Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndan Nasıl Veri Elde Ediliyor?

Bilimciler Higgs bozonunu aslında hiç “görmedi”. Bir protonun içini de hiç görmediler. Karanlık maddeyi ise büyük olasılıkla asla görmeyecekler. Doğanın dokusuna örülü temel desenlerin çoğ..
Fotoğraf: Silvia Biondi, Matteo Franchini, CERN

Bilimciler Higgs bozonunu aslında hiç “görmedi”. Bir protonun içini de hiç görmediler. Karanlık maddeyi ise büyük olasılıkla asla görmeyecekler. Doğanın dokusuna örülü temel desenlerin çoğu, bizim kaba insan duyularımız için bütünüyle erişilemez kalıyor.

Ama bilimcilerin, parçacıkların özellikleri ve etkileşimleri hakkında bilgi edinmeleri için onları görmeleri gerekmiyor. Fizikçiler, parçacık algıçları kullanarak atomaltı dünya üzerinde çalışabilir. Algıçlar (dedektörler), insan gözünün algılayamayacağı kadar küçük ölçekte ve hızlı gerçekleşen olaylara ilişkin bilgi toplayabilir.

Peki nedir bu bilgi ve algıçlar tam olarak bunu nasıl elde eder? Dünyanın en büyük ve en güçlü parçacık hızlandırıcısı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda yapılan deneylerde, her şey ışık hızına yakın bir yarışla başlar.

Bir patlama ile başlıyor

BHÇ, çevresi 27 km olan bir halka şeklinde inşa edildi. Bilimciler, bu halkaya ters yönlerden proton demetleri gönderiyor ve demetler her geçişte biraz daha enerji kazanıyor. BHÇ proton demetlerini maksimun enerji düzeylerine çıkardığında, protonların almış olduğu yol, Güneş ile Dünya arasındaki uzaklığı gidip gelmeye denk oluyor. O kadar hızlı hareket ediyor oluyorlar ki, artık enerjiyi hıza çevirmeyip, etkisel olarak kütle kazanıyorlar.

Protonlar son enerjilerine kadar ulaştığında, ters yönlerden gelen iki demet, BHÇ’nin mıknatısları tarafından, halkada bulunan dört kesişim noktasında çarpışacak şekilde hizalanıyor.

“Işık hızına yakın hızda ilerleyen iki proton kafa kafaya çarpıştığında, aşırı küçük bir uzay hacminde aşırı hızlı bir şekilde bir enerji kabarcığı meydana geliyor,” diyor ATLAS deneyi ekibinden Kuzey Illinois Üniversitesi profesörü Dhiman Chakraborty. “O minik hacimde,  koşullar tıpkı evrenin oluşumundan nanosaniyenin onda biri kadar süre sonrasındaki gibi oluyor.”

Söz konusu enerji, çoğunlukla doğrudan kütleye dönüşür; Einstein ünlü denklemi E=mc2 uyarınca. Böylece, Dünya’nın başka bir yerinde bulunamayan, alışılmadık egzotik parçacıklar ortaya çıkar. Aralarında Higgs bozonlarının da olduğu bu parçacıklar, aşırı derecede kısa ömürlüdür.

“Hemen ve kendiliklerinden, kütlesi daha küçük olan ve daha kararlı olan parçacıklara bozunurlar. Egzotik ebeveyn parçacığın büyük kütlesi yeniden enerjiye dönüşerek, çok daha hafif olan yavrularının ışık hızına yakın bir hızda fırlamasına neden olur,” şeklinde açıklıyor Chakraborty.

Bu ender parçacıklar her ne kadar kısa ömürlü olsalar da, bilimcilerin uzay-zamanın dokusuna ve onun örüldüğü eşsiz alanlara bir bakış atmalarını sağlar.

Bu CMS deneyi olay görüntüsü, bir elektronun ve bir müonun algıçtan geçişini ifade ediyor. (Telif: CMS Collaboration)

Algıça giriyor

Her şey, bir saniyenin trilyonda birinin milyonda biri kadar bir zamanda oluyor. Demet borusunu kapsamalarına ve çarpışmadan sadece birkaç santimetre uzakta olmalarına rağmen, BHÇ algıçlarının, çoğunlukla bir atom çekirdeğinin çapı kadar bir uzaklığı kat edene kadar bozunan yeni ağır parçacıkları görmeleri olanaksız.

Fakat algıçlar, o parçacıkların bozunumlarının yan ürünlerini “görebilir”. Higgs bozonu bir çift fotona dönüşebilir, örneğin. Bu fotonlar, algıç malzemesinin yapıldığı atomlara ve moleküllere çarptığında, ışık kıvılcımları ve enerji şokları salar; tıpkı atmosferden geçen meteoritler gibi. Sensörler bu soluk parıltıları alır ve onları elektriksel sinyallere dönüştürerek, nereye ve ne zaman vardıklarını kaydeder.

“Her bir atım, uzay ve zamanın bir anlık görüntüsüdür. Bize, o yavru parçacıkların algıçta tam olarak nereye, ne zaman ve ne hızla vardıklarını söyler,” diyor Chakraborty.

Tek bir proton-proton çarpışması, çok sayıda yüksek enerjili yavru parçacık üretebilir; bunlardan bazıları da yüzlerce başka parçacık hüzmesi üretebilir. Bu parçacık hüzmeleri algıçlara çarptığında, algılanabilir enerji salarlar ve elektriksel atımlar üretirler. Her bir elektriksel atımın zamanı, konumu, boyu, eni, şekli, yüksekliği ve toplam enerjisi, elektronik bir çıktı okuma kartı tarafından doğrudan veri bitlerine çevrilir.

Tıpkı biyologların hızı, yönü ve sürünün büyüklüğünü incelemek için hayvanların bıraktığı izlere bakmaları gibi, fizikçiler de bu elektriksel atımların biçimine bakarak, geçen parçacıkların özelliklerini belirler. Uzun ve geniş bir elektriksel atım, algıçtan geçmiş olan büyükçe bir parçacık hüzmesine işaret eder. Sivri uçlu bir atım ise küçük bir topluluğun geçip gittiğini belirtir.

Bu elektriksel atımlar, karmaşık bir noktalar ağı oluşturur. Algoritmalar, çok sayıda çarpma arasındaki örüntüleri çabucak belirler ve hemen parçacık enerjilerini ve izlerini çizer.

“Bir sonraki çarpışma öbekleri gelmeden önce neler olduğunu çizmek için sadece birkaç mikrosaniyemiz oluyor. Tüm veriyi saklayamayız; o yüzden müonlar ve elektronlar gibi parçacıkları kabaca çizmek için otomatik sistemler kullanıyoruz. Eğer sınırlı miktarda bilgiye dayalı olarak olay yeterince ilginç görünüyorsa, bu âna ilişkin tüm veriyi saklıyoruz ve ileri çözümleme için tutuyoruz,” diye anlatıyor CMS deneyi ekibinden Boston Üniversitesi öğretim görevlisi Tulika Bose.

Böyle ilginç olaylar, bir dizi başka otomatik sistem tarafından alınarak, nitelik ve özellik açısından değerlendiriliyor. Önceden programlanmış algoritmalar, görüntüdeki başka parçacıkları belirliyor. Tüm bu süreç bir milisaniyeden daha az süre alıyor; yani göz kırpma süremizden daha kısa. Olay verisi, bu aşamayı da geçtiğinde bile, insanlar tarafından incelenme şerefine henüz erişemiyor. Hararetli bir işlenme ve çözümlemeye hazırlanma evresini de atlattıktan sonradır ki, olay verisi insan gözü ile buluşabilir oluyorlar.

İnsanlar Higgs bozonunu göremez ama yan ürünlerinin izini tek bir Higgs-benzeri kökene dek sürerek, onu keşfetmeye yetecek kanıtı toplayabildiler.

Kaynak ve İleri Okuma

Etiket
  • Projelerimizde bize destek olmak ister misiniz?
  • Dilediğiniz miktarda aylık veya tek seferlik bağış yapabilirsiniz.
  • Destek Ol
Yorum Yap (0 )

Yorum yapabilmek için giriş yapmalısınız.

Bunlar da ilginizi çekebilir

Bağış Yap, Destek Ol!
Projelerimizde bize destek olmak isterseniz,
Patreon üzerinden
bütçenizi zorlamayacak şekilde aylık veya tek seferlik bağışta bulunabilirsiniz.
E-Bülten Üyeliği
Duyurulardan e-posta ile
haberdar olmak istiyorum.
Reklam Reklam Ver
Arşiv