Bir Parçacık var Paçacıktan içerü
"Büyük Hadron Çarpıştıcısı’ndan Beklentiler"

  Durmuş Ali DEMİR1 ve Namık Kemal PAK2
1 İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Fizik Bölümü, 35430, İzmir.
2 Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Fizik Bölümü, 06531, Ankara.

1.    GİRİŞ


Copernicus’la başlayan ve  Kepler’in astronomi ve astroloji arasındaki ayrımı ortaya çıkaran  ‘ampirik kuralları’ ile devam eden ve Newton’un bu kuralların ‘yasalaşması’ ile sonuçlanan çalışmaları hiç kuşkusuz insanlık tarihinin en önemli ‘bilimsel devrimi’ olmuştur. Bu dönemlerdeki çalışmalar esas itibariyle doğanın yasaları olduğunu ve bizlerin de parçası olduğu bütün maddi varlığın bu yasalara uymak durumunda olduğunu göstermiştir. Aradan geçen yüzyıllar boyunca süregelen bilimsel araştırmalar doğayı çeşitli yönlerden ayrıntılı ve yüksek  hassasiyetle anlamamızı sağlamıştır: yeni yasalar, yeni madde türleri, maddenin yeni halleri, yeni  yıldız ve galaksiler ve  daha bir çok yeni fiziksel olgu, olay  ve durum. Bu ‘keşif ve anlama’ süreci insanın doğa olayları üzerindeki kontrolünü artırmış, yol açtığı ‘teknoloji’ yoluyla insanların yaşamlarını tümden değiştirmiş; televizyon izlemek, telefon etmek, uçağa binmek, ameliyat olmak gibi bir çok ‘olanaklar ve gereksinimler’ yaratmıştır.

Bu gelişim, bu değişim, bu yenilenme yapılmakta olan ve gelecekte yapılacak bilimsel çalışmalarla devam edecek ve insanların yaşamını yenileyip şekillendirmeyi sürdürecektir. Bu bağlamda günümüzün belki de en önemli bilimsel olayı İsviçre’nin Cenevre kentinde kurulu Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN) tarafından henüz başlatılmış olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) deneyi ya da deneyler kümesidir. Çarpıştırıcının ismindeki ‘büyük’ onun alan ve enerji olarak büyüklüğünü, ‘hadron’ kısmı ise onun atom çekirdeğinde bulunan parçacıkları (yani protonları ve içinde 82 tane proton bulunan kurşun iyonlarını) çarpıştırmaya dayalı olmasını gösterir. İlk aşamada proton - proton çarpışması çalışılacak ileri aşamalarda ise kurşun iyonlarının çarpışması incelenecektir. 

Nasıl tekerleği bulan ilk insan bunun büyük mesafelere erimi kolaylaştıracağını, nasıl 580 yıl önce en kapsamlı yıldız kataloglarından birini oluşturan Uluğ Bey bunun evreni anlamak için çok önemli bir adım olduğunu, nasıl 130 yıl önce indüksiyonu keşfeden Faraday bunun jeneratörleri doğuracağını, nasıl 110 yıl önce elektronu bulan Thompson bunun bir parçacıklar silsilesinin ilk üyesi olduğunu, nasıl 80 yıl önce belirsizlik ilkesini ortaya atan  Heisenberg bunun nanoteknolojiye dek uzanan bir çok atomaltı olayın temel işleyiş yasasını teşkil edeceğini bilmiyordu iseler bugünün fizikçileri de LHC’de yapacakları bilimsel keşiflerin neler olacağını ve bunların yol açacakları teknolojik sonuçları henüz bilmemektedirler. Mevcut tüm bilgi birikimimiz, ki deneylerle doğrulanmış bir çok kavram ve olgudan oluşmaktadır, bir takım kavramsal ve gözlemsel çelişkiler ve sorunlar içermektedir. Bu sorunlar ve çelişkiler LHC’den beklentilerimiz konusunda bize yol gösterirler.

LHC ulaşabildiği enerji seviyesi, veri işleme için gereken bilgisayar ağının büyüklüğü, evrenin ilk anlarını yoklayabilme gücü ve gerektirdiği uzmanlık seviyesi bakımlarından tarihin en iddialı ve en büyük deneylerinden biridir. İnsanlığı yepyeni bilimsel buluşların eşiğine getiren LHC’yi tartışırken onun özelliklerini ve ondan beklentileri ayrıştırarak tartışmak daha aydınlatıcı olacaktır. Aşağıda önce bir cihaz olarak LHC değişik yönlerden tanıtılacak, ardından LHC’den bilimsel anlamda beklentilerimiz açıklanacak  ve son olarak da bir takım riskli durumlar tartışılacaktır.


2.    BÜYÜK HADRON ÇARPIŞTIRICISI

LHC yirmi yılı aşkın bir süredir planlanan, parça parça kurulan ve en nihayetinde bu yıl Eylül ayı itibariyle çalışmaya başlamış, yaklaşık 4 milyar €’ya malolmuş bir bilimsel ölçüm cihazları parkıdır. LHC, üzerinde aynı anda bir çok farklı deneyin yapılabildiği bir deneyler sitesi olup bu deneylerin bir kısmı aynı işlevi görürken kalan kısmı da değişik araştırmalar için amaçlanmıştır.

LHC’de yeni  parçacıklar proton - proton çarpışması yoluyla elde edilecektir. Bu noktada akla iki soru gelebilir: İlki proton nedir, özellikleri nelerdir? İkincisi ise neden proton da başka bir parçacık değil?

  İlk sorunun yanıtı yalın bir ifade ile şöyle verilebilir: Proton, elektrondan 1840 kat daha ağır, onunla zıt yüke yani pozitif yüke sahip bir parçacıktır. Proton hidrojen atomunun çekirdeğinde tek başına, diğer bütün atomlarda ise atom numarası kadar sayıda bulunur. Proton uzun ömürlü bir parçacıktır; yaşam süresi milyar kere trilyon kere trilyon yıldan daha uzundur(1033  yıl).      Proton temel bir parçacık değildir; yeterince sert çarpışmalara maruz kalırsa içinde başka parçacıklar olduğu dolaylı da olsa görülür. Bu parçacıklar 3 adet kuark (protonun elektrik yükünün üçte ikisine sahip iki adet ‘üst’ kuark ve elektronun yükünün üçte birine sahip bir adet ‘alt kuark’) ile kuarkları zamklanmış gibi bir arada tutan, kelime anlamı da ‘zamk’ olan gluondan oluşur (gluon kendi kendi ile etkileşmeler sergileyen bir tür fotondur). Bu sayılan özelliklerin tamamı geçmişte yapılmış deneylerle tanıtlanmıştır.

İkinci soruya, yani “neden proton da başka bir parçacık değil” sorusuna gelince, öncelikle bilinmesi gereken şey bir parçacık çarpıştırıcısında parçacık demetlerinin elektrik ve manyetik alanlar kullanılarak hızlandırılıp kontrol edildiğidir. Bundan dolayı kullanılacak parçacıklar muhakkak elektrik yüklü olmalıdırlar. Öte yandan parçacıkların yeterince uzun ömürlü olmaları gerekir yoksa hızlandırılan demetler çarpışamadan kaybedilebilirler.  Dolaysıyla  elde topu topu 3 seçenek kalır: elektronlar, protonlar, iyonlar (ki çok sayıda proton içeren yapılardan başka bir şey değildir) ve bunların karşıt maddeleri. Elekrik yüklü parçacıkların en önemli özelliklerinden biri hızları değiştiği vakit radyasyon saçarak enerjilerini kaybetmeleridir. Protonlar elektronlardan 1840 kat daha ağır oldukları için elektronlara göre çok daha az enerji kaybederler. Yukarda protonun ne denli uzun ömürlü de olduğunu ayrıntıyla belirtmiştik. Bu yüzden yüksek enerjili bir çarpıştırıcı yapmak için en iyi seçenek protonları veya iyonları kullanmaktır. LHC bu yüzden proton ve iyon demetlerini kullanmaktadır.
 
Proton ve iyonları kısaca tanıttıktan sonra şimdi dikkatimizi LHC’nin işleyiş ve yapısı konusuna çeviriyoruz. LHC’yi iki ana kısım üzerinden incelemek daha aydınlatıcı olabilir: Hızlandırıcı ve Dedektörler. 


  2.1. HIZLANDIRICI

Hızlandırıcı sistemi bir dizi alt hızlandırıcılardan oluşur. İlk aşamada hidrojen atomları standart hidrojen tüplerinden alınarak elektronlar ayıklanır ve hidrojenin çekirdeğini oluşturan protonlar bir doğrusal hızlandırıcıya gönderilir. Protonlar bu hızlandırıcıdan çıktıklarında ışık hızının yaklaşık % 30’una kadar hızlanmış olurlar. Işık hızının saniyede 300,000 km olduğu hesaba katılırsa protonların hızı hakkında daha iyi bir fikir edinilebilir. Protonlar bu doğrusal hızlandırıcıdan ivmelendirici bir sisteme alınır ve buradan çıktıklarında hızları ışık hızının yaklaşık % 92’sine ulaşır. Bir sonraki aşamada protonlar sinkrotrondan (manyetik ve elektrik alanları senkronize olarak kullanan bir hızlandırıcı türü) geçirilir ve ışık hızının %99.998’i bir hızla LHC’nin 27 km uzunluğunda, halka şeklinde ve yerin ortalama 100 m altından geçen ana tüneline yarısı saat yönünden yarısı da zıt yönden olacak şekilde girerler. Protonlar burada 20 dakika süre ile dönerler ve LHC’nin gerektirdiği şekilde ışık hızının %99.9999991’i bir hıza ulaşırlar. Bu  geçmişte laboratuvar koşullarında hiç ulaşılmamış muzzam bir hızdır. Gerçekten de bu hıza ulaştığında protonun enerjisi durgunken sahip olduğunun yaklaşık 7000 katına çıkar. Bununla birlikte bu enerji değeri, ki topu topu bir jul enerjinin milyonda biri kadardır, günlük yaşamda harcadıklarımızdan çok daha azdır. Örneğin resim çerçevesini asmak için duvara çivi çakarken bu enerjiden çok daha fazlasını harcarız. Fakat, çivinin duvara girmesini sağlayan harcadığımız enerjinin kendisi değil enerjinin yoğunluğudur. Bunu anlamak için çivinin ucunun sivri değil de küt olduğunu hayal etmek ve bu durumda çiviyi çakmanın ne kadar zor olacağını düşünmek yeterlidir. LHC’deki hızlandırıcıyı bu kadar özel kılan bu enerjiyi çivinin ucunun katrilyonda biri küçüklüğünde bir cisme yani protona yükleyebilmesidir.

Hızlandırıcılar protonları belli bir hız ve yörüngede tutabilmek için mıknatıslar kullanır. LHC’de toplam 9300 mıknatıs bulunmaktadır. Yeterince güçlü manyetik alan oluşturmak için üzerinden 12 bin amper akım geçen, mutlak sıfıra yakın yani - 270 santigrad derecede soğutulmuş süperiletken tellerden faydalanılmaktadır. Bütün hızlandırma sistemini bu derecede soğutabilmek için toplam 96 ton sıvı helyum kullanılmaktadır. Protonlar hemen hemen mutlak boşlukta hareket ederler. Zira normal koşullarda çevrede bulunan hava molekülleri böylesine hassas bir çarpıştırıcının çalışmasını engeller. Her proton demeti topaklar halinde hazırlanır ve topaklar arasında ortalama 7 m mesafe bulunur. Bu topaklama işlemi için protonlara radyo frekansında enerji veren, -269 santigrad derecede süperiletken kovuklar kullanılır. Proton topaklarının bulundukları bölge dünyanın en soğuk yeridir hatta dış uzay boşluğundan bile daha soğuktur. Genel olarak her proton demetinde 2808 topak, her topakta 100 milyar proton bulunur. Protonlar 27 km’lik LHC tünelinde bir saniyede 11000 kez dönerler ve bir saniyede 600 milyon çarpışma oluşur. Topakların uzunlukları ve kalınlıkları  sabit olmayıp yer yer değişir. Kafa kafaya çarpışma olasılığını artırmak için dedektörlerin bulunduğu bölgelerde insan saçı kalınlığına kadar inceltilirler.

2.2.  DEDEKTÖRLER

Dedektörler zıt yönden gelen proton topaklarının çarpıştığı, çarpışma sonucu protonların parçalanıp alt parçacıklarının (ki ‘kuark’ olarak isimlendirilen parçacıklardan ve kuarkları kararlı bir şekilde bir arada tutan zamk anlamına gelen ‘gluon’ adlı kuvvet ileten parçacıklardan oluşur) kendi aralarında çarpışarak bilinen veya yeni parçacıkların oluşumuna yol açtığı ve oluşan bu parçacıkların bıraktıkları izler ve enerjiler yoluyla özel algılayıcılar ile tespit edildikleri cihazlar bütünüdür. Hızlandırıcının protonları oldukça yüksek enerjilere hızlandırmış olmasından dolayı geçmişteki düşük enerjili çarpıştırıcıların oluşturmaya güç yetiremedikleri yeni parçacıkların LHC’de üretilmesinin çok daha kolay olması beklenmektedir. Dedektörler yeni parçacıkların, yeni etkileşme türlerinin bizzat gözlenip ölçüldüğü cihazlar olup LHC için kritik öneme sahiptirler. 

LHC’nin 27 km’lik ana tüneli üzerinde 6 farklı dedektör (diğer bir deyimle 6 farklı deney) yer almaktadır: Yeni parçacıkları direk ve karşılaştırmalı olarak arayacak olan ATLAS ve CMS dedektörleri, kuark-gluon plazmasını (kuark ve gluonların oluşturduğu elektriği iletebilen bir tür gaz, maddenin yeni bir hali) oluşturarak erken evren koşullarını (evren henüz bir mikrosaniye yaşındayken) laboratuar koşullarında oluşturup test edecek olan ALICE dedektörü, hadron fiziği özellikle de B-mezon (bir adet ‘alt kuark’ ile onunla aynı özelliklere sahip ancak ondan bin kat daha ağır olan ‘güzel kuark’ tabir edilen diğer bir kuark ve bunları birbirine bağlayan gluondan oluşan hadron) fiziği araştırmaları yapacak olan LHCb dedektörü, protonların girişim saçakları oluşturması durumunu inceleyecek olan TOTEM detektörü ve son olarak da yüksek enerjili kozmik ışınların tepe enerjisini laboratuvar koşullarında oluşturarak ölçecek olan LHCf deneyi.  

Görüldüğü üzere, her dedektör belli fiziksel niceliklerin ölçümü ve belli fiziksel olayların gözlemi hedeflenerek kurulmuştur. Bu dedektörlerden her birini elektronik yapı, işleyiş ve ilgili fiziksel niceliklerin  ölçüm tekniği anlamında tartışmak mümkündür. Ancak biz  burada daha çok CMS, ATLAS ve ALICE dedektörleri üzerinde duracağız. ALICE dedektörü, kuark-gluon plazmasını araştırmak üzere tasarımlanmıştır. Kuarkların ve gluonların yüksek sıcaklık ve basınç altında proton gibi, B-mezon gibi hadronları oluşturmak yerine bir plazma oluşturmaları beklenmektedir. Büyük Patlama’nın hemen ardından evrenin bu halde olduğu düşünülmektedir ve ALICE bu evrenin bu evresini  laboratuar koşullarında oluşturup analiz edecektir. ALICE bize evrenin bebeklik dönemi hakkında önemli bilgiler verecektir. Kuark-gluon plazmasının oluşmasını sağlayabilmek için proton yerine her biri 82 tane proton içeren kurşun iyonları çarpıştırılacaktır. LHC’nin kurşun—kurşun çarpıştırıcısı olarak çalışması proton—proton sürecine benzer şekilde yürütülmektedir bir farkla ki elektronların tamamen ayıklanması bir kaç adımda gerçekleştirilebilmektedir.

ATLAS ve CMS genel amaçlı, birbirlerinin buldukları sonuçları doğrulayacak şekilde tasarımlanmış iki ayrı dedektördür. Bu dedektörler proton—proton çarpışmasından çıkacak ürünleri özelliklerine göre ayrıştırıp sınıflayacak ve bilinenlerin dışında yeni parçacıkların oluşup olmadığını araştırmamıza izin verecek verileri sağlayacaklardır. ATLAS, 46 m uzunluğu ve 25 m yüksekliği ile yapılagelmiş en büyük dedektör özelliğine sahiptir ve bu dedektör üzerinde yaklaşık 3500 araştırmacı çalışmaktadır. CMS ise ölçüm tekniği itibari ile daha küçük boyuttadır. CMS’in mıknatıs sistemi 10 bin ton demir içermekte olup bu miktar Eyfel kulesindekinden daha fazladır. CMS’de de 3500’den fazla kişi  çalışmaktadır.  Bu dedektörlerin veri üretme hızı hakkında bir fikir sahibi olmak için bir yılda üretecekleri verinin yazıldığı CD’lerin dünyadan aya yol olacağını bilmek  yeterlidir. Bu verilerin bilgisayarlarda depolanması ve işlenmesi ciddi bir sorun oluşturmaktadır. Bulunan çözüm ise elde edilen verilerin dünya üzerinde çok çeşitli ülkeleri ve kurumları içeren GRID adlı bilgisayar ağına dağıtılması ve gerektiğinde ilgili bilgisayarlardan okunarak kullanılması şeklindedir. GRID ağı aynı zamanda sağlık alanında da kullanılacaktır.

Her dedektör amacına göre değişik özelliklere sahip olmakla birlikte bütün dedektörlerde temel bileşenler birbirine benzerdir. Tipik bir dedektördeki bileşenler yakalanmak istenen parçaçıkların özelliklerine göre sıralanmıştır. Bu bağlamda yukarıda anılan her bir dedektör çok sayıda alt dedektörlerden oluşur. Modern mühendislik bilgileri gereğince dedektörler genel olarak bir petrol varili şeklinde olup bir proton topağı varilin kapağı öteki de tabanı yönünden gelir ve varilin orta kısmında çarpışırlar. Çarpışmadan çıkan parçacıkların çoğunlukla varilin gövdesi yönünde sıçramaları beklenir. Çarpışma esnasında üretilen yeni parçacıklar daha önceki çarpıştırıcılarda üretilemeyecek kadar ağır oldukları için çok kısa ömürlüdürler ve hızla daha hafif parçaçıklara bozunurlar. Esasen dedektörün görüp göreceği bildiğimiz elektron, foton, hafif hadronlar ile müondur (elektron ile aynı özelliklere sahip ancak ondan 200 kat daha ağır bir parçacık). Bundan dolayı dedektör verileri içinde yeni parçacıkları aramak kardaki ayak izlerinden ilgili kişinin göz rengini, saçlarının uzunluğunu, yaşını vs. tahmin etmeye benzer. Bu oldukça karmaşık bir veri analizi işi olup temel prensip dedektördeki verileri kullarak ilgili olayı zamanda geriye doğru kurup bozulan ana parçacığın yeni mi yoksa bildiğimiz bir parçacık mı olduğuna karar vermektir.

Dedektörlerin üzerlerinden geçen parçacığı algılamak için kullandıkları temel bileşenler şöyledir. İz sürücü dedektörler: Bunlar parçacıkların elektrik yükleri nedeniyle bıraktıkları izleri takip ederler ve parçacığın hızını ve etkileşme noktalarını belirlememizi sağlarlar. Müonlar dedektörün dış çeperinde bulunan bu tür cihazlar ile yakalanırlar. Kalorimetreler: Bunlar genel olarak parçacıkları soğurarak onların enerjilerini ölçen cihazlardır. Hadronlar için ayrı elektron ve foton için ayrı kalorimetreler mevcuttur. Parçacık belirleyicileri: Bunlar yaydıkları radyasyon yoluyla parçacıkların kimliklerini belirlemeye yarayan cihazlardır. Bu temel bileşenler esas  olarak her 6 dedektörde de bulunur.


3.    BİLİMSEL BEKLENTİLER

Karac’oğlan Elif’ini bize tarif ederken ‘yağan karın Elif için tozduğunu’, ‘yayla çiçeğinin Elif diye koktuğunu’, ‘ak ellerin Elif diye yazdığını’, ‘yeşil başlı ördeğin Elif diye yüzdüğünü’ kısacası çevresinde olup biten her güzel şeyin Elif için, Elif’e dair olduğunu belirtir. Elif ile kastedilenin Tanrı olduğu yorumunu bir kenara bırakırsak, Karac’oğlan’ın muhtemelen hiç görmediği Elif’i belki hiç de böyle biri değildir. Belki de Elif yüzü güneş yanığı, elleri nasırlı bir Yörük kızıdır ve hiç kimsenin onun için bir şey yaptığı yoktur. Bugün fizikçilerin LHC karşısındaki durumu Karac’oğlan’ınkinden çok farklı değildir. Farklı olan şey, fizikçiler LHC yardımı ile Elif’lerinin düşünegeldikleri, bekleyegeldikleri, düşleyegeldikleri gibi olup olmadığına bakacaklarıdır.

Fizikçilerin Elif’ini tarif edebilmek için doğayı anlama düzeyimizi, mevcut paradigmadaki eksik gedikleri, olması gerektiği halde yerinde bulunmayanları belirlemek gerekir. İnsanlık, tarih boyunca esas olarak ‘nelerden oluşur?’ ve ‘bir arada tutan şey nedir?’ soruları çerçevesinde  doğayı anlamaya çalışmıştır. Sayısız deneyler ve deneylere öneri, öngörü ve yorum getiren kuramsal çalışmalar göstermiştir ki madde çok az sayıda ve oldukça küçük yapı taşlarından oluşmaktadır. Diğer bir deyimle, hava, su, ateş ve toprak bir metrenin on milyarda biri büyüklüğündeki atomlardan; atomlar kendilerinden on bin kat küçük çekirdek ile bir milyar kat küçük elektronlardan; çekirdek ise kendinden on kat daha küçük nötron ve protonlardan oluşmaktadır. Böylesi küçük varlıkların davranışları günlük hayatta gözlemlediğimiz cisimlerinkinden çok farklıdır. Konumları ne kadar yüksek hassasiyetle ölçülürse hızları o kadar az hassasiyetle bilinebilir; hem dalga hem parçacık özellikleri gösterirler; devinim esnasında belli bir yörünge izlemezler; verilen bir durumdan diğerine geçerken gözlenemeyen aradurumlar yaşarlar. Bu prensipler bütünü kuantum mekaniği olarak adlandırılır. Öte yandan, doğanın bütünlüğü ve işleyişi dört temel kuvvet yasasına (gök cisimlerinin düzenini sağlayan çekim kuvveti, atomun düzeninden sorumlu elektrik kuvveti, çekirdeği bir arada tutan yeğin kuvvet ile çekirdeğin kararsızlığına yani radyoaktiviteye yol açan zayıf kuvvet) dayanmaktadır.

Geçen yüzyılın ortalarından bu yana yapılan çalışmalar göstermiştir ki elektrik ve zayıf kuvvetler elektronun büyüklüğü civarındaki mesafelerde birleşip tek bir kuvvet yasasına, elektrozayıf kuvvete, dönüşmektedirler. Bu birleşme sistemlerin enerjileri arttıkça simetrilerinin de artmasından kaynaklanmaktadır. Daha açık bir deyimle, bu olay bir kare masanın gözümüzün algı sınırından daha hızlı döndürüldüğünde yuvarlak masa gibi görünmesine benzetilebilir. Gerçekten de bir kare masa sadece kesikli dönmeler altında değişimsiz kalırken yuvarlak masa küçük veya büyük  bütün dönmeler altında değişmeden kalır. Bugün fiziğin en önemli sorunlarından biri kare masayı yuvarlak masaya tamamlayacak olan parçaların yani yeni parçacıkların kuramsal olarak öngörülüp deneysel olarak gözlenmesidir. Eksik parçalar Elif’te bulmayı beklediğimiz şeylerdir.

Kuramsal açıdan eksik parçaların bulunmasında temel kılavuz elektrozayıf kuvvetin kuantum etkileri altında kararlı davranamayıp kuramın geçerlilik sınırı büyüdükçe küçülüp gerçeklerle bağdaşmayacak şekilde zayıflamasıdır. Gerçekten de eğer eldeki yapı sicim kuramının ıskalasına kadar geçerliyse elektrozayıf kuvvet çekim kuvveti mertebesine kadar zayıflar. Hiç kuşkusuz bu kabul edilebilir bir durum değildir zira elektrozayıf kuvvetçe belirlenen nükleer reaksiyonlar sürekli oluşmaktadır (atom bombası  vardır ve yapılmaya devam edilmektedir). Dolaysıyla, fizikçilerin Elif’i öncelikle ve öncelikle elektrozayıf kuvvetteki bu kararsızlığı önlemeli, onu kuantum etkilerine karşı tahkim etmelidir.

Sonuç olarak LHC’de görüp tanımayı beklediğimiz Elif’i söyle tarif edebiliriz:

1)    Elektrozayıf kuvveti tarif eden kuramsal yapı bütün uzayı dolduran Higgs adı verilen bir dağılımı öngörür. Bütün parçacıklar bu dağılımın çökeleği ile etkileşerek kütle kazanırlar. Bu dağılım ile çökeleği arasındaki fark Higgs parçacığı adını verdiğimiz elektrik yükü olmayan yeni bir parçacık olarak ortaya çıkar. Eğer doğayı doğru olarak anlamışsak bu parçacık LHC’de karşımıza çıkmalıdır. Ancak bu özellik olsa olsa sadece Elif’in kalbi olabilir. Zira, Higgs’i bulmak, kütlesini ölçmek kavramsal açıdan yetersizdir.  Çünkü, yukarıda da açıklandığı gibi, önemli olan elektrozayıf kuvveti kuantum etkilerine karşı koruyan veya daha doğru bir deyimle Higgs’in ölçtüğümüz değerde kütleye sahip olmasını sağlayan  mekanizmayı keşfetmektir. Eğer kuantum etkilerini yumuşatan bir mekanizma yoksa Higgs’in ölçüldüğü değerde bir kütleye sahip olması olanaksızdır. Dolaysıyla Higgs’in bulunması ancak Elif’in kalbini oluşturur; kalpsiz vücut olmaz ancak kalp tek başına da bir şey ifade etmez. Önemli olan Elif’e vücut veren, elektrozayıf etkileşmeleri kararlı hale getiren mekanizmanın LHC’de keşfedilmesidir.

2)    Elif’in vücudunu oluşturan yani elektrozayıf kuvveti kuantum etkilerine karşı kararlı kılan mümkün mekanizmalardan biri süpersimetridir. Süpersimetri, temelde, her parçacığın bir kardeşi olmasını öngörür öyle ki parçacık bir çember etrafına tam bir tur atınca işaret değiştiriyorsa kardeşi değiştirmez ya da  tersi. Bu bağlamda mevcut her kuark için bir kardeş, elektron için bir kardeş, foton için bir kardeş, gluon için bir kardeş, ... şeklinde yeni bir parçacıklar silsilesi oluşur. Eğer süpersimetri doğanın temel işleyiş yasası ise bu kardeş parçacıkların LHC’de direk gözlemlenmesini, kütlelerinin ve etkileşme sabitlerinin ölçülmesini bekleriz. LHC deneyleri için yapılan simülasyon çalışmalarında en çok irdelenen seçenek ‘süpersimetrik Elif’ yaklaşımıdır.

3)    Elif’e vücut verebilecek diğer bir yaklaşım ek uzay boyutlarının bulunmasıdır öyle ki elektrozayıf kuvvetin zayıflaması diğer bir deyimle Higgs çökeleğinin kabul edilebilir sınırların dışına taşması çok boyutlu uzayın Newton çekim sabitinin Higgs kütlesinin hemen üstünde bir değer alması ile de önlenebilir. Ek uzay boyutları sicim kuramından alışık olduğumuz bir kavramdır ancak sicim kuramının aksine burada söz konusu olan ek boyutlar oldukça  büyük olup bir kaç mm kadar uzun olabilirler. Böylesi bir Elif de elektrozayıf kuvveti kararlı kılar ve kabul edilebilir bir senaryo oluşturur. Süpersimetriden sonra en çok çalışılmış LHC senaryosu ek uzay boyutlarıdır. En basit haliyle LHC’de belli çarpışma genliklerinin anormal değerler almasını, yüksek boyuttaki graviton (çekim kuvvetini ileten parçacık) ile etkileşmelerin kayıp enerji sinyaline sebep olmasını bekleriz.

4)    Elif’in vücudu için diğer bir yaklaşım ise yeğin  kuvvet benzeri yeni bir etkileşmenin (ki teknirenk olarak adlandırılır) bulunduğunu ve bu ek kuvvet sayesinde Higgs parçacığının bildiğimiz hadronlar gibi bir takım alt parçacıklardan oluşan bir yapı olduğunu iddia etmektir. Böylesi bir sistem de elektrozayıf kuvveti kuantum etkilerinden korur. Elif eğer böyle bir yapı veya onun  yakın akrabası niteliğindeki küçük Higgs tipi bir model ise yine bir yeni parçacıklar silsilesi görmeyi bekleriz LHC’de. LHC için yapılan simülasyon çalışmalarında bu seçenek de tartışılmaktadır.

5)    Elif’in vücudu süpersimetrik, ek uzay boyutlu veya teknirenk yapılarından bambaşka bir yapıda da çıkabilir. Böylesi bir durum, son 30-40 yılda oluşmuş bilimsel birikim açısından, daha doğru bir deyimle doğanın doğallığını anlamak açısından, belli ölçüde hataya düştüğümüzü, doğayı anlamakta başarız olduğumuzu gösterir. Böyle bir  sonuç mevcut paradigmada sert bir kırılmaya işaret edebilir. Elif hiç beklemediğimiz ve düşünmediğimiz bir şekilde de olabilir.

Sonuç olarak, fizikçiler LHC’de kalbi Higgs vücudunun geri kalanı ise yukarıda sayılan dört seçenekten biri olan bir Elif beklemektedirler. Eğer LHC’de Higgs parçacığı bulunamazsa ki bu ‘cehennem’ senaryosu olurdu her şeyi yeni baştan düşünmemiz, eski hesapları tekrar karıştırmamiz gerekebilir.

Öte yandan astrofizik/kozmolojik gözlemler evrendeki toplam maddenin yaklaşık % 26'sının Kara Madde tabir edilen ışık saçmayan ve yeğin kuvvete duyarsız bir yapıdan oluştuğunu göstermektedir. Kara Madde için aday olan parçacık en azından evrenin yaşı civarında bir ömre sahip olmalıdır ve yukarıda sayılan seçeneklerden her biri, eğer gerçekçi olacaklarsa, böyle bir parçaçığa sahip olmalıdırlar. Örneğin, süpersimetrik modeller böyle bir parçacığın varlığını otomatik olarak öngörürler.


4.    FELAKET SENARYOLARI

Dünya basınında da sıklıkla haber olan bir takım felaket senaryolarından görüldüğü üzere, Elif’in bir felaket ya da daha abartılı bir deyimle dünyanın sonu olacağını ileri süren kişiler de bulunmaktadır. Dolayısıyla bu türden senaryoları kısaca inceleyerek böyle felakete yol açacak boyutta bir olayın olup olmayacağını mevcut bilgiler ışığında tartışmak tamamlayıcı olacaktır.

Bu tür senaryoların ne kadar mümkün veya ne kadar gerçekçi olduğunu anlayabilmek için öncelikle kozmik ışınların özelliklerini ve mümkün etkilerini tartışmak oldukça aydınlatıcı olacaktır. Kozmik ışınlar uzay boşluğundan gelip dünya atmosferine çarpan  LHC’deki protonlardan 10 milyon kez daha yüksek enerjiye sahip olabilen bir parçacık yağmurudur. Bu yağmurun % 90’ı proton kalanı ise alfa (helyum çekirdeği) ve beta (elektronlar) parçacıklarıdır. Yüksek enerjili kozmik protonların dünya gibi, güneş gibi sabit bir hedefe çarpması ile LHC’de zıt yönlerden gelen protonların çarpışması hemen hemen eşdeğer etkiler bırakan iki farklı parçacık çarpışması olayıdırlar. Kozmik ışınların yoğunluğu ve dünyanın yüzey büyüklüğü ile yaşını hesaba katan basit bir tahmin dünya varolduğundan bu yana kozmik ışınların kabaca 100 bin adet LHC deneyini çoktan yapıp bitirmiş olduğunu gösterir. Evrende 100 milyar galaksi olduğunu, her galakside 100 milyar güneş büyüklüğünde gök cismi bulunduğunu hesaba katarak bu hesabı bütün evrene genellersek doğanın kendisinin şimdiye dek yüz milyon kere trilyon kere trilyon LHC deneyini yapıp tamamlamış olduğunu ve her bir saniyede 10 trilyon adet LHC deneyi yapmayı sürdürdüğünü buluruz. Bu kozmik LHC deneylerinin doğada bir felakete yol açtığına dair herhangi bir belirti yoktur. Bu bağlamda LHC deneylerinden bir felaket, dünyayı sonlandıracak bir olay beklemek gerçekçi gözükmemektedir. Bu yöntem fazla ampirik gözükebilir ancak doğanının bizzat kendisinin yapageldiği deneylerin doğal bir referans noktası oluşturacağı da muhakkaktır.

Kozmik ışınlarla ilgili bu ayrıntılardan sonra iki felaket senaryosunu ayrıntılı olarak tartışmak yararlı olacaktır:

Mini Kara Delikler: Karak Delik, Einstein’in çekim denklemlerince öngörülen, içindeki çekim kuvvetinin fotonu bile hapsedecek kadar şiddetli olduğu cisimlere verilen addır. Kara Delik’ler kendilerine yaklaşan cisimleri yutarlar ve Hawking radyasyonu (termal enerji) yayarak yavaşça buharlaşırlar. Bütün bu özelliklerine karşın Kara Delik’lerin tam olarak anlaşılabilmesi için çekimin kuantumlanmasına ihtiyaç vardır ki bu şimdiye dek mümkün olamamıştır, eğer sicim kuramı bu işlevi görmüyorsa. LHC deneyleri hakkındaki iddialardan biri bu deneylerin Kara Delik’ler oluşturacağı, Kara Delik’lerin çevrelerindeki maddeyi yutarak dünyanın sonunu hazırlayacağı şeklindedir. Bu noktada dikkat edilmesi gereken husus şudur: LHC’deki protonların enerjileri bir çarpıştırıcıda ulaşılagelmiş en yüksek enerji olmakla birlikte Kara Delikler’i oluşturacak kadar yüksek  değildirler. Öte yandan, eğer Elif’imiz ek uzay-zaman boyutlarından oluşuyorsa kuramsal açıdan LHC’de mini Kara Delik’ler oluşması beklenebilir. Oluşan Kara Delikler’in Hawking radyasyonu yayarak buharlaşacakları bilinmektedir. Öte yandan, kuark gibi gluon gibi parçacıklar yoluyla oluşacak bir mini Kara Delik tam da kara olmayacak ve üretme hızıyla orantılı olarak (en azından onu oluşturan kuarklara ve gluonlara) bozulacaktır. Bu anlamda mini Kara Delik’lerin özel bir tehlike yaratmaları beklenemez. Ancak, bir faraziye olarak kararlı, tam bir Kara Delik oluşabilir mi diye sorulabilir. Bunun yanıtı kuantum mekaniğinin temel ilkelerine riayetsizlik edilmedikçe (bir parçacığın üretilme hızı ile bozulma hızının farklı olması gibi) bu mümkün olamaz. Mini Kara Delik’lerin oluşması mümkün olsa bile bozulmadan kalıp da çevredeki materyal varlığı yutması kuantum mekanik çerçevede beklenemez.

Acayip Madde: Acayip kuark (‘alt kuark’ gibi ancak ondan kabaca 10 kat daha ağır bir kuark) alt kuarklardan farklı olarak ‘acayiplik’ diye adlandırabileceğimiz bir kuantum sayısını haizdir. Acayiplik sayısı bir takım hadronların oluşurken saygı duyduğu bozulurken yıktığı bir kuantum sayısidir. Acayip madde acayip kuarkları içeren yapılar olup, çeşitli fiziksel nedenlerden ötürü, bir yıldız büyüklüğünde olabilecekleri de çok küçük cisimcikler olabilecekleri de düşünülüp çalışılmıştır. LHC’de oluşacağı iddia edilen yapılardan biri de bu tür küçük acayip madde parçalarının normal madde ile birleşip büyüyerek dünyayı tümden ‘acayip’ hale getirmesidir. Yukarıda da açıklandığı üzere ALICE deneyi kurşun iyonlarını çarpıştırarak kuark-gluon plazmayı oluşturacaktır. Benzer çarpışmalar altın iyonları ile çok daha düşük enerjilerde Brookhaven laboratuvarındaki RHIC deneylerinde yapılagelmektedir. Böylesi ‘acayip’ madde türleri üretilse bile yaklaşık bir nanosaniye içinde bozulacaklardır. Öte yandan, fiziksel analizler göstermektedir ki, acayip maddenin RHIC (Ağır İyon Çarpıştırıcısı) deneylerinde oluşma şansı LHC deneylerindekilerden çok daha yüksektir ve eğer mümkün olabilseydi şimdiye dek RHIC’de görülmeleri gerekirdi.


5.    SONSÖZ


Büyük Hadron Çarpıştırcısı doğayı anlamak adına yapılagelmiş en büyük girişimlerden biridir. Bu deneyin sonuçlarının mevcut paradigmanın çelişkilerinin nasıl giderileceğini ortaya çıkartmasını bekliyoruz. Diğer taraftan, erken evren koşullarının yaratılıp test edilecek olması bugünkü evrenin nasıl mümkün olabildiğini bizlere tanıtlayacaktır. LHC başlarken yalnızca bir takım beklentilere sahibiz ve beklentilerimizin kaynağı temelde elektrozayıf kuvvetin sergilediği kuantum kararsızlığıdır. Pratikte, bu kararsızlığı önleyebilecek her senaryo doğanın LHC’de göstereceği yüzü olabilir. Bu deneyin, insanlık tarihi boyunca süregelen ‘doğayı anlamak’ adlı yolculuğun adımlarından yalnızca biri ama önemli biri olduğu unutulmamalıdır. LHC öncesinde fizikçilerin mevcut bilgileri Kaşgarlı’nın dünya haritasındaki gibidir: Ölçeksiz, karmaşık, yön bulmaya pek müsait olmayan, bilinenlerin bilinmeyenler hakkındaki öngörülerle tamamlanmasıyla hazırlanmış bir harita. Higgs parçacığı, Kaşgarlı’nın haritasına itina ile koyduğu ‘Adem’in ayak izi’ gibi temel bir yapı taşı olarak kafamızdaki haritada özel bir yer kaplamaktadır. Higgs’i LHC’de gözlemlemeyi bekliyoruz. Ancak, Elif’in vücudu konusunda haritamız pek muğlaktır.


KAYNAKÇA

S. Weinberg,  Atomaltı Parçacıklar, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, No: 161, 2002
G. ‘t Hooft,  Maddenin son Yapı Taşları, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, No: 128, 2000.
S. Weinberg,  Unified Theories of Elementary Particles, Scientific American,v.231 (Temmuz 1974), p. 50-59.
G.  ‘t Hooft, Gauge Theories of the Forces between Elementary Particles, Scientific American v. 242 (Haziran 1980), p. 104-138
C Quigg, Elementary Particles and Forces, Scientific American, v. 252 (Nisan, 1985), p. 84-95
S. Weinberg,  Quantum Theory of Fields,  Vol 3: Supersymmetry, Cambridge University Press, 2000.
N. K. Pak,  Kuantum Kromo Dinamik:Yüksek Enerji Fiziğinde Umut Işığı, Çağdaş Fizik,v.3 (Kasım 1978), p.19-26
N. K. Pak, Mikro Evrenin Standard Modeli ve Süpersimetri, Bilim ve Ütopya, Sayı 167, Mayis 2008, p.22-31
LHC ağ sayfası: http://www.cern.ch/LHC/
J. Hewett ve M. Spiropulu, Particle physics probes of extra spacetime dimensions, Ann. Rev. Nuc. Part. Sci. 52, p.397, 2002.
L. Pape ve D. Treille,  Supersymmetry facing experiment: Much ado (already) about nothing (yet), Rept. Prog. Phys. 69, p.2843,  2006.
J. Wacker, Little Higgs and the hierarchy problem, (Ph. D. thesis),  2003.
J. Ellis et.al,  Review of the Safety of LHC Collisions, J. Phys. G35, 115004, 2008.
İlhan Başgöz, Karacoğlan, PAN Kitabevi, 2007 (ISBN 975-7652-16-4).
Kaşgarlı Mahmud, (Düzenleme: Ş. Erdi, S. Yurtsever) Divanı Lügati’t - Türk, Kabalcı Yayınevi (2006).



Kaynaklar ....:
http://www.tuba.gov.tr/index.php?id=440