|
20. yüzyılın
başlarında, atomun yapısı keşfedildi. Atomun atom-altı parçacıklar denilen daha
küçük parçacıklardan (en bilinenleri, proton, nötron ve elektron) oluştuğu
bulundu. Bununla birlikte, 20. yy’ın ikinci yarısında yapılan deneyler,
atom-altı yapısının daha kompleks olduğunu gösterdi. Parçacık ivmelendiriciler
elektron gibi bir parçacığı alabilir ve ışık hızına yakın bir hıza kadar
hızlandırabilir, bir atomla çarpıştırabilir ve böylece onun iç kısımlarını
keşfedebilir.
Photo courtesy Brookhaven National Laboratory
Rölatvistik Ağır İyon Çarpıştırıcısında iki altın ışın demetinin
çarpışmasının son görünüşü.
sBu makalede, bu şaşırtıcı cihaza ve elde ettikleri sonuçların maddenin temel
yapısı, onu bir arada tutan kuvvetler ve evrenin başlangıcı hakkında bize nasıl
bilgi verdiğine bakacağız.
Atomları
Parçalama
1930’larda, bilim adamları kozmik ışınları araştırdı. Bu yüksek enerjili
parçacıklar (protonlar) kurşun atomlarına (yani atomun çekirdeğine) çarptıkları
zaman, daha küçük olan bir çok parçacık ortaya çıkardılar. Bu parçacıklar proton
ya da nötronlar değildi, daha küçük parçacıklardı. Bu nedenle, daha temel
parçacıklardı. Araştırma, bu parçacıklar için başladı.
Photo courtesy
Brookhaven National Laboratory
Rölatvistik Ağır İyon Çarpıştırıcısında iki altın ışın demetinin çarpışmasının
yan görünüşü.
Bu durumda,
yüksek enerjili parçacıkları atomlarla çarpıştırmanın tek yolu, kozmik ışınların
en fazla olduğu yere, dağların zirvelerine gitmek ve deneyleri orada yürütmekti.
Bununla birlikte, fizikçiler, kısa bir süre sonra parçacık ivmelendirici ya da
atom parçalayıcıları adı verilen cihazlar yaptılar. Bu cihazlarda, parçacıkları
yüksek hızlara ivmelendirirsiniz- yüksek kinetik enerjiler- ve bunları hedef
atomlarla çarpıştırırsınız.
Çarpışma
sonucu oluşan parçacıklar, radyasyon açığa çıkması gibi, saptanır ve analiz
edilir. Elde edilen sonuçlar bize atomu yapan parçacıklar ve bunları bir arada
tutan kuvvetler hakkında bilgi verir. Bir parçacık hızlandırıcı, Empire State
Binasından aşağı düşen bir televizyonun parçalarına bakarak yapısını saptamak
gibi tanımlanabilir.
Bir parçacık
ivmelendirici (hızlandırıcı)
Şu anda evinizde bir çeşit parçacık ivmelendiriciniz olduğunu biliyor muydunuz?
Aslında, büyük ihtimalle bu makaleyi biriyle okuyor olmalısınız. Herhangi bir
TV’nin ya da bilgisayar monitörünün katot ışın tüpü (cathode ray tube, CRT)
aslında bir parçacık hızlandırıcıdır.
CRT katottan parçacıkları (elektronları) alır, hızlandırır ve bir vakumda
elektromıknatısları kullanarak hızlanmış parçacıkların yönlerini değiştirir ve
daha sonra bunları ekrandaki fosfor moleküllerinin içinde dağıtır. Çarpışma, TV
ya da bilgisayar monitörünüzde aydınlatılmış bir spot ya da piksel olarak
sonuçlanır.
Bir parçacık ivmelendirici de aynı şekilde çalışır. Ancak onlar daha
büyüktürler, parçacıklar daha hızlı hareket ederler ( neredeyse ışık hızında) ve
çarpışma sonucu atom-altı parçacıklar ve çeşitli nükleer radyasyonlar oluşur.
Parçacıklar cihaz içerisindeki elektromanyetik dalgalarla ivmelendirilir, bir
sörfçünün dalgalar tarafından itilmesi gibi. Parçacıkları ne kadar enerjik
yaparsak, maddenin yapısını da o kadar iyi görebiliriz. Bunu bilardoya da
benzetebiliriz. Istaka, topu hızlandırınca (enerji verilmiş parçacık) top daha
fazla enerji alır ve böylece diğer topları daha iyi saçabilir (daha fazla
parçacık salar).
Parçacık
ivmelendiriciler iki temel şekilde olur:
-
Doğrusal
- Parçacıklar uzun, düz bir
yol izler ve hedefle çarpışır.
-
Dairesel
- Parçacıklar hedefle çarpışana kadar bir dairenin çevresinde hareket eder.
Doğrusal ivmelendiricilerde, parçacıklar vakumda, aşağı doğru uzun bakır bir
tüpte ilerler. Elektronlar, klystronlar adı verilen dalga jeneratörleri
tarafından yapılan dalgalara binerler. Elektromıknatıslar parçacıkların dar bir
ışın demeti şeklinde olmasını sağlarlar. Parçacık ışın demeti, tünelin sonunda
bir hedefe çarptığı zaman, çeşitli dedektörler olayları kaydeder – atom-altı
parçacıkları ve salınan radyasyonu. Bu ivmelendiriciler devasadır ve yeraltında
tutulurlar. Doğrusal ivmelendiriciye bir örnek olarak, California’daki Stanford
Linear Accelerator Laboratory (SLAC)’da bulunan linac adında, yaklaşık
1.8 mil (3 km) uzunluğunda bir doğrusal ivmelendiriciyi söyleyebiliriz.
Photo courtesy SLAC
SLAC doğrusal ivmelendiricinin havadan bir görünüşü: linac yer altındadır ve
beyaz çizgilerle gösterilmiştir.
Dairesel
ivmelendiriciler
linaclarla
aynı işi yaparlar. Bununla birlikte, uzun doğrusal bir yol kullanmak yerine,
parçacıkları dairesel bir yol boyunca defalarca ilerletirler. Her geçişte,
manyetik alan güçlenir böylece parçacık ışını her ardışık geçişte ivmelenir.
Parçacıklar en yüksek hızlarına ya da tasarlanan hızlarına ulaştıkları zaman,
ışının yoluna hedef yerleştirilir, dedektörlerin içine veya yanına. Dairesel
ivmelendiriciler 1929’da icat edilen ilk ivmelendirici tipidir. Aslında, ilk
cyclotron (aşağıda gösterilmiştir) sadece 4 inç (10 cm) çapındaydı.
Photo courtesy Lawrence Berkeley National Laboratory
İlk parçacık ivmelendirici (cyclotron), Ernest O. Lawrence tarafından
1929 yılında geliştirilmişti.
Lawrence'ın cyclotron’u birbirinden küçük bir boşlukla ayrılmış iki tane Dee adı
verilen D-şekilli mıknatıs kullanıyordu. Mıknatıslar dairesel bir manyetik alan
üretiyorlardı. Salınımlı bir voltaj, parçacıkları (iyonları) ivmelendirmek üzere
mıknatıslar arasındaki boşlukta bir elektrik alan yaratıyordu. Parçacıklar daha
hızlı hareket ettikçe, bir hedefe çarpana kadar dairesel yollarının çapı daha da
büyüyordu. Lawrence’ın cyclotron’u etkileyiciydi ama modern ivmelendiricilerin
ulaştığı enerjilere ulaşamıyordu.
Modern dairesel ivmelendiriciler parçacıkları hızlandırmak amacıyla bakır
dairesel bir tüpün etrafında klystronlar ve elektromıknatıslar
bulundururlar.Çoğu dairesel ivmelendiriciler parçacığı halkaya girmeden önce
başlangıçta hız kazandırmak için kısa bir doğrusal hızlandırıcıya sahiptirler.
Modern dairesel ivmelendiriciye örnek olarak, Illinios’ta
Fermi National Accelerator
Laboratory (Fermilab)’de bulunan ve yaklaşık 10 mil²’ ye (25,6
km² ) uzanan ivmelendiriciyi gösterebiliriz.
Photo courtesy
Fermilab
Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab)’nin havadan görünüşü.
Bir parçacık ivmelendiricinin içi
Bütün parçacık
ivmelendiriciler, doğrusal veya daireseller, aşağıdaki gibi temel kısımlara
sahiptirler:
-
Parçacık kaynağı
– ivmelendirilecek parçacık sağlarlar.
-
Bakır tüp
– parçacık ışını vakumda bu tüpün içerisinde ilerler.
-
Klystronlar
– Parçacıkların bindiği mikrodalgaları yapan mikrodalga jeneratörleri.
-
Electromıknatıslar
(konvensiyonel,
süperiletim ) – vakumda ilerlerken parçacıkları dar bir bölgede sınırlar ve
ayrıca gerektiği zaman ışını yönlendirir.
-
Hadefler
– ivmalandirilmiş parçacıkların çarpıştıkları şeydir.
-
Dedektörler
– Çarpışmadan oluşan parçacık ve salınan radyasyona bakan cihazlar
-
Vakum sistemleri
–İvmelendiricinin tüpündeki hava ve tozları temizler
-
Soğurma sistemleri
– mıknatıslar tarafından
üretilen ısıyı giderir
-
Bilgisayar / elektronik
sistemler –
ivmelendiricinin çalışmasını kontrol eder ve deney datalarını analiz eder
-
Koruyucu kılıf
–Operatörleri, teknisyenleri ve diğer insanları deneyler sırasında oluşan
radyasyondan korur
-
Görüntüleme sistemleri
– güvenlik amaçları için, ivmelendiricinin içinde neler olduğunu görmek
amacıyla kullanılan kapalı-çevrim televizyon ve radyasyon dedektörleri
-
Elektriksel güç sistemi
- cihazın tümü
için elektrik sağlar
-
Depo halkaları
- parçacık ışınlarını
kullanılmadıkları zaman geçici olarak depolar
Photo courtesy SLAC |
