CERN'de neler oluyor?

CERN'deki çalışmalarda yer aldığımı duyan etrafımdaki insanların ilk sordukları sorulardan bazıları "Orada 'Büyük Patlama deneyi' yapıyorlardı değil mi, noldu o, hala devam ediyor mu?" ya da "Aradıkları bir 'Tanrı parçacığı' vardı hani, buldular mı? Eee buldularsa hala ne yapıyorlar" şeklinde oluyor. Büyük Hadron çarpıştırıcısı LHC (Large Hadron Collider) çalışmaya başladığında her yerde büyük ses getirmişti fakat sonrasında sonuçları ve ardından gelen çalışmaları aynı ölçüde bir etki yaratmadı belli ki. Aslında CERN'de hala çalışmaların devam ettiğini, hatta her şeyin beklenenin de üstünde bir performans sergileyerek 2017 için birçok yeni planlar yapıldığını; aynı zamanda CERN'de sadece çarpıştırma deneyleri değil yan taraftaki deneylerin de çok önemli sonuçlar elde ettiğine kısaca değinmek istiyorum.

Öncelikle Higgs parçacığı konusunu açığa kavuşturalım. 2012 yılındaki birbirinden bağımsız iki deney grubu olan ATLAS ve CMS tarafından keşfinin ardından, LHC'de çarpışmalar devam ediyor çünkü parçacığın keşfi ile bütün sorunlarımız halledilmiş değil maalesef. Higgs'in özelliklerinin parçacık fiziğinde bildiklerimizi ifade eden 'Standart Model' teorisi ile uyumluluğu, farklı farklı durumlar için nasıl davrandığı gibi sorular çarpışmaların enerjisi ve çarpışma sayılarının arttırılmasıyla incelenmeye devam ediliyor. Ayrıca LHC gibi müthiş büyüklükteki bir deneyin peşinde olduğu sorular yalnızca Higgs'den ibaret değil. Hali hazırda çarpışmalarda 'bildiğimiz fizik'ten farklı bir gözlem ile Standart Model'deki birçok problemi halledebilecek Süpersimetri teorileri, karanlık madde adayı parçacıkların araştırılması, evrenin ilk başlarındaki koşulları ifade eden Quark-Gluon plazmasının özellikleri, evrenin ilk anlarında madde ve anti-madde arasındaki bir simetri kırılması ile şu anda etrafımızda sadece 'madde'nin olmasını açıklamaya çalışan araştırmalar LHC'nin ajandasında yer alıyor.



LHC için 2016 rekorlara imza atılan bir yıldı. Çarpıştırıcının elde edebileceği çarpışma enerjileri her geçen yıl yapılan değişiklikler ve güncellemelerle aşamalı olarak arttırılmış ve 13 TeV'a kadar çıkmış bulunuyor (1 eV, bir elektronu 1 Volt elektrik potansiyel farkını kat ederek kazandığı enerjiye karşılık geliyor ve parçacık fiziğinde standart enerji birimi olarak kullanılıyor. 13 TeV ise $10^{12}$ eV.) Yılın yaklaşık %50'sinde aktif çarpışmalara devam eden LHC bu müthiş performansı ile 6.5 milyon kere milyar ($6.5 \times 10^{15}$) çarpışma kaydederek beklenin %60 fazlasına ulaştı. Bu çarpışma sayısı geçmişteki toplam üç çarpışma döneminde elde edilenin toplamından daha fazlasına karşılık geliyor. Tek kelimeyle rekor bir değer. Parçacık fiziğinde ne kadar fazla çarpışma elde ederseniz yapacağınız analizlerde de sonuçlarınız bir o kadar istatistiksel olarak anlamlı olur, yani aradığınız sinyali daha net gözleyebilirsiniz.

Proton-kurşun çarpıştırmalarında ATLAS dedektörünün elde ettiği verilerde en ağır kuark parçacığı 'top-kuark' ve anti parçacığı 'anti-kuark' elde edildi. 

Aralık ayında tamamlanan bu çarpıştırma döneminin hemen ardından, teknik aranın öncesinde dört hafta boyunca proton-proton çarpıştırmalarından farklı olarak 'kurşun-proton' çarpıştırmaları gerçekleştirildi. Bu çarpışmalar tipik proton-proton çarpıştırmalarından daha farklı bir dinamiğe sahipler ve bunun için de ayrı bir veri alım prosedürü takip ediliyor. Farklı kütledeki parçacıkları çarpıştırmak yanında birçok problemi de getiriyor. Her şeye rağmen bu çarpıştırmalarda da yine rekor sayıda çarpışma elde edilmiş bulunuyor. Proton-kurşun çarpışmaları parçacık fiziğinde 'ağır-iyon araştırmaları' olarak geçen ve ilk başta da bahsettiğim evrenin oluşumu sırasında çok yüksek sıcaklıklara karşılık gelen, proton ve nötronların yapıtaşları quark ve gluon'ların bir 'çorba' şeklinde olduğu plazma durumun özelliklerinin incelenmesinde büyük rol oynuyorlar.

2016 bu şekilde rekorlarla bitmişken, 2017'ye de büyük hedefler ve umutlarla girmiş durumda. Mart ayına kadar sürecek teknik arada dedektörlerin bakımları ve yükseltmeleri yapılıp, yeni çarpışmalar için hazırlanılacaklar. Öngörülen çalışmaları özetleyen CERN'ün genel direktörü Fabiola Gianotti'nin konuşmasını aşağıdaki videoda bulabilirsiniz.



CERN'deki çalışmalar LHC'den ibaret değil demiştik. Çarpıştırma fiziğinin dışında birbirinden farklı farklı yöntemler kullanarak birçok temel fizik problemine çözümler arayan onlarca grup daha bulunuyor CERN'de; özellikle son zamanlarda bu gruplar çok önemli sonuçlar elde etti gerçekten. Bunlardan öne çıkanlardan biri olarak ALPHA deneyinin ilk defa 'anti-hidrojen'in tayfını elde etmiş olması sayılabilir. Anti-hidrojen, bildiğimiz proton ve elektrondan oluşan hidrojen atomunun 'anti' hali, yani içerdiği parçacıkların tüm özellikleri aynı iken sadece yükleri tam tersi: çekirdeğinde eksi yüklü bir anti-proton, yörüngede de artı yüklü bir anti-elektron (pozitron) parçacığından oluşuyor. Bildiğimiz hidrojenin yükü değiştirilmiş simetrik hali diyebiliriz. Bu şekilde anti-parçacıklardan oluşan elementler elde etmek, anti-parçacıkların normal parçacıklarla bir araya geldiklerinde birbirlerini 'imha' ederek enerjiye dönüşmeleri nedeniyle hiç de kolay bir şey değil.

Alpha deney alanını gösteren bir görsel

Etraflarındaki madde ile etkileşmemeleri için çok güçlü tuzaklarla tutulan bu anti parçacıklarla oluşturulmuş anti-hidrojenin, yapılan çalışmada ilk defa tayfı ölçüldü. Yani elektronun yörüngesinde farklı farklı seviyeler arasında geçiş yaparken dışarı saldığı ışınım incelendi ve bunun normal hidrojeden belirgin ölçüde farklı olmadığı ortaya kondu. Bu problem çok önemli, çünkü madde ve anti-maddenin davranış olarak varsa birbirinden farklılıkları evrenin ilk başlangıcında yük korunumu nedeniyle oluşacak maddeye eşlik eden anti-maddeyi şu anda etrafımızda gözleyemiyor oluşumuzu açıklama potansiyeline sahip. Fizikte CP (charge-parity) - violation olarak adlandırılan ve evrenin başlangıcındaki bu durumu açıklamaya çalışan teoriler için bu tip deneyler büyük önem taşıyor.

CP-violation konusunda bu ay LHCb deneyinin elde ettiği sonuçları da bir kenara not etmek gerekir. Deney Nature Physics dergisinde, en iyi bildiğimiz üyeleri proton ve nötron olan 'baryon' adını verdiğimiz parçacık ailesinin anti-parçacıkları ile davranışları arasındaki farkları (yani simetri kırılmalarını) ortaya çıkardığını iddia eden sonuçlar yayınladılar. Geçmiş üç senenin LHC verilerini inceleyen ekip buldukları sonucun parçacık fiziğinde 'keşif' için gerekli $5 \sigma$ istatistiksel kriteri henüz sağlamıyor olsa da önümüzdeki yıllarda birikecek veri ile önemli bir keşfe doğru ilerlediği düşünülüyor.

Son olarak da çalışmalarına katkı koyduğum CAST deneyinde neler oluyor, ona değinelim. CAST deneyi geçtiğimiz hafta itibariyle KWISP dedektörü ile veri alımlarına başladı. KWISP - Kinetic Wisp Detector olarak geçiyor ve karanlık enerji adayı 'chameleon' adı verilen parçacıkları opto-mekanik bir yöntemle arıyor. Süpermıknatısın arkasına bu sefer X-ışını teleskobu ardına yerleştirilen dedektör sabah Güneş doğarken yaklaşık bir saat boyunca veri alıyor ve gün içerisinde de düzenli olarak 'arkaplan' verisi topluyor. Bir hafta daha sürecek veri alımının ardından dedektör üzerindeki geliştirmeler devam ederken ben de verilerin analiziyle uğraşıyor olacağım. Tez çalışmamın konusu olan bu dedektör ve CAST deneyi hakkında detaylı bilgi edinmek iiçin Türk Astronomi Derneği'nin yayınladığı Gökyüzü Bülteni'nin en yeni sayısını [Kasım-Aralık 2016] inceleyebilirsiniz.

KWISP opto-mekanik sensörü; ortada 'chameleon' parçacıklarının uyguladıkları kuvveti ölçecek ince bir zar, iki yanda girişimölçer için kullanılan aynalar yer alıyor.

CERN'de devam eden çalışmaları kısaca özetlemiş olduk. CERN'de bulunduğum süre boyunca da buradan kısa haberler paylaşmaya devam edeceğim. Geçen yaz her hafta CERN Günlükleri yazıları yazıyordum, bu sefer bu deneyimlerimi farklı bir amaçla kullanmak için şimdilik kendime saklıyorum, fırsat buldukça yine de güncellemeler paylaşmaya çalışacağım.

CERN'den selamlar!