CERN Günlükleri: Yine, Yeni Baştan

CERN'e düzenli olarak gidiş gelişlerimin başlangıcından üç yıldan biraz daha fazla geçmiş; bunu ilk geldiğim zamanların heyecanıyla GökGünce'de iki ay boyunca tuttuğum 'CERN Günlükleri' yazılarından teyit ettim. Şimdi tekrar yaklaşık 4 ay boyunca burada olduğuma göre, eski alışkanlıkları devam ettirmek üzere günlüklere tekrar başlamaya karar verdim.

Blogda geçmişteki gelişlerime dair yazdıklarım, yüksek lisans çalışmalarım çerçevesinde çoğunluğu CAST deneyi etrafında dönen yazılardı. Yüksek lisans bitti, ardından doktoraya başladım ve yaptığım işlerin de odağı CAST'tan büyük hadron çarpıştırıcısı LHC'deki büyük deneylerden ATLAS'a doğru kaydı. Y. Lisansım sırasında da daha çok temel servis görevlerine destek vermek adına ATLAS'da ufak işler yapıyor olsam da, şu anda kendimi tamamen ATLAS deneyi çalışanı olarak görmeye başladım diyebilirim.

Deneyde Boğaziçi Grubu olarak sorumluluğumuzda olan bir alt dedektörün - Transition Radiation Tracker (TRT)- yazılım geliştirme çalışmalarına destek veriyoruz. Ekibimiz, LHC'nin çalıştığı zamanlarda, TRT'nin aldığı verilerin belirli kriterleri göz önüne alarak 'veri kalitesinin gözlenmesi'nden sorumlu. Bu çalışmaların yanında, benim asıl çalışmam dedektörün 2021'de tekrar çalışmaya başladığında devreye alınacak yazılımının geliştirmesi üzerine. Halihazırda LHC çeşitli geliştirmeler, değişiklikler ve tamirler için 'Long Shutdown' dediğimiz uzun bir ara vermiş durumda. Sanılanın aksine, fizikçiler ve mühendisler bu arada bir sonraki aşama için hızlandırıcı ve dedektörleri hazır hale getirmek için zamanla yarışıyorlar. Geçtiğimiz yıldan beri TRT'de, üzerinde çalıştığım 'Parçacık Tanımlama' yazılımının geliştirilmesi de bunun bir parçası. Çeşitli yapay öğrenme ve derin öğrenme yöntemleri kullanarak mevcut sistemi iyileştirmeye ve performansını arttırmaya çalışıyoruz kısacası; ileriki yazılarda bu konuya detaylıca değineceğim. Bu çalışma için CERN'ün sağladığı maddi fonla dört ay boyunca Cenevre'de olacağım ve geliştirdiğimiz yazılımın dedektöre entegre edilip büyük ölçekli testlerinin yapılmasında rol alacağım. Önümde epey iş var fakat ATLAS'a böylesi bir somut katkı için epey heyecanlıyım!

Geçmişte birkaç haftalık eğitim, konferans ve toplantılar için gdiş gelişlerimden farklı olarak uzun dönemli kalışım için kendime Fransa tarafında epey güzel bir ev ayarlama fırsatım oldu (CERN tam İsviçre-Fransa sınırında yer alıyor ve buraya gelen çoğu kişi hayatın daha ucuz olması nedeniyle Fransa'da kalıp her sabah İsviçre'ye işine gidiyor). Hemen sınırdaki St. Genis kasabasında, geçmişte geldiğim zamanlarda  sürekli kıyısında yürüyüş yaptığım küçük nehrin hemen dibinde, büyük bir bahçenin ortasında, epey zevkli bir şekilde döşenmiş güzel bir ev buldum; bu sefer epey şanslıydım açıkçası! Solda bu dört ay boyunca yürüyüş/koşu parkurum olacak güzel patikanın bir fotoğrafı bulunuyor.


İlk birkaç günü bulunduğum yere/eve alışmak, ufak ufak çalışma moduna girmek ve önümüzdeki günler için plan yapmak için kullanıp yarın itibariyle yeni "mesaiye" başlayacağım. Birçok toplantı, konferans ve tartışma ile geçecek ayları şimdiden sabırsızlıkla bekliyorum!

Lisanslar için 'Deneysel Parçacık Fiziğine Giriş' önerisi

Lisans hayatının sonlarına gelmiş bir fizik öğrencisinin, deneysel parçacık fiziğine merakını somut çalışmalara dönüştürmek konusunda önerebileceğim birkaç öneriyi aşağıda derledim. Yaz hala bitmedi, fırsatınız olduğunda boş zamanlarda ufak ufak yapabileceğiniz birkaç çalışmayı aşağıda sıraladım. [Bu önerileri bana mail ile ulaşan bir lisans öğrencisine hitaben yazıp, birebir buraya aktardığım için 'sen' dili kullanıyor olacağım.]

• Bilgisayar tarafını mutlaka geliştirmelisin. C++ ve Python'a temeller seviyesinde hakim olmalısın mutlaka. C++ bir sonraki adımda öğrenmen gerekecek ROOT için, Python'da ileri seviye analizler ve temel hesaplamalar için epey işine yarayacak. C++ için Udemy'deki şu ücretsiz derse kayıt olup baştan sona takip etmeni, ve yan tarafta da kendin yapmaya çalışmanı öneririm: https://www.udemy.com/course/free-learn-c-tutorial-beginners/ Python için de Udemy'den yada Türkçe başka kaynaklardan birçok kaynak bulabilirsin [örneğin: http://www.veridefteri.com/category/python-giris/]

• Parçacık fiziğinde analizler için CERN'de geliştirilen ROOT framework'ü kullanılıyor ve bir parçacık fiziği araştırmacısı adayı olarak bu programı ne kadar erken öğrenmeye başlarsan senin için o kadar iyi. Bunun için C++'da temelleri edindikten sonra bir tutorial üzerinden temel uygulamaları yapmayı öğrenebilirsin. Bunun için şu sayfada indirebileceğin dokumanlarla adım adım uygulayabileceğin bir tutorial var: https://indico.cern.ch/event/704163/contributions/2936719/

• Parçacık Fiziğinin temelleri, gerek teorik gerekse de deneysel olarak karşına çıkacak birçok konuyu her sene CERN'de lisans öğrencileri için düzenlenen yaz okulunda verilen derslerden takip edebilirsin. Sana tavsiyem bu dersleri eline defter kalemini alıp, sırasıyla hemen hemen hepsini oturup izlemen [birçoğunu ilk etapta anlamayacaksın ama zamanla bir şeylerin yavaş yavaş oluşmaya başladığını fark edeceksin kafanda]. Derslerin programına şu sayfadan ulaşabilirsin. Üzerlerine tıklayıp açılan sayfada 'Recording' kısmında her birini izleyebilir, slide'larını indirebilirsin: http://summer-timetable.web.cern.ch/summer-timetable/ [Sol üstte 'today' yazan yerden tarihi ilrletip ileriki haftaların içeriğine ulaşabilir, sağ üstte yılı değiştirip geçmiş yıllardaki içeriğe de ulaşabilirsin] Bu dersler konuya yeni başlayan bir lisans öğrencisi için altın değerinde derslerdir ;)

• Biraz programlama ve ROOT ile deneyim kazandıktan sonra CERN'in data'sının bir kısmını açık erişime açtı ve eğitim amaçlı bir çok dokumanın ve örneklerin yer aldığı sitenin içerisine dalabilirsin: http://opendata.cern.ch/ İlk adımda buraya girersen biraz kaybolma ihtimalin var, biraz kendine zaman ver, ufaktan temellerini [çok iyi bir şekilde] at.

• İllaki ben elime kitap alıp çalışan biriyim diyorsan da iki seçenek var: Birincisi klasik, Griffiths'in 'Introduction to Elementary Particles'; ikincisi, ki benim favorim, Thomson'un 'Modern Particle Physics' kitabı. Her ikisi de üçüncü sınıf, modern fizik bilgisinin üzerine inşa edilmiş kitaplar; temel seviyede özel görelilik ve kuantum mekaniği bilgisi gerektiyor. Yaklaşım olarak Thomson'un kitabı çok daha modern ve akıcı, bana kalırsa. Ayrıca CERN'de modern bir parçacık fiziği deneyini, tarihiyle birlikte tanıyıp genel prensiplerini öğrenmek istersen de ATLAS deneyinin 25. yılı adına bu yıl yayınlanan kitabı indirip okumaya çalışabilirsin: ATLAS: A 25-Year Insider Story of the LHC Experiment

• Son olarak da düzenli olarak şu iki sitedeki parçacık fiziği haberlerini, makalelerini takip edebilirsin güncel gelişmeleri takip etmek adına:

• Symmetry Magazine

• Cern Courier

ESIPAP - Okulun Son Haftası

Sabah dokuzdan hemen hemen her gün saat altıya kadar süren ders ve uygulamalarıyla yaklaşık üç haftadır resmen 'suyumuzu çıkarmış' olan ESIPAP okulunda, bu hafta son haftamdı (Geçmiş yazılar için: I - II - III). Okul boyunca heybemde biriktirdiklerimi geri döndüğümde nasıl ve hangi şartlarda kullanabileceğime dair kimi zaman umut dolu, kimi zaman soru işaretleriyle artık yavaş yavaş eşyalarımı toplayıp gitme hazırlıklarına başladım.

Üçüncü haftaki program ilk iki gün boyunca süren kalorimetre ve yapay öğrenme dersleriyle başladı. Parçacık fiziği deneylerinde ortaya çıkan parçacıkların enerjilerini ölçmemizi sağlayan kalorimetre düzenekleri, deneyden deneye materyal, yapı ve çalışma yöntemleri anlamında epey farklılık gösterebiliyor. Sunumda, birçok deneyde kullanılan farklı kalorimetreler çalışma prensipleri ile tanıtılıp ardından önümüzdeki yıllarda LHC deneylerinde yapılacak geliştirmelerde kullanılacak yeni dedektörlerden ağırlıklı olarak bahsedildi. Özellikle CMS'in üzerinde yoğun olarak çalıştığı 'High Granular Calorimetry(HGCal)' dedektörü, birçok anlamda oyunu yeniden tanımlayıp çığır açma potansiyeline sahip görünüyor.

Parçacığın içinden geçerken kalorimetrede bıraktığı enerjiyi (farklı parçacıkları farklı renklerle) gösteren bir simulasyon görüntüsü. CMS'in HGCal dedektörü yukarıda gösterildiği şekilde parçacığın bıraktığı enerjiyi çok yüsek bir çözünürlükle ölçmeye aday.

Bu haftanın bir diğer dersinde ise Yapay Öğrenme (machine learning) yöntemlerine genel bir giriş yapılıp, sonrasında bu yöntemlerin özellikle 'Boosted Decision Trees' (Karar Ağaçları)'nın parçacık fiziği analizlerinde kullanımı detaylı bir şekilde işlendi. Şu ana kadar gördüğüm birçok yapay öğrenme dersinden çok daha farklı bir yönden giriş yapıp, bu alanın bir parçacık fizikçisinin gözünden nasıl göründüğünü gözleme fırsatım oldu. Yapılan sunumun güncelliği açısından ise, sunumu yapan kişinin Deepmind'ın geliştirdiği Alphastar sisteminin daha birkaç gün önce profesyonel Starcraft oyuncularını dize getirdiği gelişmesine bir slayt ayırmasıyla beni benden aldı diyebilirim. Parçacık fiziği analizlerinde yoğun olarak kullanılan ROOT temelli TMVA paketinin, popüler Python arayüzlü derin öğrenme 'framework'u Keras ile uyumlu olduğunu öğrenmek ve bununla ilgili bir uygulama görmek benim için haftanın en büyük aydınlanmasıydı herhalde.

 Yann Coadou'nun Yapay Öğrenme sunumundan bir kare

Çarşamba günü ATLAS deneyinde uzun yıllardır muon sisteminde çalışan deneyimli bir fizikçinin, Laurent Chevalier, harika bir dersini dinlemeye başladık. Yılların deneyimiyle damıttığı ve karşısındakilerin her bahsettiği noktayı anladığından emin olana dek sabır ve özveriyle açıkladığı epey kafa açıcı bir dersti. Bugünün bir diğer önemli noktası ise, buraya geldiğimden beri paralelinde hazırlık yaptığım, ATLAS deneyinde yazılım geliştirme ve operasyonuna destek verdiğim TRT(Transition Radiation Tracker) dedektörünün yıl içerisinde birkaç defa yapılan TRT Days etkinliğinde yapmam gereken sunumdu. Bunun için çarşamba öğleden sonra okuldan ayrılıp CERN'e geçtim ve 'Parçacık Tanımlama' alt toplantısında, Yapay Öğrenme yöntemleri ile elektronları daha iyi ayırt etmek üzerine yaptığım çalışmadaki ilerlememi sundum; epey güzel geri dönüşler alıp, deneyim uzmanları ile fikir alış verişinde bulunma fırsatım oldu. Akşamında da deneyin uzmanlarının bir kısmının katıldığı geleneksel 'TRT akşam yemeği'nde beraber pizzalarımızı yiyip, dedektör ve hızlandırıcılar üzerinden birçok ilginç konuda dönen tartışmalara dahil olma fırsatı edindim.

 Gün boyunca süren toplantının ardından ekipçe bir araya geldiğimiz TRT akşam yemeğinden bir anı

Haftanın dördüncü günü, üçüncü ve son deneyimiz olan silikon dedektörlerin uzun süre parçacık ve ışınıma maruz kalmaları ile ortaya çıkan hasarı ve bunun dedektör performansına etkisine dair bir deney yaptık. CERN'de SSD (Solid State Devices) ekibinin çalışma labaratuarlarına üç saat misafir olarak yeni geliştirmeler için araştırdıkları malzemeleri öğrenip, bizim için örnek olarak hazırladıkları düzeneklerde farklı dozda radyasyona maruz kalmış örneklerin elektronik özelliklerini ölçtük, hazırlayacağımız rapor için notlar aldık.

Perşembe gününün hatta belki de üç haftanın belki de en büyük olayı ise, şu anda uzun süreli verilen ara nedeniyle LHC tünelinde ziyarete açılan deneylerden biri olan, yerin 50 metre altında ALICE deneyini grup olarak ziyaretimiz oldu. Uğraştığımız konular gereği sürekli konuştuğumuz, haftalardır derslerde gördüğümüz dedektörleri 'kanlı  canlı' bir arada, devasa bir deney düzeneği içerisinde görme fırsatımız oldu. ALICE, LHC tünelindeki dört büyük deneyden biri (diğerleri ATLAS, CMS ve LHCb) ve çarpışmalar sonucu ortaya çıkan çok yüksek yoğunluk ve sıcaklığa sahip 'kuark-gluon plazma' ortamını inceleyen bir deney. Yapı olarak iç kısımda bir mıknatıs yardımıyla parçacıkları izlemeye yaran izleyici dedektörler ve dışarıda enerji ölçümünü sağlayan kalorimetrelerle ATLAS ve CMS deneylerine epey benziyor. 2021'de başlayacak yeni çalışmalar için yapılan geliştirmeler çoktan başlamıştı bile. Bu yaz fırsatım olduğu takdirde aynı şekilde ATLAS'ı da ziyaret etmeyi iple çekiyor açıkçası! Ziyaretimiz sırasında çektiğimiz bir kaç fotoğraf aşağıda.

CERN yakınında St. Genis kasabasındaki ALICE deneyinin (yer altında) yer aldığı bina.

Deneyin 50 metre yer altında yer aldığı 'cavern'e inen boşluğun yukarından bir görüntüsü. Deney bölgesini dışarıdan yalıtmak için denektör kalın beton bloklar içine gömülmüş durumda.

 Deneyin yer aldığı bölüme inen asansörde indiğimiz nokta 50.2 metre olarak gösteriliyor.

 ve deneyin açık mıknatıs kapakları ile platform üzerinden panaromik bir görüntüsü.

Bu da ekip olarak dedektörün önünde çektirdiğimiz anı fotoğrafımız :)

Yirmi günü aşkın bir zamandır devam eden yoğun tempolu okulun, benim açımdan sonuna ulaştık; her ne kadar üç haftanın sonunda ben ayrılıyor olsam da, program önümüzdeki beş hafta boyunca devam ediyor olacak. Dedektör simulasyonundan, elektroniğine, üretim metodlarından malzeme bilgisine birbirinden ilginç detaylı derslerle sürecek olan programın geri kalan kısmını önümüzdeki yıl tekrar başvurarak telaffi etmeyi umut ediyorum.

Okul bitmiş olsa da buradaki işlerim henüz bitmiş değil; bu cumartesi yola çıkıp bir hafta boyunca Slovenya, Lübyana'da düzenlenecek bir çalıştay + eğitim etkinliğine katılıyor olacağım, Boğaziçi'ndeki VBS (Vector Boson Scattering) analiz grubumuzdan gelecek bir arkadaşımla. Dönünce bir haftadır başlamış olacak yeni dönem ve yeni sorumlulukları düşünmemeye çalışarak, bu haftayı da verimli ve keyifli bir şekilde geçireceğimi umarak, günlüğü takip edenlere selamlarımızı gönderip deyip bu yazı dizisini de böylece sonlandıralım!

ESIPAP Günlükleri - Karlı bir İkinci Hafta

Fransa'da ESI (European Scientific Institute)'nin düzenlediği ESIPAP dedektör okulundaki ikinci haftayı da tamamladık (önceki iki yazı için: I - II). Geçen haftaki ısınma turlarından sonra bu hafta birçok konuda artık yavaş yavaş detaylara inmeye ve CERN ile ortak hazırlanmış pratik laboratuvar deneylerini yapmaya başladık. Normalde ortalama bir hafta süren okullara alışık olduğumdan, aynı konseptte bir ortamda iki hafta boyunca sabahtan akşama kadar derse girip çıkmak epey yormaya başladı; fakat derslerin içeriği, kalitesi ve böylesi bir fırsatı bir daha  kim bilir ne zaman yakalayacağım gerçeği yorgunluğumu fazlasıyla unutturuyor...

Haftanın ilk gününe 'Deneysel Asroparçacık Fiziği' dersi ile başladık. Astrofizik ve parçacık fiziğinin birçok yönden kesiştiği bu alan özellikle, galaksi içinde veya dışında birçok farklı kaynakta üretilip hızlandırılarak Dünya'ya ulaşan 'kozmik ışınlar'la ilgileniyor. İnsan yapımı hızlandırıcılarda ulaşabileceğimiz enerjilerin birkaç milyar katına kadar çıkabilen enerjilerdeki bu parçacıkların büyük bir kısmını protonlar oluşturuyor. Bu yüksek enerjili parçacıklar Dünya'ya ulaştığında atmoferdeki moleküllerle etkileşip çoğunlukla mezon ailesinden pion adını verdiğimiz parçacıkları üretiyorlar. Bu parçacıkların bir kısmı yüksek enerjili foton yayacak şekilde bozunup atmosferde önüne gelen başka atom ve molekülleri uyarmaya devam ediyor; diğer kısmı ise bozunarak yeryüzünde tespit edebildiğimiz elektronla kütlesi dışında çok benzer özelliklere sahip muon parçacıklarını oluşturuyorlar. Bahsi geçen olayların nispeten düşük enerjili olanları o kadar sık gerçekleşiyor ki, örneğin avucunuzu açtığınızda 1cm²'lik bir bölgeden dakikada ortalama 1 muon geçiyor fakat bu parçacıklar vücudumuzdaki maddelerle çok zayıf etkileştiğinden hiç etkilenmeden geçip gidiyorlar. Bu derste de özellikle bu parçacıkların olası oluşum bölgeleri ve özellikle bahsi geçen müthiş enerjilere ulaşma mekanizmaları üzerinde duruldu. Lisansta astrofizik konularına kafa yorarken bu konularla ilgili Korsika'da bir okula katılmıştım; her ne kadar o zamanlardan beri konuya epey uzak kalmış olsam da hala 'kulak dolgunluğum' olan konular sunumlar boyunca beni fazlasıyla idare etti. Buradaki derslerin en güzel kısmı, hemen teorik dersin ardından yapılan uygulamalar. Bunun için de dersi veren hocanın kendisinin çalıştığı Arjantinde'ki kozmik ışın deneyi Pierre Auger deneyinden bir senaryo üzerine hazırlanmış bir uygulama yaptık. Bize verilen problemleri tahtada çözüp bir protonun atmosferde başlatacağı parçacık selinin nasıl gelişeceğini ve nasıl bir dedektörle hangi hassasiyetle ölçebileceğimizi hesapladık.

Dünya'ya ulaşan kozmik ışınları oluşturan protonların atmosferle etkileşerek oluşturdukları ve yol boyunca bozunmaları ile oluşan parçacıklar şematik olarak gösterilmiş.

Haftanın ikinci dersi 'Parçacıkların Madde ile Etkileşimi' dersiydi; dersi ATLAS deneyinde benim de çalıştığım sinyal analiz kanalının (diboson) ATLAS koordinatörü Lucia di Ciaccio detaylı ve incelikle hazırladığı slaytlarla anlattı. Dedektörlerde parçacıkları gözlemenin en temel prensibini gözlemek istediğiniz parçacığın bir şekilde dedektör materyali ile etkilişime geçmesi oluşturuyor. Bu etkileşim farklı parçacıklar için farklı enerjilerde ve farklı materyallerde farklı farklı oluyor. Örneğin bir foton silikon bir dedektöre girdiğinde eğer düşük enerjiliyse etrafındaki atomları iyonize ederek (elektronlarını koparıp), orta büyüklükte enerjiye sahipse etraftaki elektronlara 'çarpıp' momentum aktaracağı Compton saçılması ile, eğer yüksek enerjiye sahipse etraftaki çekirdeklerin elektrik alanında bir elektron-pozitron çifti oluşturarak ilerliyor. Bu süreçlerin her birinin fiziği farklı farklı ve bu süreçleri etkili bir şekilde tespit etmek için de farklı yöntemler kullanılıyor. Bu konunun 'baş ucu denklemlerinden' biri Bethe-Bloch denklemi ile dersin uygulama oturumunda birçok problem çözüp, farklı farklı enerjilerdeki parçacıkları hangi yöntemlerle ve hangi hassasiyetle tespit edebileceğimizi tartıştık.

Farklı momentumlardaki muon parçacıklarının bakır bir materyalden geçerken birim uzunlukta bıraktıkları enerjiyi gösteren Bethe-Bloch eğrisi. Farklı enerjiler için farklı farklı mekanizmalar baskın olduğundan her momentum aralığı için farklı tespit etme yöntemleri düşünmek gerekebiliyor.

Haftanın üçüncü gününün tamamı, geçen dönem Boğaziçi'nde bir grup y.lisans/doktora öğrencisi grubu olarak aldığımız 'Tracking' dersinde aylarca kafa yorduğum ve ATLAS deneyinde de TRT dedektöründeki işler sebebiyle bir şekilde içinde olduğum 'Parçacık İzleme' yani 'Tracking' konusuna ayrılmıştı. Strasbourg Üniversitesi'nden gelen ve Japonya'daki Belle-II deneyinde çalışan Jérôme Baudot'nun verdiği ders benim için çoğu bildiğim şeyin tekrarı olsa da dönem boyunca çözmeye çalıştığımız problemde takıldığımız noktalar için bir çok fikir verdi. Bahsi geçen problem, hızlandırıcılarda çarpışma sonucu ortaya çıkan yüklü parçacıkların, dedektör içinde manyetik alanlar ve iç içe geçmiş birçok dedektör katmanı kullanarak yolunu takip edip, momentumunu hesaplayabilmek. 25 nanosaniyede bir, ortalama 50-60 çarpışma olduğunu [bu, saniyede ortalama 200 milyon çarpışmaya denk geliyor] ve her bir çarpışmadan 100'lerce yüklü parçacık çıktığını ve bunların her birinin dedektör içinde onlarca iz bıraktığını düşünürseniz, böyle bir ortamda iz sürmenin ne kadar zor olabileceğini hayal edebilirsiniz. Bu durum, 2026'da devreye girecek LHC'nin 'upgrade' edilmiş hali olan High-Luminosity LHC (HL-LHC)'de her 25 nanosaniyede 200'lere kadar çıkacak çarpışma sayısı ile çok ciddi bir problem oluşturmaya aday. Böylesi bir yoğunluğa karşı dedektör seviyesinde getirilen çözümlerin yanında özellikle parçacıkların izlerini oluşturmak için kullanılan algoritmalar konusunda da çok ciddi iyileştirmelere ihtiyaç duyulacak. Bu problemlerin çözümünü derin öğrenme gibi ileri istatistiksel yöntemlerle arayan birçok grup var ama henüz tatmin edici bir sonuç alabilen yok.

HL-LHC ile birlikte her demet kesişiminde artacak ortalama çarpışma sayısı ile bir çarpışmada ATLAS dedektörünün iç kısmında oluşacak yüzbinlerce izin simulasyonu. Bu izlerden yola çıkarak parçacıkların yollarının oluşturulması gerekiyor.

Bu haftaki ortak seminerde gelecekteki birçok hızlandırıcıda kullanılması muhtemelen bir teknoloji olan Lazer-Plazma hızlandırıcıları konu edinen bir konuşma vardı (Novel High Gradient Particle Accelerators). Almanya'nın hızlandırıcı araştırma merkezi DESY'den gelen bir araştırmacı, plazma halinde ortamdan geçen yüsek enerjili bir parçacığın etkisiyle, etkili bir şekilde parçacıkları daha küçük boyutta hızlandırıcılar kullanarak nasıl hızlandırdıklarından bahsetti. Bu teknolojinin prensipleri 70'lerde ortaya atılmış olsa da birçok zorluklar nedeniyle ancak yeni yeni uygulamaya konmuş durumda ve gelecek için de epey gelişmeler vaad ediyor.

Bu haftanın en vurucu kısmı ise perşembe günü grup olarak CERN'de bizim için özel olarak hazırlanmış labaratuarlarda, LHC ve gelecek birçok hızlandırıcının farklı yükseltme projelerinde çalışan kişilerin yönlendirmesiyle gerçekleştirdiğimiz deney uygulamalarıydı. Dörder kişilik gruplar olarak program boyunca toplamda yapacağımız 3 deneyin ikisini bu hafta gerçekleştirdik. Bizim bu haftaki deneylerimiz biri yeni nesil silikon temelli, özellikle ışığa hassas Silicon Photomultiplier (SiPM) dedektörler ve diğeri günümüzdeki parçacık fiziği dedektörlerinde özellikle muon'ların tespit edilmesinde (ve daha birçok konuda) kullanılan Resistive Plate Chamber (RPC) gaz dedektörleri üzerineydi. Detaylı bir şekilde hazırlanmış 'deney föylerimizle' deneyi yapacağımız labaratuarları bulup, bizim için hazırlanmış düzenekler üzerinde çalıştık, dedektörlerin karakteristik ölçümlerini aldık, çalışma mekanizmalarını bizzat üzerlerinde çalışarak öğrendik. Yaptığımız deneyleri başka bir yazıda etraflıca anlatmayı düşündüğümden çok detaylandırmayacağım ama bu deneylerle yaşadığım deneyimin bana nasıl hissettirdiğine kısaca değinmek istiyorum. Bir hafta öncesinde derslerde teorisini görüp, hemen ardından birçok gerçekçi deney senaryolarında nasıl davranacaklarının sorularını çözüp, sonrasında bu teknolojilerin harıl harıl test edilip, geliştirildiği yerde, yıllarını bu işlere adamış insanlardan bizzat öğrenmek yaklaşık 20 yılı geçen eğitim hayatımda sanırım geldiğim en uç nokta. Bu hissin özgünlüğünü bozmamak adına 'bizde neden böyle olmadığına' falan hiç girmek istemiyorum; kısacası fazlasıyla tatmin edici bir histi.

CERN'de yaptığımız iki deneyin düzenekleri: RPC (solda), silicon photomultiplier (sağda)

Bunun dışında bu hafta boyunca İsviçre'nin tipik kış görüntülerini teyit edercesine hafta boyunca sürekli kar yağdı. Her ne kadar dolu program nedeniyle her gün ancak camdan izleyebilsek de İstanbul'da hasret kaldığım beyaz renge fazlasıyla alıştım bile... Önümüzdeki hafta okuldaki son haftam; program, hızlandırıcı deneylerindeki temel dedektör sistemleri olan kalorimetre ve muon dedektörleri ile devam edecek. Önümüzdeki hafta itibariyle de artık yavaş yavaş veri analizi konularına girmeye başlayacağız. Her zamanki gibi iple çekiyorum...

Journal Club: UA2 deneyinin 'hadronik jet' keşfi

Protonun, yapısında daha da küçük parçacıkları içerdiğini deneysel olarak nasıl gösterebilirsiniz? Modern fizik 20. yy'ın başından itibaren atomun ve atom altı parçacıkların yapısını ve özelliklerini incelemek üzere birbirinden dahice deneyler tasarlamış ve bu konuda epey bir bilgi sahibi olmuş durumda. İlk etapta keşfedilen elektron, ardından atom çekirdeği ve yapısındaki proton ve nötronlar ufak tefek problemleri olsa da tutarlı bir teori oluşturulmasını sağladılar. Yüzyılın ortalarına doğru yavaş yavaş geliştirilmeye başlanan parçacık hızlandırıcılardan alınan veriler, çekirdeğin parçası olan proton ve nötronların da temel parçacıklar olmayıp yapılarında daha küçük parçacıklar barındırabileceğine dair ipuçları veriyorlardı. Aynı zamanda, kozmik ışınlar ve yapılan farklı deneylerde yapıları birbirine birtakım siimetrilerle bağlı onlarca parçacık keşşfedilmeye başlanmış ve tüm bu karmaşanın altında yatan sadeleştirici bir teori ihtiyacı her zamankinden daha fazla hissedilir olmuştu. Tüm bu fenomenleri açıklığa kavuşturmak üzere Murray Gell-Mann'ın başı çektiği teorik fizikçiler, atom çekirdeğini kuantum mekaniksel olarak açıklamak üzere Kuantum Renk Dinamiğini (Quantum Chroma Dynamics - QCD) ortaya attılar. Çekirdeği oluşturan parçacıklar dahil keşfedilen diğer birçok parçacığın yapısında 'quark' adı verilen temel parçacıkların yer aldığını ve bunlar arasındaki kuvvetin de 'güçlü kuvvet' (strong force) taşıyıcıları olan 'gluon' parçacıkları ile iletildiğini ortaya koydular.

Kuarkların ortaya atılmasından uzun bir süre boyunca hiç bir parçacık fiziği dedektöründe doğrudan gözlenememiş olmaları, bu teorileri ortaya atanlar tarafından dahil uzun bir süre ciddiye alınmamasına neden olmu; ta ki bahsi geçen kuvvet daha da iyi anlaşılıp kuarkların deneylerde nasıl ortaya çıkacağı ortaya konana kadar. Kuarklar arasındaki güçlü kuvvet, elektromanyetik ve kütleçekim kuvvetinden farklı olarak kuarklar arasındaki uzaklık arttıkça daha da artmakta. Bu durum, bir parçacık hızlandırıcıda çarpışma sırasında örneğin protonların yapısından serbest kalan kuarklar için epey dramatik sonuçlar doğurmakta. Aşığıdaki görselde görüldüğü üzere iki kuark arasındaki mesafe arttıkça artan kuvvet aralarındaki potansiyel enerjinin de gittikçe artmasına neden olmakta ve kuantum mekaniğinin ortaya koyduğu üzere bu enerji yeterli bir seviyeye geldiğinde aralarında kuark/anti-kuark çifti oluşabilmesine izin veriyor. Bu çiftler doğru konfigurasyonda ilk baştaki çiftlerle eşleşip kuark/anti-kuark çiftleri olan ve dedektörlerde gözlenebilen mezon dediğimiz pion, kaon gibi parçacıkları oluşturabiliyorlar.

Üstte: Çarpışam sonucu oluşan iki kuark (sol üstte) aralarındaki mesafenin artmasıyla artan potansiyel enerji ile yeni bir kuark-antikuark çifti oluşturup, sonrasında bu çiftlerin yol boyunca bozunup yeni çiftler oluşturmalarıyla sağda Feynman diyagramı ile ifade edilmiş, birçok yeni parçacıktan oluşan karmaşık yapıla ortaya çıkıyor.

Kısacası kuarklar hiç bir zaman çekirdek dışında yalnız başına duramıyorlar, 'hadronlaşma' (hadronization) dediğimiz süreçle ilerlerken dedektörlerimizde gözleyebildiğimiz onlarca parçacıklara dönüşüyorlar. Bu yapılar ortaya çıkan kuarkın gidiş yönünde dar bir açıda ('collimated'), birçok yüklü/yüksüz parçacıktan oluşan parçacık fıskıyeleri gibi göründüğünden bunlar Jet olarak isimlendiriliyor.  Kısacası jetler dedektörde dar bir koni içerisinde aynı yönden gelen, dedektörün iç kısmındaki izleyicide (tacker) izler bırakıp, dış kısımdaki kalorimetrelerde geniş enerji bırakım kümeleri oluşturuyorlar.

Zıt yönden gelen protonların çarpışmalarıyla ortaya çıkan quark ve gluonlar, yalnız hareket edemedikleri için içinde pion ve kaon gibi parçacıkların olduğu jet adını verdiğimiz yapıları oluşturuyorlar. Bu jetler de enerjilerini kalorimetrede geniş bir alana bırakıyorlar ve bu şekilde tespit ediliyorlar. (Kanak: CMS@CERN)

İki pragrafta parçacık fiziğinin en 'kazık' konusu QCD'yi 'açıkladıktan' sonra, yazının asıl konusuna gelmek gerekirse; katıldığım okuldaki derste okuma ödevi olarak verilen tarihsel bir makaleyi kısaca özetlemek amacım. CERN'de LHC'den önceki proton/anti-proton çarpıştırıcısı SppS'in yaptığı deneylerde ilk defa proton çarpışmalarında ortaya çıkan jetler (hadronik jet) gözlenmiş ve böylece protonların yapısının kuark ve gluonlardan oluştuğu deneysel olarak ortaya konmuş. Geçmişte elektron-pozitron çarpışmalarında gözlenen jetlerden farklı olarak bu proton çarpışmalarından geldiği için hadronik jetler olarak adlandırılan bu jetleri oluşturmak ve tespit etmek epey güç. SppS deneyindeki büyük dedektörlerden biri olan UA2 deneyi bunu aşağıda özeti verilen makale ile başardığını 1982'de duyurdu.

UA2 deneyinde, proton-antiproton çarpışmalarında her iki protondan gelen kuakların aralarında gluon değiş tokuşu ile dedektör içinde iki zıt yöne yol alarak, yol boyunca da bahsettiğimiz süreçle birçok hadron oluşmasıyla karakteristik olarak yüksek enerjili iki jet izi araştırılıyor. Bu özelliğe sahip çarpışmalar ('olay' olarak adlandırılan) sonucunda, dedektörün enerji ölçen kısmı kalorimetredeki enerji kalıntıları inceleniyor. Jetlerin tipik özellikleri çok dar bir açıda onlarca parçacıktan oluşmaları nedeniyle, kalorimetre içindeki yan yana dizilmiş hücrelerde geniş bir alanda yüksek enerji bırakmaları. Kuark dışındaki tekil parçacıklar (elektron, foton vb.) örneğin kalorimetrede daha küçük bir alan içerisinde enerjisini bırakıyor. Ayrıca jetlerin yapısındaki birçok yüklü parçacık dedektörün iç kısmındaki izleyici dedektörde de aynı noktadan çıkmış gibi görünen toplu izler bırakıyorlar. Deneyde alınan verilerden en yüksek enerjili iki jet ve dedektördeki izleyici ile kalorimetrede bıraktığı izler aşağıdaki görselde açık bir şekilde gösteriliyor.

Solda proton ve antiprotonun çarpıştığı noktayı küresel bir şekilde saran dedektör ve çarpışma noktasından dışarı iki zıt yöne, dar bir açı içerisinde fırlamış parçacık izleri görülüyor. Kürenin üzerindeki çubuklar parçacıkların kalorimetrenin o bölgesine bıraktıkları enerji miktarını gösteriyor. Sağda ise kalorimetreyi bu sefer düzlemsel olarak açılmış bir şekilde görüyoruz ve enerji bırakılan hücrelerin Φ ekseninde yaklaşık 180 derece açı farkı olduğu dikkati çekiyor. Bu da iki jetin sırt-sırta (back-to-back) olacak şekilde iki zıt yönde ortaya çıktığının net bir göstergesi. Deneydeki araştırmacılar bunun gibi birçok çarpışma olayını inceleyerek kalorimetrede buna benzer enerji kümeleri arıyorlar. Bunun için kalorimetrede bu şekilde geniş bir bölgeye enerji bırakılmış hücreleri, bırakılan enerjiye göre büyükten küçüğe doğru sıraladıklarında en yüksek enerjili ilk iki hücrenin tıpkı yukarıdaki gibi aralarında yaklaşık 180 derece olacak şekilde zıt yönlü olduğunu görüyorlar (aşağıda).

Üstte: En yüksek iki kalorimetre hücre grubunun arasındaki açının dağılımına bakarak büyük bir kısmınının zıt yönlerde (aralarındaki açı 180 derece) olacak şekilde ortaya çıktığı görülüyor.

Tüm bu bulgularla QCD'nin temel öngörülerinden olan protonların yapısındaki kuarklar ve bunların dedektörlerde gözleneceği jet yapıları ilk gez ortaya konmuş oldu. 1900'lerin başında Rutherford'un altın folyolara gönderdiği Helyum çekirdekleri ile ortaya koyduğu çekirdeğin yapısı ancak 1980'lerde açıklığa kavuşturulmuş oldu. Tabii bu keşif fizikte her zamanki gibi her şeye çözüm oluşturmaktan öte birçok yeni problem daha yaratmış oldu. Jetler günümüzün LHC gibi devasa hızlardaki hızlandırıcılarda en çok gözlenen yapılardan birini oluşturuyor ve araştırdığımız süreçlerin arkaplanına dair detaylı bilgiler veriyor. Proton-proton çarpışması gibi ortada yüzlerce kuarkın dolaştığı 'kirli' ortamlarda bu jetleri tespit etmek, oluşturmak ve sınıflandırmak parçacık fiziğindeki en güncel problemlerden birini oluşturuyor. Kısacası keşfinin üzerinden kırk yıl geçmiş olsa da jetler hala bizi uğraştırmaya devam ediyor, uzun bir süre de bu devam edecek gibi duruyor.

• Makalenin orjinalini okumak için: Observation of Very Large Transverse Momentum Jets at the CERN anti-p p Collider

• Bu konu ve deneysel parçacık fiziğindeki keşiflerin makalelerinin orjinallerinin genel bir anlatımla verildiği harika bir kitap için Experimental Foundations of Particle Physics'i öneririm.

ESIPAP Günlükleri: İlk haftanın ardından

ESIPAP dedektör okulunun ilk haftasını tamamladık (günlüğün ilk yazısı için şuraya alalım). Dolu dolu geçen bir haftadan geri kalanları özetleyip, verilen dersler hakkında kısaca bilgi vermek, ilgilenenlerle ders materyallerini paylaşmak amacım.

Bu hafta iki modülden oluşan bir program vardı (gün gün programa ve ders materyallerine Indico sayfasından ulaşılabilir). Salı günü başlayan ilk modül 'Deneysel (Gözlemsel) Kozmoloji', büyük ölçekte evrenin özelliklerini incelemek için kullanılan temel düzeyde teorik ve deneysel yöntemlerden bahseden ilginç bir dersti. Dersin odak noktasını, gözlemsel kozmolojinin en önemli veri kaynağı olan 'Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması' (Cosmic Microwave Background - CMB) ve bu ışımanın tayfı üzerinden yapılan analizler oluşturuyordu. Lisansta aldığım kozmolojiye giriş dersi ve astronomiye aşinalığım sayesinde birçok kavramı biliyor olsam da özellikle CMB konusunda detaylı analizler benim için epey yeniydi. Toplam dört saat teorik dersin ardından dersin uygulaması için ayrılmış dört saatte de, oluşturulan küçük gruplarla iki gün boyunca bize verilen bir problemi çözmeye çalıştık. Bizim gruba düşen problem, evrenin oluşumunun ilk saniyesinde gerçekleştiği düşünülen çok hızlı genişleme (Inflation) sebebiyle ortaya çıkan kütle çekim dalgalarının CMB fotonları üzerinde bıraktığı polarizasyon etkisini Dünya üzerinde ölçebilecek bir deney tasarlamaktı. Avrupa Uzay Ajansı'nın Planck uydusu ve Güney Kutup'taki BICEP deneyinin ölçmeye çalıştığı, fakat yeterli hassasiyete sahip olmamaları ve sinyali bulmayı zorlaştıran çeşitli astrofiziksel arkaplan gürültüsü nedeniyle başarılı olamadığı konuya çeşitli 'zarf arkası hesapları' yaparak bir çözüm getirmeye çalıştık. Sonuçta Güney Kutup'ta arka plan sinyallerinden etkilenmeyeceğini düşündüğümüz bir frekansta çalışacak bir teleskop görevi tasarladık. Sonrasında grup halinde önerimizi sunduk.

İkinci modül ise bu haftanın 'ısınma turları' kapsamında 'Deneysel Parçacık Fiziğine Giriş' dersiydi. Dersi veren Annecy'den Marco Delmastro 5 x 1.5 saatlik ders ve bir o kadar uygulama dersiyle tek kelimeyle şov yaptı diyebilirim. Parçacık etkileşimlerinde kinematik hesaplarla başayıp sırasıyla parçacıkların madde ile etkileşimleri ve dedektörler, temel düzeyde hızlandırıcılar, parçacık fiziği analizi temelleri ve sinyal/arkaplan kavramları, son olarak da nötrinolar üzerine ayrı bir dersle temel deneysel parçacık fiziğini taramış olduk. Bu derslerin amacı önümüzdeki hafta başlayacak detaylı dersler için farklı alanlardan ve seviyelerde gelen katılımcıların seviyesini bir şekilde eşitlemekti. Dersin en güzel tarafı teorik olarak gördüğümüz kavramların hemen ardından gelen derste tahtada gerçek deney senaryoları için hesaplamalarını yapmak oldu. Dersin ikinci gününde deneysel parçacık fiziğinde temel parçacıkların keşiflerine dair sekiz tarihsel makalenin her birini, bir yüksek lisans bir de doktora öğrencisinden oluşan gruplara dağıtıp makaleleri okuyup, anlayıp kısa bir sunumla diğelerine anlatmamız istendi. Bizim gruba 80'lerde CERN'deki proton-antiproton çarpıştırıcısındaki UA2 deneyinde ilk defa gözlenen hadronik jet'lerin keşif makalesi (Observation of very large transverse momentum jets at the CERN p-pbar collider) geldi. Tarihsel, orjinal bir makale üzerine kafa yorup bunu sunmak epey kafa açıcı oldu. (Makaleyle ilgili bir iki güne daha detaylı bir yazı yazmayı planlıyorum.)

 UA2 makalesi üzerine çalışıp sunumu son haline getirirken

Son gün ise biraz da bilgisayarla analiz konusunda temel fikirlerden bahsedilen derste hocanın önceden hazırladığı Github sayfasındaki materyallerle Python ve ROOT arayüzü kullanarak Higgs parçacığından gelebilecek bir sinyali ve arkaplanın simulasyonunu yapıp, sinyali arkaplandan ayırt etmenin yolları üzerine pratik yaptık. Epey anlaşılabilir ve oldukça pedogojik bir şekilde hazırlanmış olan analizin yer aldığı Jupyter Notebook'a ders materyallerinin de yer aldığı Github sayfasından indirip göz atabilirsiniz.

Uygulamada simulasyonunu yaptığımız 125 GeV kütleli Higgs parçacığını üssel bir arkaplan üzerinde küçük bir 'tümsek' olarak gösteren grafik

Derslerin yanında aynı enstitüde ESIPAP'a paralel olarak iki ay boyunca gerçekleştirilen hızlandırıcı okulu JUAS'ın belirli günlerde ders sonrası ortak seminerlerlerine de katılıyoruz. Bu haftaki seminerde CERN'den O. Brunnig geçen haftalarda tasarım raporu yayınlanan Future Circular Collider (FCC) ve gelecekti diğer hızlandırıcı projelerinden ve bu projelerin önündeki teknik problemlerden bahseden bir seminer verdi. Özellikle hızlandırıcı perspektifinden gelecekti proje önerilerini görmek epey aydınlatıcıydı.

Future Circular Collider seminerinden bir kare

Son olarak haftasonu biraz rutinin dışına çıkıp, hava almak adına Cenevre'ye inip şehirde tur atıp her geldiğimde uğradığım büyük kitapçı Poyet'e uğradım, birkaç fotoğraf çektim.

Cenevre şehir merkezindeki ünlü 'fıskiye' ve gölde yüzen kuğular; şehrin sessizliği hiç de alışık olduğum türden değildi...

Dört gün boyunca sabah dokuzdan akşam altıya kadar süren dersler sebebiyle epey yorulmuş olsam da aldığım derslerin kaliteleri, her öğrendiğimizin paralelinde uygulamalarını yapıyor olmak, küçük bir odaklanmış grupla sürekli parçacık fiziği tartışıyor olmak müthiş bir tatmin hissi yaratıyor. İtiraf etmem gerekir ki böylesine kaliteli ve eğitici derslere eğitim hayatım boyunca katıldığımı hatırlamıyorum. Tahtada kuru kuru anlatılan derslere öylesine alışmışım ki, verilen şeyin hemen ardından gerçek senaryolarda nasıl uygulandığına dair problem çözmek, eğitimin içinde gerçek makaleler okuyup,  tartışmak bunu sunmak benim için fazlasıyla baş döndürücü oldu. Böylesine verimli geçen bir haftanın ardından gelecek iki haftayı açıkçası iple çekiyorum.

ESIPAP Günlükleri: Bir Ay Dedektör Fiziği!

Dönem sonuyla gelen sömestr tatilleri öğrenciyken bir aya yakın dersler ve sınavlardan uzak geçirilen, stresten uzak, gezip tozulan zamanlarken bu dönemler doktora ve daha sonrasında bambaşka bir boyut kazanıyor. Dönem araları, dönem boyunca bölümdeki derslerin sorumluluklarını bitirip tatilden ziyade bu sefer kendi çalışmak istediğin konulara ayırdığın bir zaman olup çıkıyor. Bu kış tatilini de kendimce 'değerlendirmek' adına bir ay boyunca Cenevre bölgesinde ESIPAP (European School of Instrumentationin Particle & Astroparticle Physics) adlı bir okula katılıyorum.

CERN ve Gronoble'daki enstitütü/üniversitelerin katkısıyla her yıl düzenlenen üç okuldan biri ESIPAP ve parçacık fiziğinde dedektörler konusunda toplamda 8 haftalık bir program sunuyor. Dörder haftalık iki dersten oluşan okulda birçoğu CERN ve ilişkili deneylerden gelen uzmanların verdiği dersler ve her hafta bir gün CERN'de sabahtan akşama bu okul için hazırlanmış labaratuar deneyleri ile epey kapsamlı bir program yürütülüyor. Yaklaşık 16 kişilik bir katılımcı grubu ile düzenlenen okul konuyla ilgilenen ve dünyanın çeşitli yerlerinden gelen yüksek lisans ve doktora öğrencilerine açık. Geçtiğimiz senelerde yüksek lisansken başvurup kabul almıştım fakat sonrasında yaşanan bir aksaklıkla iptal etmek zorunda kalmıştım. Bu yılki tekrar başvuruma yine olumlu cevap alınca bu kaçırılmaz fırsatı değerlendirmeye karar verdim.

Dedektör fiziği deneysel parçacık fizikçisi içim olmazssa olmaz bir konu. Dönüp dolaşıp sadece veri analizi yapıyor olsanız bile uğraştığınız tüm fizik nesneleri (elektron, foton muon vb.) hakkındaki bilgilerin tümü parçacıkların dedektör ile etkileşimi ile elde ediliyor. Bu etkileşimin detayları, analizinizde kullandığınız bir çok yöntemi ve kararı etkileyebiliyor. Sadece bu açıdan dahi en temel seviyede bilinmesi gerekirken özellikle bir takım deneyler için dedektör geliştirme konusunda çalışmaya niyetliyseniz bu konu hayati bir önem taşıyor. Kendi çalışmalarımda henüz doğrudan dedektör üzerine işler yapmıyor olsam da yakın gelecekte bu alanda biraz ellerimi kirletmeye niyetliyim; dolayısıyla bu kapsamlı kurs benim için eşi bulunmaz bir fırsat sağlıyor.

Okulun ilk haftası deneysel parçacık fiziği ve kozmoloji üzerine genel derslerle başlayıp, ikinci haftasında sırasıyla parçacıkların madde ile etkileşimi, enerji ölçümlerinde kullanılan kalorimetre, parçacık izlerinden yola çıkarak birçok ölçümün yapıldığı 'iz sürme' (tracking), yapay öğrenme gibi istatistiksel yöntemler ele alınıp son hafta simülasyon programları ve temel programlamaya ayırılmış. Benim katılamayacağım ikinci ayki kısımda ise biraz daha yeni teknolojiler ve uygulamalar odaklı dersler olacak (Detaylı program ve materyaller için Indico sayfasına göz atabilirsiniz) .

Cenevre'nin dış bölgelerinde, Fransa tarafındaki ESI (European Scientific Institute) enstitüsü okula ev sahipliği yapıyor.

Bu tip dersleri Türkiye'de bulmak neredeyse imkansız olduğundan (ve dolayısıyla birçok konuda olduğu gibi 'uzmanlaşma' mümkün olmadığından) ancak bu tip okulları kovalayarak bir şeyler öğrenilebiliyor, özellikle doktora seviyesinde. Neyseki bu tarz okullarak yüksek motivasyonlu öğrenciler için masrafların hiç olmazsa bir kısmını karşılayarak bunu bizim için mümkün kılıyor. Önümüzdeki dört hafta için epey heyecanlıyım. Dersler hakkında genel bilgileri geçmişte tuttuğum CERN Günlükleri'ne benzer bir şekilde ESIPAP Günlükleri olarak tutmaya niyetliyim. Bu yazı da serinin ilk yazısı olsun.

LHC sonrası için yeni hızlandırıcı planları

CERN'de 2008 yılından beri çalışmaya devam eden Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (Large Hadron Collider - LHC) kurulumu sırasında büyük hedefler konmuştu: Standart Model'in en önemli yapı taşlarından biri olan Higgs parçacığını üretip özelliklerini detaylıca araştırma ve varsa Standart Model ötesi fiziğe dair bulgular elde etme. Higgs'in keşfiyle birlikte hedefin ilk kısmı tutturuldu, ikinci kısmı üzerinde ise çalışmalar hararetli bir şekilde devam ediyor, üçüncüsü konusunda ise umutlar muhtemelen 'bir sonraki bahara' yani yeni hızlandırıcılara kaldı. LHC ölçeğinde milyar dolarlık projelere bir akşamda karar verilmediğinden bir ancak 2040'larda çalışmaya başlayacak bir sonraki hızlandırıcı için öneriler artık tasarım aşamasına geldiler.

Bunlardan en önde geleni CERN ve diğer uluslararası ortakların bir araya gelip kurmayı planladıkları Future Circular Collider (FCC); mevcut LHC tünelinin (27 km) üç katı büyüklükte (100 km) yeni bir dairesel tünel kazılıp yaklaşık 10 milyar dolarlık yatırım ile yeni bir hızlandırıcı inşa edilmek isteniyor.

İsviçre-Fransa sınırında Cenevre şehrindeki LHC ve önerilen FCC hızlandırıcıları haritada karşılaştırmalı olarak gösteriliyor. (Kaynak: CERN)

İlk aşamada elektron ve karşı parçacığı olan pozitronları çarpıştıracak olan FCC'nin yaklaşık 365 GeV enerjiye ulaşması planlanıyor (1 GeV = 1 protonun saf kütlesinin enerji karşılığı olarak düşünülebilir). Bu enerji ile çarpıştırıcının elektron-pozitron çarpıştırıcı olması sebebiyle fiziksel olarak nispeten 'temiz' bir ortamda analiz yapılacağı göze alınarak öncelikli olarak LHC ve öncesindeki hızlandırıcıların keşfettikleri parçacıkların kütle ve diğer birçok özelliklerini hassas bir şekilde ölçülmesi hedefleniyor.  Sonrasında, hızlandırıcıda yapılacak bir takım değişikliklerle aynı tünel bu sefer 100 TeV (1 TeV = 1000 GeV) enerjiye kadar çıkabilecek, LHC gibi çok daha zengin fizik senaryolarının (örneğin yeni parçacıklar vb.) incelenebileceği proton-proton çarpıştırıcısına dönüştürülmesi planlanıyor. CERN ve uluslararası ortaklarının hazırladığı ve geçen günlerde yayınlanan kapsamlı teknik rapor (ve alttaki video) epey ses getirmiş durumda.



FCC önerisi deneysel parçacık fiziği alanında gelecek için tek öneri değil elbette. Dünyanın birçok farklı yerinde, birbirine paralel olarak farklı hızlandırıcı önerileri çalışan gruplar var. FCC'ye rakip olarak Çin'in gündeminde olan Circular Electron Positron Collider (CEPC), FCC ile aynı prensipte (fakat biraz daha düşük maliyetle), 50 km'lik bir tünelde 240 GeV enerjili bir hızlandırıcı önerisi, deneysel parçacık fiziği konusunda yakın gelecekte dengelerin birçok konuda olduğu gibi Çin'e kayabileceğinin bir işareti. Bunların dışında bir de dairesel hızlandırıcılar yerine Doğrusal Hızlandırıcı önerileri de var (aradaki fark için güzel bir video açıklama). Bu tip hızlandırıcılar diğerlerine göre biraz daha az maliyetliler fakat nispeten daha düşük enerjilerde çalışıyorlar. CERN'ün öncülük ettiği Compact Linear Collider (CLIC)'da yakın zamanda yeni bir teknik rapor yayınladı fakat görüldüğü kadarıyla bu proje biraz FCC'nin gölgesinde kalıyor. CLIC'e paralel, Japon'ların epey yol kat ettikleri doğrusal hızlandırıcı projesi International Linear Collider (ILC)'de yakın zamanda Japon hükümetinin maliyet açısından desteklemek konusunda tereddütte olduğu bir pozisyonda, ilerleme kararı Mart ayında netlik kazanacak.

Kısacası hızlandırıcılar konusunda son durum şu: Eğer Çin CEPC'i yapmaya karar verirse (ki şimdilik epey istekli görünüyor), CERN aynı tasarımda bir hızlandırıcı yerine doğrusal hızlandırıcı olarak CLIC'e yönelebilir. Japonya ILC için yeşil ışık yakarsa (ki şu anda biraz meçhul) CERN'ün geleceği için yeni bir yol haritası çizmesi gerekecek. Her halükarda onaylanmaları durumunda 2040'larda devasa hızlandırıcılarla, fiziğin büyük problemlerini çözmek için araştırmalara devam edeceğiz gibi duruyor.

Detaylar için:

• CERN'ün FCC konusunda yayınladığı basın bülteni
• FCC konsept tasarım raporu (Conceptual Design Report)
• FCC hakkında Fermilab'ın hazırladığı açıklayıcı, güzel bir video
• Dairesel ve doğrusal hızlandırıcıları karşılaştıran Fermilab'ın hazırladığı bir video

İstanbul'da kar ve yeni bir 'Kar Kristalleri' yazısı

GökGünce'de Kar Kristalleri yazısı yazmayalı yıllar oldu; bu, bloga bir süredir yazmıyor olmamla birlikte, İstanbul'da iki yıldır kara hasret kalmamızla da ilişkili. Bu sabah beyaz bir güne uyandığımıza göre yeni yılın ilk yazısını geçmiş senelerdeki karlı günlerin geleneğini sürdürerek kar kristallerine ayırmak istedim. (Geçmiş senelerdeki yazılar için: 2015 - 2014 - 2013 - 2012-II - 2012-I )

Bu sabah Güney Kampüse inerken, mavi-beyaz manzara (foto: Ezgi Gülenç)

Kar taneleri konusunda hemen herkesin duyduğu bir 'efsane' vardır: "Hiçbir kar tanesi birbirine benzemez". Tipik bir kar yağışı sırasında gökyüzünden milyonlarcasının yere düştüğü ve su moleküllerinin geometrik dizilimi nedeniyle kar kristallerinin altıgen yapı ile sınırlı olduğu göz önüne alınınca böylesine 'sonsuz' bir çeşitlilik epey şaşırtıcı geliyor kulağa. Geçmiş yazılarda da bahsettiğim üzere kar kristallerinin geometrik yapıları, oluşmaya başladıkları ortamların sıcaklık, nemlilik, basınç gibi başlangıç koşullarına hassas bir şekilde bağımlı. Çok küçük değişiklikler dahi büyük farklılıklara neden olabiliyor. Bu nedenle bahsi geçen iddia birçok yönden doğruluk taşıyor aslında. Fakat tersten giderek, aynı çevre koşullarını oluşturduğumuz takdirde aynı etkilere maruz kalan, yan yana iki kar tanesi aynı şekilde büyüyüp aynı forma ulaşabilir mi?

Telif Hakkı: Kenneth Libbrecht

Kar tanesi uzmanı, Caltech'ten Kenneth Libbbrecht'a göre "Evet, oluşabilir!". Kendisi labaratuar ortamında, dış koşulları hassas bir şekilde kontrol ederek tam olarak bunu yapmayı başarmış. Üstteki görüntüde, gözle bakıldığında hemen hemen birbirinin aynısı olan kar taneleri görülüyor. Her ne kadar çok daha detaylı bir şekilde bakıldığında mikro ölçekte farklılıklar olsa da makro ölçekte birbirinin 'aynısı' kar taneleri üretebilmek epey büyük bir başarı. Aşağıdaki videoda, bu ilginç çalışmayı kendisinden dinleyebilirsiniz.



Kenneth Libbrecht'ın araştırmalarına "Snow Crystals" sayfasından ve yazdığı birçok popüler kitaptan erişebilirsiniz.