Atom altı parçacıkları neredeyse ışık hızını yakalayacak kadar hızlandıran, daha sonra bu hızlandırılmış parçacıkları çarpıştırarak atomların ve atom altı parçacıkların doğasını anlamaya yarar diyebiliriz. Aslında çok basitleştirilmiş bir tanımdır bu. Bildiğimiz üzere ışık hızını yakalamak günümüz şartlarıyla imkansızdır. Bir parçacığı ya da herhangi bir maddeyi ışık hızına ulaştıramasak da ışık hızına oldukça yakın bir hıza ulaştırabiliyoruz. Oldukça yakın bir hızdan kastımız burada ışık hızının %99’u olsa da bu %1’lik fark bile tahmin edemeyeceğiniz kadar büyük bir fark. Yine de ışık hızına bu denli yakın hızlara çıkmak başlı başına zorlu bir süreçtir. Ek olarak bir de bu hızlardaki parçacıkları çarpıştırması ve bunu gözlemlemesi vardır. Çıkan sonuçları analiz etmek, günümüz sorunlarına çözüm aramak da bu işin zorlu kısımlarından diyebiliriz.
 

Parçacık hızlandırıcıların amacı, evrenin sırlarını açığa çıkarmak gibi abartılı bir söylemle anlatılıyor. Doğada bulunan atom altı parçacıkların yapısını, davranışlarını, farklı hallerini anlayarak evreni anlamlandırmak için yapıldı diyebiliriz. Evreni anlamaya yönelik fizik bilimiyle alakalı deneylerin haricinde tıp ve malzeme bilimi gibi alanlarda da kullanılıyor. Kanser tedavisinde uygulanan proton terapisi ve malzemelerin atomik düzeylerde incelenmesini buna örnek olarak verebiliriz.

Parçacık hızlandırıcıların çalışma prensibinin temelinde elektrik alan ve manyetik alan teorisi yatıyor. Yüklü parçacıkları hızlandırmak için elektrik alan, hızlandırılan parçaların istenilen yörüngede kalması için de manyetik alan kullanılıyor. Daha detaylı değinecek olursak elektrik alanlar, parçacıklara uyguladığı elektriksel kuvvet sayesinde parçacıklara kinetik enerji kazandırır. Genellikle elektrik alanlar radyo frekansı kullanılarak oluşturulur ve parçacıkların o alandan geçiş zamanına göre senkronize edilir. Böylece parçacıkların her o elektrik alandan geçtiğinde kinetik enerjisi ve dolayısıyla da hızı artmış olacaktır. Peki biz parçacıkları yeteri kadar hızlandırdık diyelim. Bu parçacıklar kontrolden çıkmaz mı?

Sonuçta ışık hızına çok yakın bir hızdan bahsediyoruz. İşte bu durumda devreye manyetik alan giriyor. Parçacık hızlandırıcılarda genellikle güçlü elektromıknatıslar kullanılır. Bunun sebebi tabi ki de parçacıkların çok yüksek hıza ulaşmasıdır. Gittikçe enerjisi artan bu parçacıkları istenilen yörüngede tutmak için birçok güçlü elektromıknatıs sisteme yerleştirilir. Elektromıknatısların oluşturduğu manyetik alanın gücünün parçacıkların hızlarına bağlı olduğunu söyleyebiliriz.

Kısaca özel yapılmış tünellerin içinde elektrik alan ile hızlandırılan ve manyetik alan ile hizada veya yörüngede tutulan parçacıklar, istenilen enerji seviyesine ulaştığında çarpıştırılarak daha büyük enerjinin açığa çıkmasıyla istenilen çalışmanın elde edilmesiyle parçacık hızlandırıcıların çalışma prensibini açıklayabiliriz.


 

CERN’de bulunan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın İçinden Bir Kesit

 

İki çeşit hızlandırıcı tipi vardır. Çizgisel hızlandırıcılar adı üzerinde olduğu gibi doğrusal bir çizgi üzerinde konumlandırılır. Bu tip hızlandırıcıların asıl amacı parçacıkların çarpıştırılmasındansa hızlandırılması üzerinedir. Burada parçacıklar, sıralı halde dizilmiş elektrotların arasında oluşan elektrik alanlar sayesinde hızlandırılır. Tıp alanında da bu tip hızlandırıcılar özellikle kanser tedavileri için kullanılmaktadır. Dünya’da bulunan en uzun çizgisel parçacık hızlandırıcısı Amerika’nın Kaliforniya eyaletinde bulunan Stanford Üniversitesi’ndedir. SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), yaklaşık 3 km uzunluğa sahiptir ve 1966 yılında kurulmuş olup dönemin fizik deneylerine ev sahipliği yapmıştır. Bu çizgisel parçacık hızlandırıcı çarpıştırma işlemi harici hala faaliyetlerine devam etmektedir.


 

Amerika’da Bulunan Fermilab Hızlandırıcı Laboratuvar’ı ve İçindeki Parçacık Hızlandırıcı Tevatron

Aslında parçacık hızlandırıcı kavramını duyduğumuzda aklımızda dairesel hızlandırıcıların canlanması daha olasıdır. Filmlerde ve dizilerde gördüğümüz o tip hızlandırıcılardır işte. Dairesel hızlandırıcılar parçacıkların çarpıştırılması için daha uygun bir yapıya sahiptir. Büyük daire şeklinde tünellerin içine parçacıklar yine elektrik alanlar sayesinde hızlandırılır ve güçlü elektromıknatıslar yardımıyla dairesel yörüngede hareketine devam eder. Son olarak parçacıklar istenilen hıza ulaştığında ise kafa kafaya çarpıştırılarak büyük bir enerji ortaya çıkar. Bu çarpışma sonucu gelişmiş dedektör sistemleriyle veriler elde edilir. Elde edilen veriler neticesinde derin bir analiz süreci başlar. Çarpışma sonrası yeni bir parçacığın oluşup oluşmadığı, bilinen teorilerle deneyin uyuşup uyuşmadığı, daha önce görülmemiş bir madde veya kuvvet olup olmadığı, elde edilen verilerle bilim adamlarının ulaşmaya çalıştığı sonuçlardan bazılarıdır. Belki de herkesin en az bir kere duymuş olduğu CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı dünya üzerinde bulunan en büyük parçacık hızlandırıcısıdır.


Bunu Biliyor muydunuz?

Eskiden evlerimizde bulunan tüplü televizyonları hatırlıyorsunuzdur. Size bu tüplü televizyonların aslında birer parçacık hızlandırıcı olduğunu söylesem ne düşünürdünüz? Tabi günümüzdeki parçacık hızlandırıcılara kıyasla oldukça basit ve ufak kalıyor. Ayrıca günümüzdeki televizyonlar farklı piksel tekniğiyle çalışmakta. Bu tüplü televizyonların içinde Katot Işın Tüpü yani CRT (Cathod Ray Tube) mekanizması bulunuyor. Televizyonun arkasında bulunan katottan elektronlar boşluğa doğru fırlatılır. Bu elektronlar hızlandırılarak ve yönlendirilerek ekrandaki fosfor kaplı yüzeye çarptırılır. Ekrana çarpan her bir elektron sonucu bir piksel parlar ve bizler de bu piksellerin parlamasıyla görüntüyü elde ederiz. Eskiden televizyonu kapattıktan sonra elimizi ekrana değdirdiğimizdeki o ufak elektriklenmenin sebebi bu olsa gerek.
 

İsviçre ile Fransa’nın sınırlarında bulunan CERN’de dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısı yer alıyor. Parçacık hızlandırıcılardan bahsederken bu makineden söz etmemek haksızlık olur. Dünya genelinde toplam 30000 civarı hızlandırıcı bulunmaktadır. Bahsedeceğimiz hızlandırıcı ise aralarındaki en büyük ve en güçlü olanı. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, yaklaşık 27 km uzunluğunda ve 175 metre derinlikte bulunan bir dairesel hızlandırıcıdır. 2008 yılında kurulan hızlandırıcıda ilk çarpışma 2010 yılında gerçekleşmiştir. O günden bu yana faaliyetlerine tam gaz devam edip bilim adamlarının adeta göz bebeği konumundadır.
 

Büyük Hadron Çarpıştırıcısında Çalışan Mühendisler
 

Ek bir bilgi olarak ünlü fizikçi Stephen Hawking, parçacık hızlandırıcılar hakkında verdiği bir demeçte; bu makinelerin evrenin yapı taşlarını anlamak için önemli olmasının yanında insanlığın zaman makinesine en yakın icat ettiği makine olduğunu belirtmiştir.

Bilim hiç durmaksızın bize yol göstermeye devam etmektedir. İnsanlık da bilimin ışığında kendini sürekli güncellemeli ve gelişmelidir. Kim bilir, belki de kısa bir süre içinde parçacık hızlandırıcılardan da gelişmiş bir makine yapabiliriz.



Kaynakça

[1] CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) (1954).
[2] New York Times; As the Large Hadron Collider Revs Up, Physicists’ Hopes Soar by Dennis Overbye, 22.07.2022.
[3] U.S. Department of Energy, How Particle Accelerators Work, 18.06.2014.
[4] Evrim Ağacı, Parçacık Hızlandırıcısı Nedir? Tüplü Televizyonlardan CERN'e, Parçacık Fırlatma Teknolojileri – Ali Mert Turaçlar, 03.03.2021.