Fizik biliminin en ileri seviyesi, Orta Avrupa’daki bir yer altı tünelinde ışık hızına çok yakın hızlarda daire çizen bir atom altı parçacık ışınında yer alıyor. Bu ışın, yine aynı hızda karşı yönden gelen başka bir ışına çarpıyor. Gerçekleşen çarpışma sonucunda, yok olmadan önce dedektörler tarafından tespit edilen başka bir parçacık serpintisi oluşuyor.
Geçenlerde 2018’den beri ilk defa çalıştırılan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki (LHC) standart işleyiş bu şekilde. LHC’nin ışınları, artık hiç olmadığı kadar güçlü. Cenevre yakınındaki Avrupa Nükleer Araştırma Organizasyonu’nda (CERN) yer alan LHC, dünyanın en büyük parçacık çarpıştırıcısı: Atom altı parçacıkları kelimenin tam anlamıyla birbirine çarptıran bu dev makine, bilim insanlarının çarpışma sonucunda ortaya çıkan kuantum enkazını izlemesini sağlıyor.
Bir fizik deneyi için gereksiz miktarda şiddet içeriyor gibi görünebilir fakat fizikçilerin bu yıkım için makul bir sebebi var. Bu çarpışmaların içerisinde evrenimizi katman katman ayıran fizikçiler, evrenin en küçük ölçeklerde nasıl işlediğine bakabiliyorlar.
Makinenin ardındaki fizik
LHC’nin ismindeki “büyük” terimi abartı değil: Çarpıştırıcı, tamamen yer altında bulunan 27 kilometre uzunluğundaki manyetik bir halkadan oluşuyor. Cenevre’nin engebeli Fransa-İsviçre sınırının (CERN’in merkezine ev sahipliği yapan yer) her iki tarafındaki banliyölerinden başlayarak, Fransa’daki Jura Dağları’nın doğu eteklerinden geçip tekrar geri dönüyor.
Böylesine devasa bir şeyi montajlamak zaman alıyor. İlk olarak 1980’lerde teklif edilen ve 1990’ların ortalarında onaylanan LHC’nin yapımı on yıldan uzun sürmüş. Cihaz ilk ışınını ise 2008 yılında göndermiş. 4,5 milyar avro tutan inşaatın maliyeti, çoğunlukla çeşitli Avrupa ülkelerinin hazinesinden karşılanmış.
LHC, küçük bir şehre yetecek kadar elektrik tüketiyor. LHC’deki deneylerde, yeni güncellemeler yapılmadan önce bile günde bir petabayt veri üretiliyordu; yani 10.000’i aşkın 4K film kadar. Üstelik bu miktar, CERN’deki bilgisayar ağının fazlalıkları süzmesinden sonra kalıyor. Bu veriler, dünyanın her köşesindeki binlerce bilim insanının bilgisayarından geçiyor. Fakat dünyanın bazı bölümleri, diğerlerinden daha iyi temsil ediliyor.
Çarpıştırıcıya zaman, para ve insan gücü akıtılırken, fizikçiler evrenin en temel sorularını cevaplamaya çalışıyor.
Örneğin kütlenin var olmasına ne sebep oluyor? Bu sorunun cevaplanmasına yardımcı olmak, LHC’nin bugüne kadar bilinen en büyük başarılarından biriydi. LHC’de çalışan bilim insanları, 2012 yılında Higgs bozonu adını taşıyan ve uzun süredir aranan bir parçacığın keşfedildiğini duyurmuştu. Bu bozon, parçacıklarla etkileşime girerek onlara kütle kazandıran bir alanın ürünü.
Higgs bozonunun keşfedilmesi, Standart Model şeklinde bilinen duvarın son tuğlası olmuştu. Çağdaş parçacık fiziğinin kalbi olan bu model, bir düzine kadar atom altı parçacığı ve bunların düzgün şekilde bir araya gelerek gördüğümüz evreni nasıl oluşturduğunu açıklığa kavuşturuyor.
Fakat Standart Model’in temel soruları cevaplamada her geçen yıl daha da yetersiz kaldığı görülüyor. Mesela evrende neden maddenin zıttı olan antimaddeden çok daha fazla madde var? Evrenimizin görülemeyen dev kısmını ne oluşturuyor? Kütleçekim neden var? Bu soruların cevabı hiç basit değil.
Fakat cevaplar, henüz keşfedilmemiş parçacıklarda yatıyor olabilir. Ancak bu parçacıklar, şimdiye kadar en güçlü parçacık çarpıştırıcılarından kaçmayı başardı. ABD Ulusal Lawrence Livermore Laboratuvarı’nda parçacık fizikçisi olan ve LHC’ye katkıda bulunan Finn Rebassoo, “Şimdiye kadar LHC’de Standart Model’in dışında herhangi bir parçacık bulmadık” diyor.
Devin geliştirilmesi
COVID-19 salgını 2020’de yeniden açılması planlanan LHC’ye sekte vursa da, çarpıştırıcıda çalışanlar 2018’den beri boş durmamış. Yapılan bir yığın teknik geliştirme kapsamında, çarpıştırıcının ışınına ilave yaparak enerjisini yüzde 5 kadar yükseltmişler.
Bu miktar kulağa çok az gibi gelebilir (2020’lerin sonlarında planlanan ve çarpışmaların miktarını artıracak olan Yüksek Parlaklıklı LHC yükseltiminin yanında elbette soluk kalıyor). Fakat bilim insanları, yine de bir farklılık oluştuğunu söylüyor.
ABD Ulusal Brookhaven Laboratuvarı’nda parçacık fizikçisi olan ve LHC’ye katkı sağlayan Elizabeth Brost, “Bu sayede ilginç fizik olaylarının gerçekleşme ihtimali artacak” diyor. “Benim bu konuda en sevdiğim örnek, Higgs bozonu çiftleriyle yüzde 10 daha fazla olay yaşandığını görecek olmamız.”
Standart Model, eşli Higgs bozonlarının son derece nadir görülmesi gerektiğini söylüyor; belki de öyledir. Fakat LHC bol miktarda çift üretirse, henüz keşfedilmemiş bir şey iş başında demektir.
“Bu durum çift taraflı bir kazanç durumu: Ya Higgs ikilisinin oluşumunu yakında gözlemleyeceğiz ki bu durum yeni fizik kanunlarını haber verir; ya da nihayetinde tüm LHC veri setini kullanarak Standart Model’in tahminini doğrulayabileceğiz” diyor Brost.
Yapılan geliştirme işlemleri, daha önce hiç görülmemiş şeyleri görme şansı da sunuyor. ABD Fermilab Parçacık Fiziği Laboratuvarı’nda parçacık fizikçisi olan ve LHC’ye katkı sağlayan Bo Jayatilaka, “Fazladan her bir parça, yeni bir olgunun bulunması için daha fazla olasılık sağlıyor” diyor.
Çok da uzun olmayan bir süre önce olası bir gözlem hedefi bulunmuş; fakat CERN’de değil, Fermilab’da bulunan ve artık kapalı olan eski bir hızlandırıcıda. Eski verileri inceleyen araştırmacılar, atomların içindeki radyoaktif bozunmaya sebebiyet vermekten sorumlu bir parçacık olan W bozonunun beklenenden daha ağır bir kütle taşıyor gibi göründüğünü keşfetmişler. Eğer bu doğruysa, Standart Model’i tamamen değiştirebilir.
Parçacık fizikçileri, doğal olarak bunun doğru olduğundan emin olmak istiyor. W bozonunun bu ölçümünü, hem geçmişteki deneylerden toplanan veriler hem de gelecekte yapılacak deneylerin yeni verileriyle birlikte CERN’de tekrarlamayı planlıyorlar.
LHC’nin yeni geliştirilen tam kapasitesine ulaşması zaman alacak gibi görünüyor. “Genelde LHC tekrar başladığında yavaş bir başlangıç yapar; yani ilk yıldaki veri miktarı sonraki yıllar gibi fazla olmaz” diyor Rebassoo. Üretilen bu verilerin analiz edilmesi dahi zaman alıyor; çarpıştırıcıda çalışan bu büyük fizikçi kitlesi için bile…
Fakat Jayatilaka, çarpıştırıcıda yapılan yeni enerji yükseltimi sayesinde sonuçları önümüzdeki yıl kadar erken bir zamanda görebileceğimizi düşünüyor.
Yazar: Rahul Rao/Popular Science. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
