Evrene yöneltilen sorunun yapısına göre duruma uygunluk gösterecek farklı hızlandırıcılar kullanmak gerekiyor. Gelin şimdi deneysel yüksek enerji fizikçilerinin kullandığı başlıca hızlandırıcı türleri olan sinkrotronları, siklotronları ve linakları tanıyalım.

Sinkrotron: Ağırlık Kaldırıcı

Sinkrotronlar, enerjileri en yüksek olan parçacıkları hızlandırmakta kullanılırlar. Elbette sinkrotron tipindeki parçacık hızlandırıcı listesinin en tepesinde CERN'in ünlü Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) var. LHC parçacıkları kafa kafaya çarpıştırmadan önce 6,5 trilyon elektronvoltluk bir enerjiye kadar hızlandırabiliyor.

Sinkrotronlar, tipik olarak parçacıkların dairesel bir yol izledikleri kapalı çemberler biçiminde oluyor. Bazı çeşitlerinde ise eğimlerin arasında düz bölümler bulunabiliyor. Parçacıklar hızlandırıcıya giriş yaptıktan sonra, dairesel tünellerin içinde dönüyorlar.

Çember boyunca bulunan radyofrekans oyukları, parçacıkların hızını arttırıyor. Çeşitli türlerde mıknatıslar elektromanyetik alanlar üretiyor ve böylece parçacık demetleri bükülerek odaklanabiliyor. Parçacıklar hızlanırken, elektromanyetik alanlar da yavaş yavaş büyütülüyor. Hedeflenen enerji düzeyine ulaşmak için parçacıklar LHC'de yaklaşık 20 dakikada 14 milyon tur atıyor.

Araştırmacılar hızlandırılmış olan parçacık demetlerini birbirlerine doğru göndererek, parçacık dedektörleri ile çevrili konumlarda çarpışmalarını sağlıyorlar. Demetler çarpıştığında gerçekleşen parçacık çarpışma sayısı oldukça düşük oluyor. Ancak işlem çok kez yinelendiği için araştırmacıların elinde çok sayıda çarpışma verisi toplanabiliyor.

Sinkrotronların gücü, onları özellikle evrenin en temel yapıtaşlarının incelenmesine uygun kılıyor. Örneğin fizikçilerin LHC çarpışmaları arasında Higgs bozonuna ilişkin kanıt gözlemlemeleri, hızlandırıcının parçacıkları öylesine yüksek enerjilere çıkarması sayesinde gerçekleşti.

LHC birincil olarak proton-proton çarpışmaları yapıyor, ama kurşun gibi ağır çekirdekleri de hızlandırabiliyor. Farklı tür parçacıkları hızlandırmak için özelleştirilmiş başka sinkrotronlar da var. New York'da bulunan Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndaki RHIC çarpıştırıcısı, protonlardan uranyum çekirdeklerine dek her şeyi hızlandırabiliyor. Ağır iyonları çarpıştırarak kuark-gluon plazması üretebilmek de, RHIC'in yetenekleri kapsamında bulunuyor.

Siklotron: Yük Atı

Önceki başlıkta incelediğimiz sinkrotronlar, aslında siklotron adı verilen bir başka dairesel çarpıştırıcı türünün ardıllarıdır. Siklotron tipi parçacık hızlandırıcı, parçacıkları merkezden başlayarak sarmal bir yol izleyecek biçimde hızlandırır.

Tıpkı sinkrotronlar gibi, siklotronlar da parçacıkları dairesel yol izleyecek biçimde bükmek için devasa elektromıknatıslardan yararlanır. Bununla birlikte, sadece tek bir mıknatısların olur, ki bu da büyüklüklerini sınırlayan etkendir. Metal elektrotlar kullanarak, parçacıkları giderek genişeyen çemberlerde ilerleyecek biçimde iterler ve sarmal bir yol izlemelerini sağlarlar.

Siklotronlar genelde müon ya da nötron gibi belli bir tür parçacıktan bol miktarda üretmek için kullanılırlar. Ayrıca tıbbi araştırmalarda da yaygındırlar; çünkü medikal izotoplar üretmek için gereken enerji aralığına ve yoğunluğa sahiptirler.

Dünyanın en büyük siklotronu Kanada Vancouver'da bulunan TRIUMF hızlandırıcısıdır. Bu makinede fizikçiler düzenli olarak parçacıkları 520 milyon elektronvolt'a hızlandırır. Deneyler için gereken farklı enerjilerdeki parçacıkları, hızlandırıcının farklı bölümlerinden çekip alabilirler ve amaçları doğrultusunda kullanabilirler.

Linak: Nokta Atışı

Durağan ve yoğun bir parçacık demeti gerektiren uygulamalar ya da deneyler için çizgisel (lineer) hızlandırıcılar uygun bir seçimdir. Dünyadaki en uzun linak SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'nda bulunuyor. Uzunluğu 2 mil ve parçacıkları 50 milyar elektronvolta kadar hızlandırabiliyor. Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'nda kullanılan daha kısa bir linak da, başka bir hızlandırıcıya gönderilmeden önce parçacıkların ön hızlandırmasının yapılması için kullanılıyor. Daha sonra sabit bir hedefe yönlendirilen parçacıklar, bu sayede dünyanın en yoğun nötrinı demetini yaratabiliyorlar.

Dairesel hızlandırıcılarda istenilen enerji düzeyine ulaşmak için parçacıkları çok kez döndürmek gerekirken, çizgisel hızlandırıcılar parçacıkları daha çabuk hızlandırır. Bir uçtan düşük enerji ile giren parçacıklar, linak boyunca elektromanyetik alanlar ile hızlandırılır. Parçacıklar eğimli bir yol izlerken, ışınım biçiminde enerji salarlar. Düz bir hatta ilerlemeleri ise bu enerjiyi kendilerine saklayacakları anlamına gelir.

Siklotronlar gibi linaklar da medikal izotop üretiminde kullanılıyor. Ayrıca kanser tedavisi için ışınım demetleri yaratabiliyorlar.