HIZLANDIRICILAR VE ÇARPIŞTIRICILAR
Atom veya atomaltı ölçeğinde teknik alanda olduğu kadar araştırma alanında da ihtiyaç duyulan, yapısı, yönü ve enerjisi kesinlikle bilinen parçacıkları elde bulundurmada yarar vardır. Parçacıkların doğal kaynaklan, radyoaktiflikle kozmik ışımadır. Radyoaktiflik ancak düşük enerjili parçacıklar sağlar. Kozmik ışımasıysa, bizi rastgele bir biçimde Dünya yüzeyine dağılmış, öngörülmeyen enerjilerdeki parçacıklarla bombardıman eder. Bu bakımdan, 1920'li yılların sonuna doğru araştırmacılar, parçacıkları hızlandırabilecek ilk düzenekleri tasarlamaya başladılar.
Ancak, bir elektrik yükü taşıyan kararlı parçacıklar (elektronlar veya protonlarla bunların karşıt parçacıkları ve her tür iyon) bir elektrik alanı etkisi altında hızlandırılabilir. Ama, sabit elektrik alanları birkaç milyon volttan fazlasını veremez ve bu sınırları geçmek için iki tür düzenek kullanılır. doğrusal hızlandırıcılar’da parçacıklar, bir vakum tüpü içinde bir doğru boyunca hareket eder ve alternatif elektrik alanının uygun altemaslarınca hızlandırılır. Daha sonra bu parçacıklar kullanılmak üzere fırlatılır; çembersel hızlandırıcılar da manyetik bir alan parçacıkları saptırarak, kapalı bir yörünge içinde kalmaya zorlar. Bu parçacıklar her devirde, geçişleriyle aynı faza ayarlanan bir alternatif elektrik alanınca hızlandırılır. Maksimum enerjiyi artırmak için çeşitli teknik seçenekler art arda uygulanır. Çevrimsel hızlandırıcılar, eşzamanlı hızlandırıcılar, eşzamanlı çevrimsel hızlandırıcılar, vb. Enerjiyi daha iyi kullanmak için çarpıştırıcılar tasarlanmıştır. Bunlarda karşıt yönlerde dolaşan küçük parçacık paketleri karşılaşır. Bugün kullanılan en büyük hızlandırıcılar bu türdendir. Bunlar, Evren’in temel bileşenlerini oluşturan temel parçacıkları incelemede kullanılan aygıtlardır. Parçacık çarpıştırıcılarında kullanılan enerji, 1930 yılından başlayarak katlanarak arttı. Bu eğilim daha küçük uzay-zaman yapılarını inceleme çalışmalarında gene artarak devam edeceğe benzemektedir. Bu da giderek daha çok enerji toplanacağı anlamına gelir.
Çarpışmaları Oluşturma
Atomlar, çekirdekleri ve bunları oluşturan parçacıkların boyudan, görünen ışığın dalga boylarından oldukça küçüktür. Oysa bir cisim ancak kendi boyutlarından küçük dalga boyuna sahip bir ışık yardımıyla gözlemlenebilir. Bu bakımdan, parçacıklann, hatta atomların yalnız doğal ışıkla gözlemini yapma umudu hiç yoktur. Ne var ki Louis de Broglie, hareket halindeki bir parçacığın (elektron, proton, foton ...) bir kuvantum cismi veya kuvanton olduğunu ve buna bağlı dalga boyunun, enerjisi ne kadar büyükse o kadar küçük olduğunu kanıtladı. Bu yüzden fizikçiler, maddenin bileşenleriyle çarpıştırmak için yüksek enerjili parçacıklar elde ederek, maddenin yapısının gözlemini bu aşırı ince ışık yardımıyla yapmaya çalıştılar. Ama bu tür darbeler, enerji birikimi yeterliyse, fiziğin temel etkileşimlerine bağlı süreçlere göre az çok kısa ömürlü başka parçacıkların ortaya çıkmasına yol açabilir (Einstein tarafından küteyle enerji arasında kurulan E = m.c2 bağıntısı). Böylece hızlandırıcılardan çıkarılan parçacıklar maddî hedefler üzerine fırlatılır (sıvı hidrojenin protonları veya daha iri çekirdekler). Doğrudan çarpışmalar da incelenebilir (mesela, ağır iyonlarla oluşan tepkimeler durumunda). Ayrıca bunlar bir başka yapıda ve çoğunlukla kararsız olan pionlar, kaonlar, hiperonlar, müonlar, nötrinolar ..., gibi parçacıkları üretmek için de kullanılır; bu parçacıklar, nükleer maddenin çeşitli özelliklerini bulmada sonda görevi yapar. Parçacıkları ayırmayı sağlayan düzenekler (elektromıknatıslar, manyetik mercekler, soğurucular) kullanılarak istenen parçacıklar seçilebilir. Bu şekilde üretilen yan ışın demetleri de sabit hedefti deneyler için maddî hedefler üzerine fırlatılır; böylece çarpışmalardan çıkan çeşitli ve farklı parçacıklar algılanır.
Hızlandırıcılar
Yüklü parçacıklara birkaç JL MeV’luk (milyon elektron- volt) bir enerji iletebilmek için, bunları birkaç milyon voltluk bir elektrik alanı içine püskürtmek yeterlidir. Bu bazı teknik zorluklar doğurur (delinme, kararlılık problemleri), ama 25 MeV’luk enerjiler, Van de Graaff hızlandırıcılarında oldukça yaygındır. Bunlarda yüksek gerilim, bir yalıtkan kayışla taşman elektrik yüklü elektrot üzerinde elde edilir.
Daha büyük enerjiler için R. Wideroe, alternatif elektrik alanı kullanmayı tasarladı. Bu alanı, yanlış yönde olduğunda ekran görevi yapacak uzayan metal borularla örtmeyi düşünüyordu. Bu sistem gittikçe daha da iyileştirildi,doğrusal hızlandırıcılarda veya linac’larda parçacıkların dolaştığı vakumlu boru bir dalga yönlendiricisidir ve elektrik alanı, bu borunun içinde parçacıklarla aynı zamanda dolaşır. Bu parçacıklar da böylece bütün yolları boyunca, hızlandırma kuvvetinin etkisi altmda kalır. Linaclar, iyonların (orta enerjilere kadar) ve özellikle elektronların hızlandınlmasma yarar. Yüksek frekanslı alanlarla elektronlar, bugün metrede 10 MeV’a kadar hızlandırılabilir, aşırıiletkenli ve çok yüksek frekanslı hızlandırıcı boşluklar kullanma alanında, büyük ilerlemeler beklenmektedir.
1932 yılında E. O. Lavvrence parçacıkların yörüngesini manyetik bir alanla eğrileştirmeyi düşündü, böylece parçacıklar birçok defa aynı elektrik alanı içinden, alanla aynı fazda kalarak geçmeye zorlanır. Çembersel hızlandırıcılar bu ilkeye dayanır. Böylece parçacıklar her devirde hız kazanır ve çok yüksek enerjilere ulaşır. Manyetik alan sabitse, parçacıkların yörünge çapı her devirde artar ve sonunda, fırlatıldıkları mıknatısın uçlarına gelir, bu şekilde çalışan çevrimsel hızlandırıcı 30 MeV’a kadar çıkabilir. Aynı ilkeye dayanarak, parçacıkların hızları üzerinde göreliliğin etkisini anlamak için hızlandırıcı alanın frekansı değiştirilerek birkaç yüz MeV elde edilebilir. Bu sonuç, ağır iyonlan hızlandırmada hâlâ çok kullanılan eşzamanlı çevrimsel hızlandıncı’larda elde edilebilir.Maksimum enerjiyi daha da artırmak için E. M. McMillan parçacıkları değişken çaplı bir çember üzerinde döndürmeyi düşündü; eşzamanlı hızlandma’nın ilkesini oluşturan bu düzeneğin manyetik alanı parçacıkların enerjisi arttıkça büyüyen bir elektromıknatıslı halkadan oluşur. Eşzamanlı hızlandırıcıların kapasitesi, birçok iyileştirmeyle on katına çıkarıldı. Bu iyileştirmeler arasında parçacıkların kuramsal yörüngesi çevresinde fazla salınım yapmasını önleyen düzenekler (güçlü odaklaştırma ve manyetik merceklerin kullanımı), aşırı iletkenli mıknatıslar ve hızlandırıcı boşlukların kullanımı, parçacıkların dağılmasını önlemek için aşırı bir vakum uygulama sayılabilir. Büyük eşzamanlı hızlandırıcıların çember uzunluklan birkaç km’ye ulaşır. Protonların enerjisi de TeV’a (teraelektronvolt, bir milyon MeV) yaklaşır. Ama ister protonları, ister elektronlan hızlandırsın, en büyük eşzamanlı hızlandmcılar daha çok çarpıştırın olarak kullanılmaktadır.
Çarpıştırıcılar
Hareket halinde bir parçacık durmakta olan bir parçacığa çarparsa, yalnız iki parçacığın kütle merkezi enerjisi, gerçek anlamda çarpmada kullanılmış olur. Bu enerji, gelen enerjinin ancak biryüzdesidir. Gelen enerji büyüdüğü ölçüde bu değer küçülür. Bu olaydan, karşıt yönlerde dolaşan parçacıklar arasında önden çarpışmalar oluşturma düşüncesi doğdu, bu durumda kütle merkezi enerjisi gelen enerjilerin toplamına eşittir. Ama hızlandmcılarda üretilen parçacık demetleri pek tıkız değildir ve parçacıklar çoğunlukla birbirine çarpmadan geçer. Ters işaretli parçacıklardan oluşan demetler (elektronlar ve pozitronlar veya protonlar ve kaışıtprotonlar) aynı manyetik halka içinde karşıt yönlerde dolaştırıldığında, küçük parçacık paketleri arasındaki karşılaşmalar bu dolaşımın her devrinde, saniyede milyonlarca kere tekrarlanır. Özel bir manyetik optik sayesinde bu paketleri odaklaştırmada ve olabildiğince tıkız hale getirmede başarı sağlanmış, böylece çok yüksek enerjili çarpışmalar elde edilmiştir. Çarpışma halkaları’nın ilkesi bu olaya dayanır. Parçacıkların aynı elektrik yükü varsa birbiriyle kesişen iki manyetik halkaya ihtiyaç duyulur (kesişen halkalar). Bunun sakıncası, bir çarpıştırıcının yalnız bir tür çarpışmaya imkân vermesidir.
Bu makineler önce elektron-pozitron (e~e*) çarpışmaları için kullanıldı; bu çarpışmalarsa oldukça basit bir fiziksel sistem oluşturdu ve çok sayıda önemli buluşa neden oldu. Hafif parçacıklar olan elektronlar, yörüngeleri eğrildiğinde (eşzamanlı hızlandırıcı ışıması) enerjilerinin büyük bir kısmını kaybeder. Bu bakımdan, büyük boyutlarına rağmen (Cem’deki LEP’in [Large Electron Positron Collider] çember uzunluğu 27 km’dir ve 100 GeV’luk enerji üretebilir) elektron çarpıştırıcıları, en yüksek enerjilerin elde edilmesini sağlayan makineler değildir.
Protonlarla karşıtprotonlar çok daha ağır parçacıklardır ve bunlar daha az eşzamanlı hızlandırıcı ışıması yayımlar, bu yüzden şiddetli manyetik aIanların kullanımına imkân verir. Chicago’daki Tevatron 7 km’lik çember uzunluğu için 2 000 GeV’a ulaşır. (2 TeV). Avrupa ve Amerikan projeleri olan LHC (Large Hadron Collider [LEP ile aynı tünelde yer alacaktır]) ve SSC (Superconducting Süper Collider, |Texas’ta inşa edilecektir]) sırasıyla 16 000 ve 40 000 GeV’a erişecektir.
Elektronlar için de beklenen eşzamanlı hızlandıncı ışımasını aşabilmek için, doğrusal çarpıştırıcılar kullanarak yukarıdakilere yakın enerjiler elde etme umudu vardır. 1989 yılında hizmete giren, 3 km uzunluğundaki SLC (Stanford Linear Collider) bu türün ilk prototipidir. Bununla birlikte bu teknik parçacıkları çok küçük paketler halinde toplamayı (20-30 angström, yani milimetrenin milyonda biri çapında) gerektirmekte, böylece e-e* çarpışmaları sağlanmaktadır. Çok sayıda araştırma konusu olan bu teknikten ilerde gerçekten yararlanılabileceğine kesin gözüyle bakılmaktadır. Hamburg’daki HERA çarpıştırıcısı, kendi türünde tektir ve elektron-proton melez çarpışmalannda kullanılmaktadır.
Hızlandırıcılar ve Kullanım Alanları
Parçacık fiziği mümkün olan en yüksek enerjili hızlandrıcıları kullanır. Kullanılabilecek bütün imkânlar sonrasında bir hızlandırıcının daha büyük bir hızlandıncıya parçacık verici olarak da kullanılması, bu sonuncununsa daha da büyük bir hızlandıncıya aynı görevi yapması ender bir durum değildir. Böylece, laboratuvarlann çoğunda çeşitli kuşaklara ait gerçek hızlandırıcı komplekslere rastlanmaktadır.
Ama hızlandırılmış parçacıkların da uygulama alanları vardır. İstenen parçacık ve enerjiye göre, hızlandırma tekniklerinden biri veya öteki kullanılabilir. Nitekim, Van de Graaff hızlandırıcıları yarıiletkenlerin yüzeylerine ağır iyonlan yerleştirmede, sanat eserlerinin tarihlerini belirlemede ve incelenmesinde kullanılır. Eşzamanlı çevrimsel hızlandırıcılar ağır iyonları hızlandırır ve çok küçük delikli filtreleri üretmede veya yüzey işlemede kullanılır. Nihayet çevrimsel elektron hızlandırıcıları hekimlikte, tümörlerin tedavisinde kullanılmaktadır. Hafif parçacıklar olan elektronların yörüngeleri eğrildiğinde enerjilerinin bir kısmını ışımayla kaybetmesi, uzun süre çembersel elektron hızlandırıcılarının imkânlarını sınırlayan bir olay olarak kabul edildi, ancak bu görüş, fizikçiler, bu eşzamanlı hızlandıncı ışımasının başka yöntemlerle elde edilmesi zor olan dalga boyunda fotonlardan oluşan yoğun bir akı oluşturduğunu görünce değişti. Eski eşzamanlı elektron hızlandıncılan (ACO ve Orsay’deki DCİ gibi), sonra bu kullanım için özellikle tasarlanan ve yapılan hızlandırıcılar (Grenoble’daki ESRE Avrupa eşzamanlı hızlandırıcısı gibi) arka arkaya katı maddeleri, yüzey kusurlarım, proteinlerin ve başka organik moleküllerin yapılarını incelemek için kullanıldı.
Hızlandırıcılar çok gelişmiş teknolojiler kullanır. Bu teknikler arasında çok yüksek frekanslı elektrik alanları, klasik veya aşırı iletkenli elektromıknatıs manyetik alanlan, aşın vakumlar, karmaşık bilişim düzenekleri sayılabilir. Bu nitelikleriyle hızlandmcılar, çok ileri teknikler için bir deneme aracı olmakta ve sanayileşmiş ülkeler (veya kıtalar) arasında büyük bir rekabet doğurmaktadır. Çok büyük boyutu ve çok yüksek maliyetiyle bu bilimsel aygıtlar, yüksek bilim denen yeni bir bilimsel örgütlemenin gelişmesini sağladı. Aym zamanda uluslararası işbirliğinin yaratılmasında da büyük katkıları olan bu hızlandırıcıların en önemli örneği 1952 yılında Avrupa Nükleer Araştırma Konseyi adıyla kurulan ve daha sonra Avrupa Parçacık Fiziği Laboratuvan (Cem) adını alan kuruluştur.