›zlarda...Tabii, yaln›zca çekirde¤in de¤il, yoklama ucu olarak kullan›lan, örne¤in protonlar›n da bir iç yap›s›var. Güçlü kuvvetin kal›nt›lar›yla de¤il, ta kendisiyle bir arada duran bu çok daha sa¤lam yap›lar›nkurcalanmas› çok daha zor. Bir uçla bir yap›y› yoklars›n›z da, ucun kendisiyle ne yapars›n›z?... Geri-ye tek çare kal›r: Protonlar› birbirleriyle ya da karfl›tlar›yla çarp›flt›rmak. T›pk›, bilmedi¤imiz iç yap›-s›n› merak etti¤imiz ve fakat içini aç›p bakmay› beceremedi¤imiz bir elektronik ayg›t›, adeta öfkeyleduvara f›rlat›p, yere düflen parçalar›na bakarak, nelerden olufltu¤unu anlamaya çal›flmam›z›n çaresiz-li¤inde oldu¤u gibi. Göründü¤ü kadar fena bir yöntem de¤ildir asl›nda.

zland›r›c›lar›

Yüklü parçac›klar›n h›zland›r›lmas›,elektrik alanlar›yla ve ilk bak›flta kolaygörünen bir yöntemle yap›l›r. Ancakh›zland›rma iflleminin önünde, göreli-lik kuram›n›n koydu¤u ciddi bir engelvard›r. Parçac›klar h›zland›kça kütlele-ri artar ve daha fazla h›zland›r›lmalar›,giderek zorlafl›r. O kadar ki; dura¤anhalden kald›r›l›p ›fl›k h›z›n›n %99’unaulaflt›r›lm›fl bir parçac›¤›n h›z›n›%99.9’a ulaflt›rmak için, ilk aflamadaki-nin 3 mislinden fazla enerji harcamakgerekir. Bu nedenle; protonlar› tek bir›fl›n halinde h›zland›r›p sabit bir hedef-le çarp›flt›rmak yerine, ayr› tüplerde vez›t yönlerde iki ›fl›n halinde h›zland›r›pkafa kafaya çarp›flt›rmak, enerji sarf›aç›s›ndan daha ekonomiktir.

H›zland›rma ifllemi, do¤rusal ya dadairesel bir yörünge üzerinde yap›labi-lir. Her iki yaklafl›m›n da, birbirlerinegöre, art›lar› ve eksileri var. Do¤rusalh›zland›r›c›lara k›saca ‘linac’ (‘linearaccelerator’) deniyor. Dairesel h›zland›-r›c›lar›nsa birkaç çeflidi var. Kulland›¤›manyetik ve elektrik alanlar sabit olan-lara ‘siklotron,’ de¤iflken olanlara ‘sen-krotron,’ biri sabit di¤eri de¤iflkenolanlaraysa ‘siklosenkrotron’ deniyor.Do¤rusal h›zland›r›c›larda, parçac›klar›daha fazla h›zland›rmak, h›zland›r›c›-n›n boyunu uzatmakla mümkün. Bu,inflaat maliyetlerini art›ran bir unsur.Buna karfl›l›k, dairesel h›zland›r›c›lar-da, ayr›ca bir merkezkaç kuvveti alt›n-da ivmelenen parçac›klar›n ›fl›d›¤› ‘sen-krotron ›fl›mas›’ büyük enerji kay›plar›-

na yol açabiliyor.Halen çal›fl›r durumda olan en güç-

lü do¤rusal h›zland›r›c›, ABD’nin Stan-ford Üniversitesi’ndeki SLAC (‘Stan-ford Linear Accelerator’). Uzunlu¤u3,2km’yi bulan bu h›zland›r›c›, elek-tronlar› 25GeV (GigaelektronVolt-mil-yar elektronVolt) enerji eflde¤erine ka-dar h›zland›rabiliyor. Dolay›s›yla, elek-tron-pozitron çarp›flma deneylerinde,kütle merkezi enerjileri 50GeV’a ulafla-biliyor. Elektronlar, bir lazer ›fl›n› yar›-iletken üzerine düflürülerek, pozitron-larsa, elektron demetlerini tungsten birhedefle çarpt›rarak üretiliyor. Yüklüparçac›klar, bak›r bir ›fl›n tüpü içerisin-de seyahat ederken, h›zland›rma iflle-mi, yol boyunca sabit aral›klarla yerlefl-tirilmifl bulunan ‘kalistron’lar›n üretti-

¤i mikrodalgalar arac›l›¤›yla yap›l›yor.Kalistronlar, mutfaklar›m›zdaki mikro-dalga f›r›nlar gibi, ancak onlar›n 1 mil-yon mislinden fazla güce sahip. Üret-tikleri dalgalar, ‘dalga rehberleri’ arac›-l›¤›yla, ›fl›nlama tüpü üzerindeki ‘rezo-nans odalar›’na yönlendiriliyor ve par-çac›klar bu odalardan geçerken, içerdesal›n›p duran elektromanyetik dalga-n›n elektrik bilefleni üzerinde, adetasurf yaparak h›zlan›yorlar. Ayn› demetiçerisindeki parçac›klar›n birbirindenuzaklafl›p çepere çarpmamalar› için, tü-pün merkezine yak›n konumlarda tu-tulmalar› laz›m. Bu amaca yönelik gü-dümleme, yol boyunca yine periyodikolarak yerlefltirilmifl bulunan dört ku-tuplu (‘quadrupole’) m›knat›slar›n mer-cekleme etkisiyle sa¤lan›yor. Ayr›ca,


H›zland›r›c›lar

parçac›klar›n h›zlanma s›ras›nda havamolekülleri ya da yabanc› parçac›klarlaçarp›flarak enerji kaybetmemeleri için,›fl›n tüpünün vakumlanm›fl olmas› ge-rekiyor. Bunu; hat üzerindeki dönerpompalarla, s›v› hidrojen ya da helyumdeste¤iyle çal›flan ve civardaki havamoleküllerini s›v›laflt›rarak üzerlerineyap›flmas›n› sa¤layan ‘so¤uk tuzak’larbaflar›yor. Tabii bir de, gerek m›knat›s-lar›n, gerekse yüklü parçac›klar›n hare-ketinin üretti¤i manyetik alanlar›n tüp-te yol açt›¤› ›s›nmalar var. Buna karfl›,tüp ve m›knat›slar, d›fl yüzeylerindengeçen borular›n içinden geçirilen suylaso¤utuluyor. SLAC’›n en büyük dedek-törü, çarp›flma sonucunda ortaya ç›kande¤iflik türden parçac›klar› belirlemeyetene¤ine sahip çeflitli katmanlardanoluflan SLD (‘Stanford Large Detec-tor’). Yaklafl›k 6 katl› bir bina yüksekli-¤inde ve 4000 ton a¤›rl›¤›nda...

SLAC’›n ‘linac’›na Avrupa’da rakipbir do¤rusal h›zland›r›c› projesi var. Al-manya’n›n, maliyetinin yar›s›n› üstlene-rek bafl›n› çekti¤i TESLA (TeV-EnergySuperconducting Linear Accelerator -Trilyon ElektronVolt Enerjili Süperilet-ken Do¤rusal H›zland›r›c›) projesi, ma-liyetinin di¤er yar›s›n› paylaflmak iste-yen kat›l›mc› ülkelere aç›k. Projenin,2004 y›l› sonuna kadar kesinleflmesibekleniyor. 15’er km’lik iki h›zland›r-ma kesimi içeren, 33km uzunlu¤a sa-hip. Yerin 10-30 m alt›nda infla edile-cek olan tünelinin çap› 5m kadar. Sü-periletken m›knat›slar kullanacak ve‘Yüksek Enerji Do¤rusal Elektron Po-zitron H›zland›r›c›s›’nda, kütle merkezienerjileri 90 ila 800GeV aras›nda ola-cak.

fiimdiye kadar yap›m›na bafllanm›flolan en büyük dairesel h›zland›r›c›,ABD’nin 1989 y›l›nda onaylanan,14km yar›çap› ve 87 km çeperiyle, ›fl›nbafl›na 20TeV’luk enerji düzeyini ba-flarmas› planlanan SSC (‘Superconduc-ting Super Collider’) h›zland›r›c›s› idi.8,25 milyar dolarl›k tahmini maliyeti-nin yüksek oldu¤u gerekçesiyle, tüneli-nin 22,5km’si infla edildikten sonra1993 y›l›nda, projenin tamamlanmas›n-dan vazgeçildi.

Ulafl›lan enerji düzeyi aç›s›ndan engüçlü dairesel h›zland›r›c›, ABD’ninFermi Ulusal H›zland›r›c› Laboratuva-r›’ndaki Tevatron. 6,3 km’yi bulan ça-p›yla, parçac›klar› 1 TeV enerji düzeyi-ne kadar tafl›y›p, ›fl›k h›z›n›n 320km/sa yak›n›na kadar h›zland›rabili-yor. Dolay›s›yla proton ve karfl›tproton-lar›n kafa kafaya çarp›flmalar›nda, küt-le merkezindeki enerji 1,96TeV’a ula-flabiliyor. Fakat, boyut olarak en büyükdairesel h›zland›r›c›, Avrupa ülkeleri-nin ortak araflt›rma merkezi olanCERN’deki, ‘Büyük Elektron Pozitron’h›zland›r›c›s› (LEP, Large Electron Po-sitron) idi. 2000 y›l›nda etkinli¤i dur-durulup tüpünün sökülmesine bafllan-

d›. Yerine daha güçlü, ‘Büyük HadronÇarp›flt›r›c›s›’ (LHC, ‘Large HadronCollider’) yap›lacak. 2007 y›l›nda çal›-fl›r hale gelmesi beklenen LHC iflletme-ye al›nd›¤›nda, dünyan›n en büyük veen güçlü h›zland›r›c›s› olacak. LHC’deprotonlar›n, kuarklar ve gluonlardanoluflan bileflenleri aras›ndaki çarp›flma-lar›n enerjisi ortalama olarak 10 TeVdüzeyilerine, daha önceki LEP ya daFermilab Tevatron’dakinin yaklafl›k 10kat›na ulaflacak.

Bir h›zland›r›c›da enerji artt›kça,parçac›klar›n De Broglie dalgaboyu1/E ile azal›yor. Oysa çarp›flma tesirkesiti, dalgaboyunun karesi, yani(1/E)2 ile orant›l›. Dolay›s›yla, LHC’de-ki tesir kesitleri 1/100 oran›nda küçül-müfl olacak. Bu durumda, LEP’tekineeflde¤er etkinlikte bir çarp›flt›rma prog-ram› sürdürebilmek için, h›zland›r›c›-n›n, saniyede çarp›flma say›s›yla ortan-t›l› olan ‘parlakl›¤›’n›n (L, ‘luminosite’)E2 ile orant›l› olarak artmas› gerekiyor.Daha önceki h›zland›r›c›lardaL=1032cm-2s-1 iken, LHC’de bu de¤erL=1032cm-2s-1 olacak. Bunun için, z›työnlerde dönen ›fl›nlar› tafl›yan tüple-rin her birini, her biri 1011 parçac›ktanoluflan 2835 ›fl›n demetiyle doldurmakgerekiyor. Sonuç olarak, ortaya ç›kan›fl›n ak›m› (Ib=0,53A) de¤erleri, kriyoje-nik (-273 °C’deki mutlak s›f›ra yak›n)s›cakl›klarda çal›flan hassas süperilet-ken m›knat›slardan yap›lm›fl bir alet i-çin çözülmesi güç bir sorun oluflturu-yor.

‹ki parçac›k demeti bir dedektörünmerkezinde bulufltuklar›nda, demetler-deki parçac›klar›n yaln›zca çok küçükbir k›sm› kafa kafaya çarp›flarak iste-nen olaylara yol açar. Di¤erlerinin tü-mü, karfl› demetin güçlü elektromanye-tik alan› taraf›ndan sapt›r›l›r. Daha yo-¤un demetler için daha güçlü olan busapt›rmalar, devirden devire artar vesonuç olarak parçac›k kayb›na yol aça-


bilir. Bu ‘›fl›n etkisi’ daha önceki çar-p›flt›r›c›larda incelenmifl ve deneyimler,›fl›n›n ömrünü yeterince uzun tutabil-mek için, ›fl›n yo¤unlu¤unun belli bir‘›fl›n-›fl›n limiti’ni aflmamas› gerekti¤inigöstermifl durumda. LHC, istenen par-lakl›¤a (kafa kafaya çarp›flmalar›n faz-lal›¤›) ulaflabilmek amac›yla, bu s›n›ramümkün oldu¤unca yak›n çal›flacak.Eski PS ve SPS’den oluflan enjektörle-ri, gereken ›fl›n yo¤unlu¤unu sa¤laya-cak kapasiteyle donat›l›yor.

LHC’nin 27 km uzunlu¤undaki ›fl›ntüpü boyunca ›fl›k h›z›na yak›n h›zlar-da seyahat ederlerken, 2835 proton de-metinden her biri arkas›nda, ard›ndangelen demetleri etkileyen bir elektro-manyetik ‘çalkant› alan›’ (‘wake-field’)b›rak›r. Bu nedenle, demetlerden her-hangi birinin konum ya da enerjisindebafllang›çta yer alan bir sapma, di¤ergruplara aktar›l›r ve do¤an sal›n›mlar,belli baz› koflullar alt›nda artarak, ›fl›nkayb›na yol açabilir. ‘Kollektif karars›z-l›k’ denen böyle durumlar, yüksek par-lakl›k temini için gereken daha büyük›fl›n ak›m› nedeniyle, LHC’de daha cid-di bir sorun oluflturabilecek. Etkileri,›fl›n› çevreleyen elementlerin elektro-manyetik özelliklerinin özenli kontro-lüyle asgariye indirilmifl bulunuyor. Ör-ne¤in, çal›flmama koflullar›na geri dö-nüfl anlam›ndaki ‘so¤uma’s› s›ras›ndah›zland›r›c›n›n büzüflmesini mümkünk›lan binlerce körük k›vr›m›, ›fl›na kar-fl› z›rhlanm›fl. Paslanmaz çelikten yap›l-m›fl olan ›fl›n tüpünün içi, ›fl›n taraf›n-dan çeperinde uyar›lan ‘duvar ak›mla-r›’na karfl› direnci azaltmak amac›ylasaf bak›rla kaplanm›fl. Bu önlemlerintüm karars›zl›klar› bast›rabilmesi bek-lenmedi¤inden, kalanlar›n sönümlendi-rilmesi (damping) için, karmafl›k geri-besleme sistemleri ve do¤rusal olma-yan mercekler tasar›mlan›yor.

Ifl›nlar›n yüksek enerjide, 10 saatsüreyle depolanmas› öngörülüyor veparçac›klar bu s›rada h›zland›r›c›n›n et-raf›nda 400 milyon kere dönecek. Buarada, ›fl›n tüpünün merkeziyle çak›-flan yörünge etraf›ndaki do¤al sal›n›m-lar›n genli¤inin fazla artmamas› gereki-yor. Çünkü bu, ›fl›n› seyreltip aletinüretebildi¤i parlakl›¤› azalt›r. Bununbaflar›lmas›, ›fl›n-›fl›n etkileflimi nedeniy-le zaten zordu. Ayr›ca; aletin yönlendi-rici ve odaklay›c› manyetik alanlar›nda-ki istenmeyen, ama kaç›n›lmaz olan vedo¤rusal olmayan minik bileflenleri; de-metlerin hareketini biraz kaotik halekoyabilir ve parçac›klar, çok say›da tur-

dan sonra kaybedilebilir. Böylesi birkayba yol açacak kaosun bafllang›c›nayönelik çal›flmalar yap›ld›. LHC’de,manyetik alan geometrisindeki kusur-lar›n karars›zl›¤a yol açan etkilerinin,enjeksiyon enerjilerinde daha belirginolaca¤› görüldü. Çünkü enjeksiyonaflamas›nda, süperiletken kablolardakiak›m kal›nt›lar›n›n etkileri a¤›rd› ve›fl›n bu s›rada, bobin kesitinin daha bü-yük bir kesrini iflgal ediyordu. Dolay›-s›yla, ‘dinamik aç›kl›k’ (dynamic aper-ture) denen, parçac›klar›n gereken sü-relerle kararl›l›klar›n› koruyabilecekle-ri bobin kesiti kesrinin hesaplanmas›gerekti. Bunun, enjekte edilen ›fl›n›nboyutlar›n› yeterli bir güvenlik marj›y-la afl›yor olmas› laz›m. Oysa halen, par-çac›klar›n do¤rusal olmayan alanlarda-ki uzun vadeli davran›fllar›n› yeterli du-yarl›l›kla öngörebilen hiçbir kuramyok. Dolay›s›yla, h›zl› bilgisayarlarlabenzetiflimler yap›larak, yüzlerce par-çac›¤›n ad›m ad›m, binlerce LHC m›k-nat›s›ndan geçerek, milyon kereye ka-dar turlamas› izlenecek. Benzetiflim so-nuçlar›, m›knat›slar›n tasar›m ve üre-tim aflamas›ndaki kalite toleranslar›n›ntan›mlanmas› için kullan›l›yor.

Al›nan tüm önlemlere karfl›n, ›fl›nömrü s›n›rl› olmak zorunda. Yani par-çac›klar›n bir k›sm› ›fl›n tüpüne do¤ruda¤›l›p kaybolacak. Bu olayda parçac›kenerjisi malzemede ›s›ya dönüflür vesüperiletken m›knat›slar›n so¤umas›nayol açarak, h›zland›r›c›n›n çal›flmas›n›saatler boyunca kesintiye u¤ratabilir.Bundan kaç›nmak için; bir ‘›fl›n kesiti-ni daraltma’ (‘kolimasyon’) düzene¤i,karars›z parçac›klar› ›fl›n tüpü duvar›-


na ulaflmadan önce yakalayacak ve ka-y›plar›, iyi z›rhlanm›fl ve süperiletkenunsurlardan uzak bölgelere hapsetme-ye çal›flacak. LHC ilk kez, büyük bir›fl›n ak›m›n› çok yüksek enerji düzeyle-rinde ve en karmafl›k süperiletken tek-nolojisiyle birlikte kullan›yor. Dolay›-s›yla, daha önceki h›zland›r›c›lardançok daha verimli bir kolimasyon siste-mine gereksinimi var.

Ça¤dafl bir h›zland›r›c› ya da çarp›fl-t›r›c›, dev bir yat›r›m olmas› nedeniyle,bir araflt›rma arac› olarak uzun süreler-le yarar sa¤lamak zorunda ve de¤iflenaraflt›rma gereksinimlerine ayak uydu-rabilmek durumundad›r. Örne¤inCERN’in SPS h›zland›r›c›s› önce birproton-karfl›t proton çarp›flt›r›c›s›na,sonra LEP için lepton enjektörüne veflimde de LHC için bir proton enjektö-rüne dönüfltürülmüfl bulunuyor. LHCile ilgili olarak, en az maliyetle en yük-sek performans› yakalamaya yönelikteknik tercihler, bileflenlerinin ço¤ubirbirine yak›n konumland›r›lm›fl vesürekli bir kriyostat içerisine yerlefltiril-mifl oldu¤u için, aletin uyum yetene¤i-ni ciddi flekilde azaltabilir. Tasar›mc›larbunu göz önünde bulundurarak, gele-cekteki olas› iyilefltirmeler ve beklen-medik araflt›rma taleplerine ayak uydu-rabilmeyi sa¤lamak amac›yla, alet dü-zenine olabildi¤ince esneklik katmayaçal›fl›yor.

Elektron-pozitron çarp›flt›r›c›lar›n-daki parçac›klar her saniye, ›fl›nda de-polanm›fl olan enerjiden çok daha faz-las›n›, ‘senkrotron ›fl›mas›’ kanal›ylakaybederler. Bu kay›plar›n RF sistemitaraf›ndan sürekli olarak telafi edilme-si gerekir ve sonuç olarak, bu olay; biryandan sal›n›mlar›n sönümlenmesineyard›mc› olurken, di¤er yandan ulafl›la-bilecek enerji düzeylerini s›n›rlar.LHC’de, parçac›k kütlelerinin büyükolmas› nedeniyle, ayn› sürede ›fl›nlananenerji miktar› az oldu¤undan, bu etki-ler önemsizdir. Ancak daha yüksek,100TeV civar›ndaki proton h›zland›r›-c›lar›nda önem kazan›rlar. FakatLHC’de ›fl›nlanan, yaklafl›k 3.7kW’l›kgüç, düflük bir yüzde oluflturmakla be-raber; kriyojenik s›cakl›klardaki ›fl›n tü-pü taraf›ndan so¤urulaca¤i için, gözar-d› edilemez. Bu ›s›l girdi, so¤utma sis-teminin güç düzeyini etkiler ve önemlibir maliyet unsuru oluflturur. Ayr›ca,senkrotron ›fl›n›m› tüp duvarlar›na,çok say›da ultraviyole foton olarak çar-

par. Bu fotonlar, malzeme bünyesinde-ki gaz moleküllerini aç›¤a ç›kartarak,tüpün içerisindeki kal›nt› gaz bas›nc›n›artt›rd›¤› gibi, foto-elektron oluflumunayol açar. Fotoelektronlar, proton de-metlerinin güçlü elektrik alan› taraf›n-dan, ›fl›n tüpü boyunca ivmelendirilirve sonuç olarak, kriyojenik yükün art-mas›na ve ek baz› karars›zl›klara yol a-çar.

Tabii, böyle, dev boyutlardaki biruluslararas› projenin aflmas› gerekenpek çok güçlü¤ün olmas› do¤al ve hep-sini buraya s›¤d›rmak olanaks›z. Ancak2007’de devreye girmesinden sonra,baz›lar›na yan›tlar getirebilece¤i soru-lar›n boyutlar› da büyük. Fermilab’›nsitesinde fevkalade güzel bir flekildedillendirilmifl olanlar› flöyle:

Parçac›klar›n niye kütlesi var? Nöt-

rino kütlesinin kayna¤› farkl› m›d›r?Kuarklarla leptonlar›n gerçek do¤as›nedir? Neden üç ayr› nesil temel parça-c›k var? Gerçekten temel olan kuvvet-ler hangileridir? Kuantum gravitasyo-nu parçac›k fizi¤ine nas›l dahil edilebi-lir? Madde ile karfl›t madde aras›ndakifark nedir? Evreni bir arada tutan ‘ka-ranl›k madde’ parçac›klar› nedir, neler-dir? Evrendeki yap›lar› birbirindenuzaklaflt›ran ‘karanl›k enerji’ nedir?Evrenin, bildiklerimizin ötesinde gizliboyutlar› var m›? Acaba bir ‘universe’yerine, çok boyutlu bir ‘megaverse’inmi parças›y›z? Evren nelerden oluflu-yor ve evrende neler, nas›l olup biti-yor?

Hangilerinin yan›tlar›n› ne zamanbulabilece¤imizi; tabii ki yine zamangösterecek, dördüncü boyut...


Kuram veDeneysel Gözlem

Geçen yüzy›l›n bafllar›nda atomun, karpuzun-kine benzer bir yap›ya sahip oldu¤u düflünülüyor-du. Buna göre; art› yüklü protonlar, yaklafl›k kü-resel bir doku oluflturuyor, eksi yüklü elektron-lar da, karpuzun çekirdeklerine benzer flekilde,bu dokunun içine serpifltirilmifl halde bulunuyor-du. Öte yandan, radyoaktivite Henry Becquereltaraf›ndan daha önce keflfedilmiflti ve Pierre Cu-rie ile efli, alfa etkin radyumla çal›flmalar yap›-yordu. ‹ngiliz bilimadam› Ernest Rutherford,‘atomun karpuz modeli’nin do¤rulu¤unu s›na-mak için bir deney tasarlad›. Bu tasar›ma göre;kurflun bir z›rh içerisine, alfa etkin maddeden birmiktar konacak ve ›fl›nlanan alfa parçac›klar›n›n(helyum atomu), z›rhta aç›lan minik bir deliktenince bir demet halinde ç›kmalar› sa¤lanacakt›.Alfa ›fl›n demetinin önüne, küçük ve ince bir al-t›n folyo konulacak; folyonun etraf› da, iç yüzeyiçinko sülfatla kapl›, diyelim küresel bir ekranlasar›lacakt›. Böylece, folyonun içinden geçen alfa

parçac›klar›, çinko sülfat kapl› yüzeye ulafl›pçarpt›klar›nda, bu maddenin fosforesan etkiylepar›ldamas›na yol açs›nlar da, folyodan geçerkenne kadar sapt›r›ld›klar› anlafl›ls›n. Alt›n atomlar›,az say›da minik çekirdekli bir karpuz olarak mo-dellendi¤ine göre; Rutherford’un beklentisi; alfaparçac›klar›n›n folyodan geçerken, çok az mik-tarda sapmalara u¤ramalar› ve ekran›n, folyonunöte taraf›ndaki dar bir bölge üzerinde toplanm›flpar›ldamalara yol açmalar›yd›. Deney sonuçlar›,hiç de beklendi¤i gibi ç›kmad›...

Ekranda gözlenen par›ldamalar, alfa parça-c›klar›n›n çok çeflitli yönlerde sapt›r›ld›¤›n›; hat-ta baz›lar›n›n, adeta geri sekerek, ekran›n, ikin-ci de¤il de birinci yar›mküresine çarpt›¤›n› göste-riyordu. Rutherford’un bu gözlemlerden ç›kard›-¤› sonuç, atomun merkezinde sert bir çekirdekyap›s›n›n bulunmas› gerekti¤iydi. Bu k›s›m, art›yüklü protonlardan olufluyor, çok daha küçükkütleli elektronlar da, çekirdek etraf›ndaki yö-rüngelerde dolafl›yordu. Rutherford’un yapt›¤›,gözleriyle göremedi¤i kapkaranl›k bir dünyada,etraf› tan›maya çal›flmakt›. Ödülü de büyük oldu.Atomun modeli de¤iflti. Karpuz olmaktan ç›kt›...

Varsayal›m bir tenis maç›ndan dö-nerken, uçsuz bucaks›z ve kapkaranl›kbir ma¤arada kayboldunuz. “Olur muöyle fley?” demeye f›rsat bulamadan,h›r›lt›l› bir hayvan sesi duymaya baflla-d›n›z. Yan›n›zda, bir çanta dolusu tenistopundan baflka bir fley, el feneri filanyok. Ses giderek yaklafl›yor ve ç›kara-n›n hangi hayvan oldu¤unu merak edi-yorsunuz. fieklini bir bilseniz, ne me-nem fley oldu¤unu hemen ç›kartacakve belki rahatlay›p, belki de kaçacaks›-n›z. Nas›l anlars›n›z?...

fiekli bilinmeyen bir cisme do¤ruparçac›klar f›rlatarak, bu parçac›klar›nnas›l sapt›r›ld›klar›na bakmak suretiy-le, cismin flekli hakk›nda bilgi edinile-bilir. Örne¤in yukar›daki flekilde oldu-¤u gibi... Dolay›s›yla; eldeki tenis topla-r›n› teker teker ve h›zla sesin geldi¤itarafa do¤ru f›rlatarak, duvarlara çar-p›p tok sesler ç›karanlar› saymaks›z›n,canl›n›n yumuflak dokusundan geri se-kenlerin, yaklafl›k hangi noktalardandönüp geldiklerini saptamaya çal›fl-mak, eldeki s›n›rl› olanaklar çerçeve-sinde iyi say›labilecek bir yöntem ola-bilir. Bu, bize söz konusu hayvan›n vü-cut profilini, yaklafl›k olarak verecek-tir. Hatta, toplardan her birinin gidiflve gelifl süreleri de kaydedilebiliyorsa,bu süreler aras›ndaki farklar ve topla-r›n h›zlar›ndan hareketle, hayvano¤lu-nun üç boyutlu bir resmini ç›karmakbile mümkündür.

Fakat tenis toplar› çok büyük olas›-l›kla, ma¤araya s›¤abilecek bir hayva-n›n boyutlar›na oranla oldukça iridirve vücut profilini ancak kaba hatlar›y-la verebilir. Oysa ayn› ifllem masa teni-si toplar›yla tekrarlanabilseydi, flekilde

görüldü¤ü gibi, profil daha ayr›nt›l›olarak belirlenebilirdi. Hele minik bil-yalar, gerçi hayvan› rahats›z edip sal-d›rganlaflt›r›r, ama çok daha ayr›nt›l›bilgi sa¤lard›. Öte yandan, e¤er hayva-na zarar vermek istemiyorsak, bilyalar›fazla h›zl› f›rlatmamam›z gerekir. Helehele; hayvanca¤›z›n fleklini, bir taban-can›n namlusundan ç›kan mermilerleyoklamaya, hiç kalk›flmamam›z...

Tabii en rahat ve kolay›, bir kayna-¤›n› bulup, hayvan›n üzerine yeterli sa-y›da foton f›rlatmak olurdu. Cisimleribiz ço¤u zaman böyle alg›l›yoruz; yan-s›tt›klar› ›fl›nlar sayesinde onlar› göre-rek. Dolay›s›yla, e¤er çantam›zda bir elfeneri olmufl olsayd›, merak›m›z› he-men giderebilir ve hem de hayvan›, he-men hemen hiç rahats›z etmemifl olur-duk. Gün ›fl›¤›n›n ulaflt›¤› yerlerde,görmek istedi¤imiz cisimlerin üzerinef›rlatacak foton aramak zorunda kal-m›yoruz bile. Günefl bunu bizim için,zaten yap›yor.

Bakt›¤›m›z cisimden yans›yan ›fl›n-lar, göz merce¤iyle cisim aras›nda, ke-sik bir koni oluflturuyor: Koninin genifltaban› cismin, kesik ucu da merce¤inüzerinde. Mercek bu ›fl›nlar› retinaüzerinde odaklad›¤›ndan, gözün için-de de bir koni olufluyor. Bu sefer genifltaban, mercek; kesik uç da retina üze-rinde. Retinan›n, üzerine ›fl›n düflengörme hücreleri, bu ›fl›nlar üzerindebir ön ifllem yap›yor ve ürettikleri elek-trokimyasal sinyaller, optik sinir arac›-

l›l›¤›yla beynin görme merkezine gön-deriliyor. Görme merkezi de bu sinyal-lerden hareketle, kafatas›m›z›n içeri-sinde, cismin bir görüntüsünü infla edi-yor. Bu sürecin çal›flabilmesi için; reti-naya yeterli miktarda ›fl›¤›n, yeterli sa-y›da görme hücresi üzerine yay›lm›flbir flekilde düflmesi gerekir. Çünkü,her ne kadar ço¤u zaman retinadakitek bir noktadan söz edilirse de, tekbir görme hücresinin ayr›nt›l› bir gö-rüntüyü alg›lamas› mümkün olmad›¤›gibi, sürece kat›lan hücrelerden her bi-rinin, bellli bir eflik miktar›n›n üzerin-de ›fl›kla uyar›lmas› laz›md›r.

Ancak, bakt›¤›m›z cisim küçüldük-çe ya da uzaklaflt›kça, görme konileridaral›p inceliyor ve sonuç olarak, reti-naya düflen görüntü noktalafl›p, di¤ergörüntü ifllemleri aras›nda kayboluyor.Bu sorunu aflmak için, ›fl›nlar aras›nda-ki aç›lar› açarak koni tabanlar›n› yay-vanlaflt›rmak mümkün. Optik mikros-kop ya da teleskoplardaki merceklerde, ›fl›nlar› k›rmak suretiyle bunu yap›-yor zaten. Fakat bu sefer de, cisimdengelen ›fl›nlar daha genifl bir alana yay-d›r›lm›fl olduklar›ndan, retinaya ulaflanmiktar, eflik düzeyinin alt›na düflebili-yor. Görüntü solgunlafl›p, yine kaybo-luyor. Bu yüzdendir ki, optik mikros-koplar; güçlü bir ›fl›k kayna¤›yla birlik-te, cismin üzerine daha fazla ›fl›k gön-derip yans›tmak suretiyle çal›fl›rlar. Yada ço¤u teleskopta oldu¤u gibi; cisim-den gelen ›fl›nlar, uzunca bir süre için


KARANLIKTA ARAYIfi

toplan›r ve görüntü inflas›na, yeterincebirikim sa¤land›ktan sonra geçilir.

Ifl›¤›n bir de dalga davran›fl› var ta-bii. Nas›l ki bir su tank›nda, yan yanaiki çubu¤un afla¤› ve yukar› hareketle-riyle oluflturulan dairesel su dalgalar›,üst üste binip birbirleriyle giriflimdebulunuyorlarsa; iki ayr› yar›ktan geçiri-len ›fl›k dalgalar› da, yandaki flekildegörüldü¤ü gibi bir giriflim örüntüsüveriyor. Dolay›s›yla biz görmek için ci-simlere ›fl›k tuttu¤umuzda, asl›ndaüzerlerine elektromanyetik dalgalargönderip yüzeylerinden yans›tm›fl vegözümüze geri gelenler üzerinde ifllemyapm›fl oluyoruz. Bu durumda, gönde-rilen ›fl›¤›n dalga boyunun, cismin bo-yutlar›ndan büyük olmamas› gerekir.Çünkü aksi halde dalga, cismin varl›-¤›ndan pek etkilenmez ve geriye, netbir görüntünün oluflabilmesi için gere-ken miktar ve nitelikte yans›ma gel-mez. T›pk› denizde yüzen bir flifle man-tar›n›n, yak›ndan geçen bir tankerinyol açt›¤› dalgalar› etkileyip, geri yans›-tamad›¤› gibi. Böylesine kocaman dal-galarla küçük bir mantar›n fleklinibelirlemeye çal›flmak, iri bir a¤a-c›n gövdesini kürdan olarak kul-lanmaya kalk›flmak gibidir. Bir ‘çö-zünürlük’ sorunu do¤ar ve dolay›-s›yla, daha küçük cisimleri görebil-mek için, daha k›sa dalgaboylar›kullanmak gerekir. Fakat retinatabakas›ndaki görme hücrelerininduyarl›l›¤›, 3,9-7,6x10-7 m aral›¤›n-daki ‘görünür ›fl›k’ dalga boylar›naayarl›d›r ve bu dalgaboyu aral›¤›n-daki ›fl›kla, hücreden daha küçükyap›lar› görebilmek mümkün de-¤ildir. Oysa hücre boyutlar› yakla-fl›k 10-4 m kadarken, atomun boyu-lar› 10-10 m düzeyinde.

Gerçi, x ve gama ›fl›nlar› gibi;dalgaboyu çok daha küçük ve hat-ta çekirde¤in 10-15 m’lik boyutlar›-n›n alt›na inen, ›fl›k ›fl›nlar› da var.

Bu göremedi¤imiz ›fl›nlar›n sa¤lad›¤›görüntüler, uygun kimyasallar arac›l›-¤›yla görünür hale getirilebilir. Örne-¤in, Rontgen filmi çekimlerinde oldu-¤u gibi. Fakat bir fotonun dalga boyuküçülürken, enerjisi ters orant›l› ola-rak art›yor ve 10-10 m’lik dalga boyun-da 10 keV’a (kilo elektronVolt - 1000eV) ulafl›p, 10-15 m’lik dalgaboyunda da1 GeV’u buluyor. Bu yüksek enerjileresahip fotonlarla, örne¤in atomun yap›-s›n› incelemeye çal›flmak, bir bak›mayukar›daki ma¤ara örne¤inde oldu¤ugibi, ay›n›n fleklini makinal› tüfek ate-fliyle belirlemeye kalk›flmaya benziyor.‹ncelenmeye çal›fl›lan yap›; a¤›r flekildeetkilenip, ciddi biçimde de¤ifliyor...

Cisimlerin üzerine dalgalar gönde-rip yans›tmak, hala iyi bir incelemeyöntemi ve bu ifl için ille de ›fl›k dalga-lar› kullanmak gerekmiyor. Örne¤in,yarasalar bunu ses dalgalar›yla da ya-p›yorlar. Ç›kard›klar› ‘sesüstü’ seslerinyank›lar›n› kulaklar›yla alg›lay›p, etraf-lar›ndaki cisimlerin ne kadar yak›nla-r›nda oldu¤unu anlayabiliyor; hattayank›lar›n iki kula¤a gelifl zamanlar›aras›ndaki fark› de¤erlendirerek, aç›-sal konumlar› ve belki üç boyutlu gö-rüntüleri hakk›nda da bilgi sahibi ola-biliyorlar. Bunu da baya¤› h›zl› veuçarken yapabiliyorlar: zifiri karanl›kbir ma¤aran›n içerisinde, v››zt v››››zt!...

Gerçi bildi¤imiz gibi, insan kula¤›bir alt s›n›r olarak; genli¤i atom boyu-tu, yani 10-10 m kadar küçük olan sesdalgalar›n› dahi alg›layabiliyor. Ancakgenlik baflka fley... Seslerin dalga boy-lar› büyük oldu¤u gibi, kendileri de za-ten, atom ya da molekül gruplar›n›nbirlikte hareketlerinden olufluyor. Bir-kaç mm ayr›nt›ya kadar organ görün-tüsü verebilirler, ama atomun inclen-mesinde kullan›lmalar› olanaks›z. Bu-nun için, enerjisi fazla yüksek olma-yan, küçük dalgalar laz›m.

Bu aflamada akla, madde dalgalar›geliyor. Maddenin dalga boyuyla mo-mentumu aras›ndaki iliflki, DeBroglieba¤lant›s›yla λ=h/p olarak veriliyor.Buna göre; örne¤in oda s›cakl›¤›ndaki(295 K) ideal bir gaz›n içinde serbest-çe dolaflan bir elektronun ortalama ki-netik enerjisi (E=3kT/2) 6,2x10-19 erg

ya da 0,04eV, momentumu(p2=2mE) ise, yaklafl›k 10-20 g-cm/s kadard›r. Yani λ=3,3x10-7

cm kadar olur ve elektronun ki-netik enerjisi artt›kça bu dalgaboyu, kinetik enerjinin kare kö-küyle, ters orant›l› olarak azal›r.K›sacas› elimizde; enerjisi düflük,dalgaboyu da atom düzeyinde kü-çük dalgalar vard›r. Bu dalgala-r›n varl›¤›ndan; bir plaka üzerin-deki iki ayr› deli¤e do¤ru gönde-rilen elektronlar›n, plakan›n geri-sindeki bir ekran üzerinde, üstte-ki flekilde görüldü¤ü gibi bir giri-flim örüntüsü oluflturmas›ndandolay› emin olabiliyoruz. T›pk› suve ›fl›k örneklerinde oldu¤u gibi...

Dolay›s›yla, atom ve molekülboyutundaki yap›lar›n görüntü-lenmesi istendi¤inde, ‘elektron


KTA ARAYIfi

tarama’ mikroskoplar› kullan›l›r. Böy-le bir mikroskopta, tarama ucu denen,çok küçük ve ince bir iletken vard›r.Bu uç, bas›nçla karfl›laflt›¤›nda minikelektrik ak›mlar› üreten (‘piezoelek-trik’) bir ‘taray›c› ayg›t’a tak›l›d›r. Ta-ray›c›n›n içerdi¤i elektronik bileflen-ler, uca elektrik ak›m› sa¤lad›klar› gi-bi; hem taray›c›y›n›n hareketlerini yö-netip, hem de hareket duyargas›ndangelen sinyalleri almaktad›r. Nihayetbir bilgisayar, tüm sistemi denetlemek-te ve toplanan verileri iflleyerek, gö-rüntüye dönüfltürmektedir. Böyle birSTM mikroskopu (‘scanning tunne-ling microscope’), yaklafl›k flöyle çal›fl›-yor: Taray›c› ayg›t, tarama ucunu ilet-ken bir yüzey üzerinde h›zla gezdirir-ken, içerdi¤i elektronik bileflenler, ucaelektrik ak›m› sa¤lamaktad›r. Taray›c›,tarama ucunu, örnek yüzeyindeki tüm(x,y) noktalar› üzerinden, sistemli birflekilde geçirir. Uç bir atoma rastlad›-¤›nda, atomla uç aras›ndaki elektronak›fl› de¤iflir ve bilgisayar, bu ak›m de-¤iflikli¤ini, tarama ucunun, yani ato-mun x-y koordinatlar›yla birlikte kay-deder. Tarama ifllemi sona erdi¤indebilgisayar, toplad›¤› verilerden hare-ketle, atomlar›n konumlar›na karfl›l›kgelen ak›m de¤erlerini, yüzey üzerin-de grafiklendirir. Bu bir bak›ma, eskifonograflardaki çal›flma yöntemi gibi-dir ve tarama ucu i¤neye, atomlar dapla¤›n üzerindeki girinti ç›k›nt›larabenzetilebilir. STM ucu, ‘tünelleme’yapan ak›m›n›, atomlar›n konumunubelirleyen duyarl› bir alg›lay›c› olarakkullanarak, yüzeydeki atomlar›n efl-

yükseklik çizgileri üzerinde dolafl›r vesonuç olarak, yüzeyin topo¤rafyas›n›ç›kar›r. Bu mikroskoplar›n yeni mo-delleriyle, atomlar› görmenin yan›nda,istenilen flekilde konumland›rmak damümkündür. Yukar›daki flekillerdenüsttekinde, 7x7 nm’lik (nanometrelik -metrenin milyarda biri), mavi renklen-dirilmifl galyum-arsenid yüzeyi üzerin-deki, k›rm›z› renklendirilmifl olan tekbir sezyum atomu zinciri zigzaglar›görülüyor. Alttaki flekildeyse, tek tekatomlardan oluflturulmufl bir markavar. Fakat en iyi elektron mikroskopudahi, atomlar›n ancak bulan›k görün-tülerini verebiliyor. ‹ç yap›lar› hakk›n-

daysa hiç bilgi veremiyor. Atomun veçekirde¤in yap›s›n› incelemek için bafl-ka araçlar, daha k›sa boylu madde dal-galar› laz›m...

Asl›nda, birkaç atomdan oluflanmadde yap›lar›, oda s›cakl›¤›nda dahiçok yüksek momentumlara ve dolay›-s›yla da, k›sa dalga boylar›na sahip olu-yorlar. Ancak böyle iri k›y›m kütleler,çekirde¤i kurcalamak için hiç uygunde¤il. Bu t›pk› bir arkadafl›n›z›n flekli-ni; elinize bir balyoz al›p sallayarak,oras›n› buras›n› yoklayarak belirleme-ye çal›flmaya benzer. Böyle bir yaklafl›-m›n, arkadafl›n›z› baz› boyutlar›ndanyoksun b›rakmak gibi bir sak›ncas›vard›r. Dolay›s›yla, maddenin yap›s›n›ve çekirde¤i incelemek için, elektronya da proton gibi, eldeki en küçük par-çac›klar› kullanmak gerekiyor. Ancakbu parçac›klar da, yükleri nedeniyle,çekirdekle etkileflime giriyor. Örne¤inelektron saç›lmaya u¤rayarak, çekirde-¤in yap›s› hakk›nda bilgi vermek yeri-ne, içine çekilip yutularak, incelenme-ye çal›fl›lan yap›y› de¤ifltiriyor. Heleproton, benzer yüklü oldu¤u için, çe-kirdek taraf›ndan itiliyor ve çekirde¤eyeterince yaklaflabilmesi için, yüksekh›zlara sahip olmas› gerekiyor. Bu du-rumda da, elektronun 1,830 kat› olankütlesiyle, çekirde¤in parçalanmas›nayol aç›yor. Yüksüz olan nötronlarsa,yüksüz olduklar› için; örne¤in bir man-yetik alanla yakalan›p, elektrik alan›y-la yönlendirilemiyorlar ve kendi bildik-leri do¤rultularda gidiyorlar.

Gerçi çekirde¤i parçalamak suretiy-le, yap›s› hakk›nda ek bilgiler edinilebi-lir. Hele ilgi konusu olan, örne¤in pro-tonun kendi yap›s›ysa, o zaman yük-sek h›zl› protonlar› kafa kafaya çarp›fl-t›r›p, sonuçta nelerin ortaya ç›kt›¤›nabakmak gerekir. Ancak, öylesine yük-sek h›zlara sahip protonlar yaln›zca,atmosferin üst katmanlar›na ulaflankozmik ›fl›nlarda bulunuyor. Bizse yer-deyiz. Dolay›s›yla bu parçac›klar›, yer-de h›zland›rmak, yani h›zland›r›c›larkullanmak laz›m. ‹ki amaçla: Birincisi,parçac›klar› çekirdeklerin üzerine gön-derip saç›lmalar›na ya da çekirdek par-çalanmalar›na bakmak suretiyle, çekir-de¤in yap›s›n› araflt›rmak. ‹kincisiyse,parçac›klar›n kendilerini kafa kafayaçarp›flt›rarak, neler oldu¤una bakmaksuretiyle, parçac›klar›n iç yap›lar›n› an-lamaya çal›flmak.


H›zland›rmak için elektron ya daproton bulmak, oldukça kolay. Pro-ton, hidrojeni iyonlaflt›rmak suretiyleelde edilebiliyor. Öte yandan, baz› me-taller ›s›t›ld›klar›nda, bir k›sm› zatenserbest dolaflmakta olan d›fl kabukelektronlar›n›n kinetik enerjisi art›yorve bunlardan baz›lar›, metal yüzeyin-den kaç›p bir elektron ›fl›n› oluflturu-yorlar. H›zland›r›lan elektronlar›n, ör-ne¤in tungsten çekirdekleriyle çarp›fl-t›r›lmas›, pozitron üretiyor.

Daha sonra bu yüklü parçac›klar,bir elektrik alan›n›n içine yönlendiri-lip, alan›n uygulad›¤› kuvvetle (qE) iv-melendirilebilir. Üzerlerine uygun fre-kansta elektromanyetik dalga gönde-rildi¤inde, dalgan›n elektrik alan› bi-lefleni, yolu üzerinde rastlad›¤› parça-c›klara itme kuvveti uygular. Kuvve-tin yönü, pozitif yüklü parçac›klar i-çin elektrik alan›n›n yönüyle ayn›, ne-gatif yüklü olanlar içinse ters yönde-dir. Dalgan›n tepesine ya da dibinerastlayan parçac›klara en büyük, ortak›sm›na rastlayanlaraysa daha küçükkuvvetler uygulan›r. Sonuç olarakparçac›klar, yüklerinin iflaretine ba¤l›olarak, bir ya da di¤er yönde süpürül-mektedir.

Manyetik alan bilefleni, parçac›kla-ra hareketlerine dik yönde kuvvet uy-gulad›¤›ndan, parçac›klar do¤ru üze-rinde de¤il, spiraller üzerinde kayar-lar. Dolay›s›yla, manyetik alan kuvvet-lerinin kinetik enerji art›fl›na bir kat-k›s›, genelde zaten olamad›¤› gibi, bu-rada da yoktur. Parçac›klar, ana hare-ket yönlerine dik düzlemde de h›z bi-leflenlerine sahip olabildiklerinden,

zamanla bu düzlemde bir da¤›lmagösterirler. Dolay›s›yla arada bir veözellikle de çarp›flt›rma öncesinde, biraraya getirilmeleri gerekir. Bu amaçlatüp boyunca, ara konumlarda yerleflti-rilmifl, odaklay›c› 'manyetik mer-cek'ler bulunur. Daha a¤›r olan pro-tonlar› h›zland›rmak, elektronlaraoranla daha zordur.

Parçac›klar›n yollar› üzerinde a-tom ya da moleküllere rastlay›p çar-parak h›z kaybetmemeleri için, h›zlan-d›rma iflinin, vakumlanm›fl bir tüpüniçinde yap›lmas› gerekir. E¤er tüp birdo¤ru fleklindeyse, bu do¤rusal birh›zland›r›c› olur. Parçac›klar›n ne ka-dar yüksek enerjilere ç›kmas› isteni-yorsa, tüpün de o kadar uzun olmas›gerekir. Bu durum, tüpün yerlefltirile-ce¤i tünelin maliyetini art›r›r. Bununalternatifi, ek bir manyetik alan uygu-lamak suretiyle, parçac›klar› daireselyörüngeler üzerinde döndürerek h›z-land›rmakt›r. Bu seçene¤e göre inflaedilen dairesel h›zland›r›c›lara, h›z-land›rma ifllemi için kullan›lan alantürlerine ve flekillerine ba¤l› olarak,'siklotron' ya da 'senkrotron' denir.

Parçac›klar› R yar›çap›ndaki bir tü-pün içinde tutabilmek için; manyetikalan›n ilgili parçac›k üzerinde ve par-çac›¤›n hareketine dik yönde etki et-tirdi¤i kuvvetin (qvxB/c), merkezkaçkuvvetine (mv2/R) eflit olmas› gerekir.Bu eflitli¤in verdi¤i yar›çap de¤eri(R=mvc/qB) sabit kalmak zorunda ol-du¤undan, parçac›klar h›zland›kça,onlar› yörüngelerinde tutmaya çal›flanmanyetik alan›n fliddeti art›r›lmak du-rumundad›r. Dolay›s›yla, dairesel tüpüzerindeki baz› konumlarda, güçlü

elektrom›knat›slar bulunur. Daireselh›zland›r›c›lar›n maliyetini yükseltenunsur da budur.

H›zland›r›lan parçac›k demetleri;ya sabit hedeflerle çarp›flt›r›ld›klar›'sabit hedef,' ya da kafa kafaya getiri-lerek çarp›flt›r›ld›klar› '›fl›n çarp›flt›r-ma' deneylerinde kullan›l›r. Parçac›k-lar h›zland›r›lma sürecinde, ivmelen-dirilen her yüklü parçac›¤›n yapt›¤›gibi, ›fl›yarak enerjilerinin bir k›sm›n›kaybederler. ‘Senkrotron ›fl›mas›’ de-nen bu kayb›n miktar›, parçac›klarh›zland›kça giderek artar ve daireselh›zland›r›c›larda, ek bir merkezkaç iv-mesinin de varl›¤› nedeniyle, dahayüksektir. Buna karfl›l›k do¤rusal h›z-land›r›c›larda, h›zland›r›lm›fl olan de-metlerin, baflar›yla çarp›flt›r›lamama-lar› halinde, h›zland›r›lmalar› için har-canm›fl olan çaban›n tümüyle boflagitmesi söz konusudur. Oysa daireselh›zland›r›c›larda, demetleri daha son-raki turlardan birinde tekrar bir arayagetirmek imkan› vard›r.

Do¤rusal h›zland›r›c›lar, sabit he-def deneylerinde kullan›ld›klar› gibi,›fl›n çarp›flt›rmalar›nda da kullan›labi-lirler. Bazen ön h›zland›r›c› olarakkullan›l›rlar ve h›zland›rd›klar› parça-c›klar dairesel h›zland›r›c›ya aktar›l›r-lar. Dairesel h›zland›r›c›lar da keza;do¤rusal bir tüpe aktar›mla sabit he-def deneylerinde ya da do¤rudan ›fl›nçarp›flt›r›c› olarak kullan›labilirler. Ta-bii, çarp›flmadan geriye kalan ya daçarp›flma s›ras›nda ortaya ç›kan ürün-lerin belirlenmesi, deneylerin ana he-defidir. Bu amaçla çok çeflitli parçac›kbelirleyicileri (dedektör) kullan›lmakdurumundad›r. Sabit hedef deneyle-rindeki hedef ço¤u zaman, bu belirle-yicinin içindeki bir malzemedir.


H›zland›r›c› tiplerive çal›flma ilkeleri

Dedektörler, duyularla alg›lanamayan olaylar›belirlemeye yarar. Kullan›lmalar›n›n amac›; parça-c›klar›n patikalar›n›n, saç›lma aç›lar›n›n, enerji vekimliklerinin saptanmas›d›r. Çünkü deneylerdeçarp›flt›r›lan parçac›klar›n türü, elektrik yükü yada spin gibi iç yap›sal özellikleri, genellikle önce-den biliniyor olur. Çarp›flma an›na kadar izledik-leri patikalarsa, h›zland›r›c› tüpün geometrisindenbellidir. Öte yandan, enerji ve momentum gibi fi-ziksel de¤iflkenlerinin de¤erleri, h›zland›rma afla-mas›nda saptanm›fl ya da hesaplanm›flt›r. Oysaçarp›flma sonucunda ortaya ç›kan çeflitli parçac›k-lar›n; elektrik yükü, kütle ve spin gibi yap›salözelliklerinin belirlenerek kimliklerinin saptanma-s›; izledikleri patikalar›n belirlenmesi suretiyle,nereden gelip nereye do¤ru gittiklerinin anlafl›l-mas› ve böylelikle saç›lma aç›lar›n›n saptanmas›;tafl›d›klar› enerji ve momentum gibi fiziksel de¤ifl-kenlerinin de¤erlerinin, bir flekilde ölçülmesi ge-rekir. Bu ölçümler, iz saptama odalar› arac›l›¤›ylayap›l›r.

‹z saptama odalar›n›n dört çefliti var. Sis oda-s› olarak bilinen birinci türde; bölmenin içi, 'afl›r›so¤utulmufl' buharla dolu. Afl›r› so¤utulmufl buharkaynama noktas›n›n biraz alt›na kadar dikkatleso¤ultumufl olup, bu arada s›v› hale geçme süre-sini bafllatma olana¤›n› bulamam›fl olan karars›zbir molekül sistemi oluflturuyor. Yüklü parçac›klarbölmeden geçerken, buhar molekülleriyle etkilefli-

me girerek, onlar›n s›v› hale geçmesine yol aç›-yor. Böylelikle, parçac›k patikalar› üzerinde s›v›zerrecikleri olufluyor. Bu izlerin foto¤raf› çekile-rek daha sonra inceleniyor. Kabarc›k odas› da de-nen ikinci tipte; bölme süper so¤utulmufl buharyerine, kaynama noktas›n›n hemen üstüne kadar'süper ›s›t›lm›fl' bir s›v›yla, örne¤in hidrojenle do-lu. Yüklü parçac›klar s›v›n›n içerisinden geçerken,keza civardaki moleküllerle etkileflimde bulunu-yor ve bu sefer onlar›n buharlaflmas›na yol aç›yor-lar. Dolay›s›yla parçac›k patikalar›n›, kabarc›k zin-cirleri halinde foto¤raflay›p, daha sonra incele-mek mümkün. Afla¤›daki flekilde, s›v› hidrojenledolu bir kabarc›k odas› var ve manyetik alandak›vr›lm›fl parçac›k patikalar›, oldukça net olarakseçilebiliyor. Ancak bu tipler art›k pek kullan›lm›-yor.

Daha yayg›n olarak kullan›lan ve 'tel odas›' yada 'çok telli, oranl› say›c›' (MWPC-multiwired pro-portional counter) olarak bilinen üçüncü tip; içigaz dolu bir bölmeden olufluyor. Bölmenin içinde;birbirine paralel iletken tellerden oluflan anot düz-lemleriyle, bu düzlemler aras›nda katot görevi gö-ren, keza iletken bir plaka bulunuyor. Katot pla-kalar aras›ndaki uzakl›k 2 cm kadar; ayn› anotdüzleminde yatan tellerin birbirlerinden uzakl›¤›y-sa 2 mm oluyor ve birbirini izleyen anot düzlem-leri, hatlar› birbirine dik olacak flekilde yerlefltiri-liyor. Bir parçac›k bölmeye girdi¤inde, yolu üze-

rindeki gaz atomlar›n› iyonlaflt›r›yor. Art› yüklüiyonlar katot plakaya yönelirken; eksi yüklü olan-lar, en yak›ndaki anot tele ulafl›yor ve telde birak›m oluflturuyor. Parçac›k yol boyunca ilerledik-çe, hangi yatay ve dikey tellerden ak›m geçti¤inebak›larak, geçti¤i noktalar›n koordinatlar›n› belir-lemek mümkün oluyor. Bu tel odalar›n›n bir de,'sürüklenme odalar›' (drift chamber) denen veparçac›¤›n oluflturdu¤u iyonlar›n anot tellerine sü-rüklenmesi için gereken süreyi de hesaba kata-rak, iyonlar›n hangi noktada olufltu¤unu, dolay›-s›yla da parçac›¤›n patikas›n› daha büyük bir du-yarl›l›kla saptayanlar› var.

‹z saptayan belirleyicilerin dördüncü tipi, yar›-iletken plakalardan olufluyor. Plakalar üzerinde;yatay ve dikey yönlerde iletken hatlar, bu hatlar›nuçlar›nda da elektrot çiftleri var. Parçac›klar pla-kaya çarpt›¤›nda, yüzeyde eflik ve elektron çiftle-ri oluflturuyor. Bu yük tafl›y›c›lar› bir elektrik ala-n›n›n etkisi alt›nda ayr›flt›r›larak, z›t elektrotlardatoplan›yor. Sonuç olarak elektrotlar aras›nda, öl-çülebilir bir ak›m elde edilmifl oluyor ve parçac›-¤›n çarpma konumu; ak›m uyar›lan iki elektrotçifti aras›ndaki iki iletken hatt›n hayali kesiflmenoktas›ndan hareketle belirleniyor. Yar›iletken be-lirleyiciler çok duyarl› olup, parçac›k konumunu10 mikrometre (metrenin binde biri) hata pay›ylasaptayabiliyorlar. Bunar karfl›l›k, radyasyondanetkilenmek gibi bir sak›ncalar› var. Pahal›ya ma-

loluyor ve daha çok, k›sa ömürlü parçac›klar›n in-celenmesinde kullan›l›yorlar.

Sabit hedef deneylerinde hedef olarak, örne-¤in s›v› hidrojen kullan›l›r ve üretilen parçac›klargenellikle, çarpt›r›lan ›fl›n demetinin do¤rultusunayak›n yönlerde, ileriye do¤ru da¤›l›rlar. Dolay›s›y-la bu deneylerde kullan›lan belirleyiciler, konifleklinde olup, hedefin arkas›na yerlefltirilir. Ifl›nçarp›flt›rma deneylerindeyse; birbirine yak›n yö-rüngelerde ve fakat z›t yönlerde h›zland›r›lan par-çac›klar, bir noktada karfl› karfl›ya getirilip, birbir-leriyle çarp›flt›r›l›r. Üretilen parçac›klar her yöndeda¤›laca¤›ndan, belirleyiciler küresel ya da çokdaha s›k olarak silindir fleklindedir.


Dedektör çeflitleri

Ça¤dafl belirleyiciler, bir çarp›flma olay›n›n fark-l› yönlerini saptamaya yönelik, çok çeflitli bileflen-lerden oluflur. Bu bileflenler, olayda aç›¤a ç›kanparçac›klar hakk›nda en fazla bilginin edinilebilece-¤i flekilde yerlefltirilmifltir. Öyle ki, parçac›klar fark-l› bileflen katmanlar›ndan ard› ard›na geçerler vebir parçac›k ancak; ya bir belirleyicide, ölçülebilirbir etkileflime girince, ya da gözlenebilir parçac›kla-ra bozununca belirlenmifl olur. Belirlenmesine çal›-fl›lan ana unsurlar, parçac›klar›n patikalar› ve tafl›-d›klar› enerji düzeyidir.

Enerji ölçümü s›ras›nda parçac›klar durdurul-duklar›ndan ya da baflka parçac›klara dönüfltürül-düklerinden, önce konumlar›n›n izlenmesiyle pati-kalar›n›n belirlenmesi ve enerji ölçümlerinin dahasonra yap›lmas› gerekir. Öte yandan genellikle; mü-onlar hadronlardan, hadronlar da; fotonlardan yada elektron ve pozitron gibi hafif parçac›klardançok daha fazla miktarda enerji tafl›rlar.

Dolay›s›yla, ayn› malzeme içerisinde katedebile-cekleri mesafeler, yani erimleri ya da durdurulma-lar›n›n zorluk düzeyleri, farkl› farkl›d›r. Bu grupla-r›n birbirinden ayr›labilmesi için; önce foton, elek-tron ya da pozitron; sonra hadron, en sonunda damüon enerjilerinin ölçülmesi gerekir.

Yukar›daki flekilde, örnek bir çarp›flt›rma dene-yinin yer ald›¤› bir h›zland›r›c› tüpünün etraf›ndakibelirleyicinin çeflitli katmanlar› gösteriliyor. ‹çtend›fla do¤ru dört katman var:

1. ‹z saptama katman›,2. Elektromanyetik kalorimetre,3. Hadron kalorimetresi,4. Müon kalorimetresi ya da katman›. Her katmanda, çeflitli say› ve tiplerde belirleyi-

ciler bulunuyor ve o katmandan geçen parçac›kla-r›n özelliklerini sapt›yor. Parçac›klar içten d›fla do¤-ru ilerlerken, bu katmanlar›n bir ya da daha fazla-s›yla etkileflimde bulunabiliyor ve sonuçta, türününtafl›d›¤› fiziksel özelliklere ba¤l› olarak, katmanlar›nbirinde durdurulmufl oluyor.

Sa¤ alttaik flekilde, hangi parçac›k türlerininhangi katmanlarda etkileflime girerek belirlendi¤igösteriliyor. Yaln›zca iz saptama odalar›ndan olu-flan birinci katmanda, yaln›zca yüklü parçac›klar,yükleri sayesinde iz b›rak›yorlar. Örne¤in, foton yada nötron gibi yüksüz parçac›klarsa, bu katmanlaetkileflime girmediklerinden, iz b›rakmaks›z›n ilerli-yor ve burada farkedilemeden ikinci katmana geçi-

yorlar. Öte yandan, iz saptama dedektörleri, parça-c›klar›n hemen hemen hiç etkilenmeyece¤i flekildeyap›l›rlar. Dolay›s›yla, bu katmanda yer alan etkile-flimler, kayda de¤er miktarda enerji kayb›na yol aç-maz ve parçac›klar hiçbir fley olmam›fl gibi yollar›-na devam ederler. Sonuç olarak, parçac›klar›n hep-si, enerjilerinde ve hareket do¤rultular›nda hiçbirde¤iflikli¤in olmad›¤› varsay›m›yla, ikinci katmanaulafl›rlar. Ancak bu arada, yüklü olanlar›n varl›¤› venereden gelip nereye gittikleri belirlenmifl oluyor.

Fotonlar, elektromanyetik etkileflimin a¤›r bas-t›¤› ikinci katmanda durduruluyor. Ayr›ca, elektronve pozitron gibi yüklü, ama hafif olduklar›ndan do-lay› görece az miktarda enerji tafl›yan parçac›klarda öyle... Dolay›s›yla, bu parçac›klar›n enerjileri,elektromanyetik kalorimetreyi oluflturan ikinci kat-manda belirlenmifl oluyor. Oysa müon, pion ya daproton gibi a¤›r ve yüklü parçac›klar, bu katmandaiz b›rakmakla beraber, tafl›d›klar› yüksek enerji sa-yesinde ve bu enerjinin çok küçük bir k›sm›n› kay-bederek, üçüncü katman› oluflturan hadron kalori-metresine ulafl›yorlar. Nötronlarsa yüksüz oldukla-r›ndan, elektromanyetik etkileflime zaten girmiyorve üçüncü katman› oluflturan hadron kalorimetresi-ne, ilk halleriyle ulafl›yorlar. Sonuç olarak, protonve nötron gibi baryonlarla, pion gibi mezonlar; ya-ni hadronlar›n tümü, hadron kalorimetresinde dur-durulmufl oluyor. Bir sonraki dördüncü katmanayaln›zca, çok yüksek enerji düzeylerine sahip, ortaa¤›rl›ktaki II. nesil leptonu olan müonlar ulaflabili-yor. Bu yüzden de bu sonuncusuna, 'müon katma-n›' deniyor. fiimdi bir de katmanlar›n yap›s›na baka-l›m...

Birinci katman›n en iç k›sm›nda genellikle, yar›-iletken saptay›c›lar bulunuyor. Çünkü konumun enbüyük duyarl›l›kla belirlenmesi gere¤i burada. D›fla-r›ya do¤ru yar›çap› büyüyen hayali silindir yüzeyle-ri üzerine, s›ra s›ra telli odalar yerlefltiriliyor. S›ra-lar birbirine göre biraz kayd›r›lm›fl durumda. Böyle

ki, parçac›klar en az birinden geçmek zorunda kal-s›n ve yüklü olanlar›n patikalar› kaydedilmifl olsun.Çünkü bu katmandan sonra gelen kalorimetrelerde,parçac›¤›n enerjisi ölçülürken, patikalar hakk›ndakibilgiler kayboluyor.

Kalorimetreler benzer flekilde çal›fl›yor ve allta-ki flekilden de görülece¤i üzere; kurflun ya da de-mir gibi a¤›r ve yo¤un bir metalden yap›lm›fl bir di-zi plakayla, her plakan›n arkas›ndaki, telli oda iflle-vi gören gaz hacimlerinden olufluyor. Soldan gelenparçac›k bir plakaya girdi¤inde, plakan›n atomlar›y-la aras›nda etkileflmeler bafll›yor.

Bu etkileflmeler s›ras›nda parçac›¤›n enerjisiazal›rken, ortaya küçük bir 'ikincil parçac›klarya¤muru' ç›k›yor. Sonras›nda hemen hep birlikte,o plakadan sonra gelen telli odaya girip, burada-ki gaz ortam›nda iyonlaflmalara yol aç›yorlar. Gö-rece düflük miktarda enerji tafl›yan ikincil parça-c›klar, bu iyonlaflmalar sonucunda durdurulurken,birincil parçac›k bu süreçten pek etkilenmeksizinyoluna devam edip, bir sonraki plakaya giriyor veta ki tüm enerjisini kaybedip durdurulana ya dabaflka parçac›klara dönüflene kadar, ayn› sürecitekrarlay›p duruyor. Sonuçta, telli odalarda kay-dedilmifl olan etkinlik düzeyi ölçümlerinin topla-m›ndan, parçac›¤›n katman giriflindeki enerjisi he-saplanabiliyor.

‹z saptama katman›n›n d›fl›nda; elektron, po-zitron ya da fotonlar› durdurarak enerjilerini öl-çen elektromanyetik kalorimetre bulunuyor. Bukalorimetrede kurflun plakalar kullan›l›yor ve ka-lorimetrenin ad›, bu katmanda yer alan ve ikincilparçac›klara yol açan etkileflimlerin elektroman-yetik türde olmas›ndan kaynaklan›yor. Bu neden-ledir ki, elektromanyetik kalorimetre, yüksüz fo-tonlarla, yüklü elektron ve pozitron gibi hafif par-çac›klar› durdurabiliyor. Hadronlarla müonlar›ysa,pek etkileyemiyor. Hadronlar, kurflun yerine de-mir plakalar kullanan hadron kalorimetresindedurduruluyor. Bu arada uzun mesafeler katettik-lerinden, hadron kalorimetreleri, elektromanyetikkalorimetrelerden çok daha kal›n oluyor. Kuark-lardan oluflan hadronlar, enerjilerinin tümünü bukatmandaki demir atomlar›yla güçlü etkileflime gi-rerek kaybediyorlar ve kalorimetrenin ad› bura-dan geliyor. Yollar›na devam eden müonlar›nenerji ölçümüyse, en d›fltaki, demir ya da alumin-yum plakalar kullanan müon kalorimetresinde ya-p›l›yor. Müon kalorimetresi girdi olarak, hadronkalorimetresinden parçac›k ya¤muruna yol aç-maks›z›n geçmifl olan yüklü parçac›klar› al›yor.Onlar da, elektronun yaklafl›k 200 kat› (106MeV)kütleye sahip bulunan ve 2,2 mikrosaniye ortala-ma ömürle bozunan karars›z bir lepton olanmüonlar oluyor ve burada, atomlarla çarp›flmalar›s›ras›nda, 'ikincil parçac›k' ya¤murlar›na yol aç›-yorlar. Yaln›zca nötrinolar, dört katman› da geçipgidiyor ve bunlar›n enerjileri ölçülmek yerine, öl-çülemedi¤inden, enerjinin korunumu ilkesindenhesaplan›yor.


Çok Katmanl›Dedektörler

Dünyadaki en büyük h›zland›r›c›lardanbirisi; Avrupa ülkelerinin, Fransa-‹sviçre s›n›-r›nda ortaklafla infla etmifl olduklar› CERN(Centre d'Europe pour Rescherches Nuclear)parçac›k fizi¤i laboratuvarlar›nda bulunuyor.Daha do¤rusu bulunuyordu. Tesis, çeflitlido¤rusal ve dairesel h›zland›r›c›lardan oluflu-yordu. Yap›m›na 1950 y›l›nda bafllanm›fl, fa-kat zamanla, daha büyük ve güçlü h›zland›r›-c›lar›n eklenmesiyle gelifltirilmifl olan LEP(Büyük Elektron - Pozitron Çarp›flt›r›c›s›)2000 y›l›ndan itibaren 27 km’lik halka biçim-li tünelini, çok daha güçlü olan ve elektronve pozitronlardan çok daha a¤›r olan proton-lar› çarp›flt›rarak flimdiye kadar bulunama-m›fl egzotik kuramsal parçac›klar bulunaca¤›umulan LHC’ye (Büyük Hadron Çarp›flt›r›c›-s›) b›rakmaya haz›rlan›yor.

Eski h›zland›r›c›lar hala, yenileriyle birlik-te, ön h›zland›rma amac›yla kullan›l›yor. Yu-kar›daki resimde tesisin havadan görünüflü,sa¤ alttaki flekildeyse içerdi¤i çeflitli bileflen-lerin flemas› var. Laboratuvarda elektron vepozitron gibi görece hafif parçac›klar›n ya-n›nda, protonlar ve kurflun gibi a¤›r iyonlarda h›zland›r›l›yor. Fakat en büyük h›zland›r›-c›s›, daha çok elektron-pozitron yokedilifli de-neylerinde kullan›lmak amac›yla yap›lm›fl.

Bunun için, ›s›t›lan bir metalin sald›¤›elektronlar, sa¤ alt köfledeki 'ön enjektör' sis-teminin (LPI, Lep Pre-Injecto) do¤rusal h›z-land›r›c›s›nda (LIL, Lep pre-Injector Linearaccelerator) 200 MeV enerji düzeyine h›zlan-d›r›l›yordu. LIL'in orta k›sm›nda, bu elek-tronlar›n bir k›sm› sapt›r›l›p, kalan› a¤›r birmetalle çarp›flt›r›lmak suretiyle pozitronlarelde ediliyordu. Elde edilen pozitronlarlaelektronlar, do¤rusal h›zland›r›c›n›n sonrakiaflamalar›na yönlendirilip, 600 MeV'a kadarh›zland›r›l›yordu. Daha sonra bir süre için,ön enjektör sisteminin 'elektron pozitronaküsü'nde (EPA, Electron Positron Accumu-lator) yörüngelere oturtulup, ters yönlerde

dönmeye b›rak›l›yorlard›. Öyle ki, s›rada da-ha fazla elektron ve pozitron üretilip birikti-rilebilsin. Yeterince birikim sa¤land›¤›nda,elektronlar ve pozitronlar, dairesel bir h›zlan-d›r›c› olan 'proton senkrotronu'na (PS, Pro-ton Synchrotron) gönderiliyordu. ‹ki parça-c›k demeti; ayn› tüpün içerisindeki, birbirin-den yeterince uzak yörüngelerde ve z›t yön-lerde döndürülerek, 3.5 GeV'a kadar h›zlan-d›r›l›yordu.

Daha sonra, elektronlar TT70, pozitron-lar da TT2 ve TT10 ba¤lant› hatlar› üzerin-den, daha büyük bir dairesel h›zland›r›c› olan'süper proton senkrotronu'na (SPS, SuperProton Synchrotron) yönlendiriliyordu. Par-çac›k demetleri burada 22 GeV'a h›zland›r›l-d›ktan sonra, en büyük dairesel h›zland›r›c›olan 'büyük elektron pozitron' h›zland›r›c›-çarp›flt›r›c›s›na (LEP, Large Electron Posit-ron collider) gönderiliyordu. ‹ki demet bura-da 104 GeV'a kadar h›zland›r›l›p, sonundaçarp›flt›r›l›yordu. H›zland›rma ifllemi, sa¤ üst-te bir örne¤inin resmi görülen 'süperiletkenradyofrekans odalar›'nda yap›l›yordu. Böylebir odada oluflturulan ve yüksek frekansla sa-l›nan elektrik alan›, içinden geçen parçac›kla-r› h›zland›r›yordu.

Örne¤in, elektron gibi yüklü bir parçac›k,1 V'luk gerilime eflde¤er bir elektrik alan›üzerinden ivmeledirildi¤inde, 1eV'luk kinetikenerji kazan›yor ve GeV düzeylerine t›rmana-bilmesi için, toplam olarak milyarlarca volt-luk gerilimden geçirilmesi gerekiyor. Dolay›-s›yla, ifllemin tamam›, ›fl›n tüpü boyunca ara-l›klarla yerlefltirilmifl bulunan, bir ya da dahafazla radyofrekans odas›nda, kademeli olarakgerçeklefltiriliyordu. Her aflamadaki sal›n›m-lar›n frekans›, parçac›klara ek kinetik enerjikazand›racak flekilde ayarlan›yordu. Yandakiflekilde, tesisin ön enjeksiyon sisteminde gö-rev yapan bir do¤rusal h›zland›r›c› kesiti gö-rülüyor. Bu kesit, protonlar› 50MeV'a kadarh›zland›rabiliyor. LEP h›zland›r›c›s›ndaysa,100GeV'›n üzerine ç›k›labiliyordu.

LEP, CERN laboratuvarlar›ndaki en bü-yük elektron h›zland›r›c›s›yd›. Dairesel çevre-si 27 km ve ›fl›nlama tüpünün tamam›, yerinen az 100 m alt›nda infla edilmifl olan bir tü-nele yerlefltirilmiflti. ‹çerisinde 3368 m›kna-t›sla 272 süperiletken ivmelendirme ad›m›vard›. Deneyler s›ras›nda bütün bu parçala-r›n, -269 °C'ye kadar so¤utulup bu s›cakl›ktatutulmas› gerekiyordu.

Gereken yüksek enerjileri sa¤lamak için,parçac›klar dairesel yörüngelerde defalarcadöndürülüp ivmelendiriliyordu. M›knat›slar,parçac›klar› belli yörüngelerde kalmaya zorlar-ken, özel elektrik alanlar›, parçac›klar›n enerji-sini her dönüflte biraz daha art›r›yordu. Parça-c›klar LEP'in çevresinde, dört ivmelendirmeaflamas›ndan geçiyor ve her dönüfllerinde400MeV enerji kazanarak, 104GeV'a kadar ç›-kabiliyorlard›. Alttaki resimde LEP tünelindenbir k›s›m görülüyor ve yar›çap› çok büyük oldu-¤undan, neredeyse düzmüfl gibi görünüyor.

Tüpün içerisinde ayn› anda dört elektron vepozitron demeti, ›fl›k h›z›na çok yak›n h›zlarla


CERNsüper proton senkrotronu

dolaflabiliyordu. Elektron-pozitron demetlerini,h›zland›r›c›n›n çevresindeki dört ayr› noktadaçarp›flt›rmak mümkündü. Deneylerin yap›ld›¤›bu noktalarda, dört büyük dedektör vard›. Bili-madamlar›, çarp›flma s›ras›nda olup bitenlerikaydeden bu dedektörler sayesinde, hangi par-çac›klar›n, hangi enerji ve momentumla üretil-diklerini inceleyebiliyorlard›. Bu dört dedektö-rün en büyü¤ü DELPHI idi. DELPHI, 1989 y›-l›nda LEP'le birlikte çal›flmaya bafllam›fl. 2000y›l›ndaysa, ayn› tünelde LHC h›zland›r›c›s›n›nyap›m›na bafllanmak üzere, veri al›m› durduru-lup, devre d›fl› b›rak›lm›fl. Afla¤›da, üst ortada vesa¤ altta bulunan resimlerde görüldü¤ü gibi, si-lindir fleklindeki bir merkez ve iki yan kapakk›sm›ndan olufluyor. Çap› ve uzunlu¤u yaklafl›k10 m, toplam a¤›rl›¤› 3500 ton. En önemli bile-flenleri, çeflitli tiplerdeki 20 alt dedektörü.

En d›flta müon odas›n›n, uzun ve düz alu-minyum plakalar fleklindeki baz› bölmeleri gö-rünüyor. Onun alt›ndaki, parlak görüntülü de-mirden tabaklar fleklindeki kal›n halka, had-

ron kalorimetresi. Hadron kalorimetresiyleondan sonra gelen elektromanyetik kalorimet-re aras›nda büyük bir süperiletken m›knat›svar. Bu m›knat›slar›n oluflturdu¤u manyetikalanlar, parçac›klar› sapt›rarak momentumla-r›n›n ölçülmesini mümkün k›l›yor. ‹çe do¤ruilerlerken art arda gelen bölme dizileri, arala-r›nda boflluk kalmamas› için, tam olarak üstüste getirilmeyip, k›smen çak›flt›r›lm›fl.

Afla¤›da soldaki resimde, DELPHI dedek-törünün ›fl›n tüpüne en yak›n konumda bulu-nan Vertex dedektörünün içi görülüyor. D›flkatman›n yar›çap› 10 cm kadar. Merkezdekidikdörtgen plakalar, silikondan yap›lm›fl yar›-iletken belirleyiciler. Dedektörün 'zaman kes-tirimi bölmesi'nde, ('TPC, Time ProjectionChamber'), 'sürüklenme odas›' tekni¤i kulla-n›lm›fl. Dolay›s›yla, parçac›k konumlar› bü-yük bir duyarl›l›kla belirlenebiliyor.

LEP 1989-2000 y›llar› aras›nda çal›flt›k-tan sonra, ayn› tünelde; LHC ('Large HadronCollider') adl› daha büyük bir h›zland›r›c›n›n

yap›lmas› için söküldü. LHC, LEP'ten farkl›olarak, proton demetlerini çarp›flt›racak. Busayede 14TeV'luk çarp›flmalar mümkün ola-cak. ‹nflaat› devam etmekte olan LHC'nin2007 y›l›nda tamamlan›p, çal›flt›r›lmaya al›n-mas› bekleniyor. Yukar›daki flekilde, LHC'dekullan›lacak olan dipol m›knat›slar›n modelivar. Birincil parçac›k demetleri LEP'te ayn›tüp içerisinde h›zland›r›l›rken, LHC'de ayr›tüpler içinde h›zland›r›lacak.

Yeni LHC h›zland›r›c›s›nda, LEP'tekiDELPHI'ye benzer iki büyük dedektöre ekolarak, iki özel dedektör daha bulunacak.Bu son ikisinin adlar› ATLAS ve LHC. AT-LAS dedektörünün yap›s›, DELPHI'ninkinebenzer, fakat çok daha büyük. Tamamland›-¤›nda yüksekli¤i 22, uzunlu¤u 44 m olacak.Altta en sa¤daki flekilde bu dedektörün bi-nas›, yan kapaklar› ve silindir k›sm›n›n iç ke-siti görülüyor. Oranl› çizilmifl insan flekille-rinden dedektörün büyüklü¤ünü kestirmekmümkün.


ATLAS

LHC'de kullan›lacak olan dipol m›knat›slar›n modeli

DELPHI

Documents

hızlandırıcılar