Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Nedir? Ne İşe Yarar?

Dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısı olan büyük hadron çarpıştırıcısı (İngilizce: Large Hadron Collider (LHC)), CERN’in en yeni makinesidir. Parçacıkları dairesel yollarında tutan süper iletken mıknatıslardan ve parçacıkları yüksek enerjilere hızlandıran hızlandırıcı yapılardan oluşan 27 kilometrelik bir çevreye sahip bir halkadan oluşur.

Hızlandırıcılar için tüm kontrol sistemi CERN kontrol merkezinde yer almaktadır. Buradan, LHC’deki parçacık demetleri hızlandırıcı halkasındaki dört noktada çarpışmaya aşamasına getirilir: Yani tam olarak dedektörlerin bulunduğu yerde.

Parçacıklar, ultra yüksek vakumun hakim olduğu iki ayrı ışın tüpünde zıt yönlerde demetlenmiş ışınlar olarak uçarlar. Farklı tip ve boyutlarda binden fazla mıknatıs, parçacık ışınlarını hızlandırıcının dairesel yolu boyunca yönlendirir: Işınları saptırmak için her biri 15 metre uzunluğunda ve 30 ton kütlesinde 1232 dipol mıknatıs ve ışınları odaklamak için her biri beş ila yedi metre uzunluğunda 392 kuadrupol mıknatıs bulunur. Parçacıklar maksimum enerjide çarpışmadan önce, mıknatıslar parçacık demetinin tam anlamıyla birbirine sıkıştırılmasını sağlar. Bu da çarpışma olasılığını artırır.

Elektromıknatısların bobinleri, içinden akımın dirençsiz ve dolayısıyla enerji kaybı olmadan aktığı süper iletken kablolardan geçerek sarılır. Bunu yapmak için mıknatısların yaklaşık -271°C’ye kadar soğutulması gerekiyor – bu, uzay boşluğundan daha soğuk bir değer! İstikrarlı bir soğutma sağlamak için hızlandırıcı sıvı helyum dağıtım sistemine bağlanmıştır.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Ne İşe Yarıyor? Ne Arıyor?

Genel olarak, büyük hadron çarpıştırıcısında (LHC) yer alan deneylerin madde ve etkileşimlerinin mevcut anlayışını genişletecek temel keşiflere yol açması beklenmektedir. En önemlisi Higgs parçacıklarının ve süpersimetrik parçacıkların keşfi konusunda büyük beklentiler bulunuyor. LHC’de erişilebilen enerji aralığı, parçacık fiziğinin standart modelinin ötesinde olası yeni fiziksel olaylara erişim sağlayan parçacık fiziği için önemli bir alanı temsil etmektedir.

İlginizi Çekebilir: Higgs Bozonu (Tanrı Parçacığı) Nedir? Ne İşe Yarar?

LHC, Standart Model’deki Higgs parçacığı için olası tüm kütle değerlerini keşfetmeye ve ilgili senaryoların karşılık gelen parametre aralığını kapsamaya olanak sağlayacaktır. Eğer doğada bu parça gerçekten oluşuyorsa, Higgs bozonu LHC deneylerinden kaçamaz. Öte yandan, elektrozayıf simetri kırılması – elektrozayıf kuvvetin evrenin enerjisi azaldıkça elektromanyetik ve zayıf kuvvetlere ayrılması – başka mekanizmalardan kaynaklanıyorsa, bu yeni etkileşimlerin işaretleri LHC’de keşfedilmelidir. Kütleleri üç trilyon elektronvolta kadar olan süpersimetrik parçacıklar LHC’de yaratılabilir ve tespit edilebilir. Şu ana kadar, süpersimetri sinyallerinin temelde LHC’nin erişimi dışında kalacağı ikna edici bir senaryo gösterilememiştir.

LHC’de bulunabilecek daha birçok yeni fenomen düşünülebilir: Olası daha yüksek uzay boyutlarının işaretleri; yeni simetrilerden ortaya çıkan W veya Z parçacıklarıyla ilgili ağır bozonlar ve çok daha fazlası. Buna ek olarak, LHC’deki deneyler, özellikle W bozonları ve üst kuarklar gibi ağır parçacıkların özellikleriyle ilgili olarak standart model’in temel parametrelerinin ölçümünü iyileştirmeyi vaat ediyor.

B mezonlarıyla ilgili araştırma programı, LHC’deki proton-proton çarpışmalarında üretilen olağanüstü yüksek sayıdaki alt kuark ve anti alt kuark çiftlerine dayanmaktadır. Bu, yeni fenomenleri tanımlamak için kullanılabilecek çok nadir reaksiyonların veya CP ihlalli bozunumların incelenmesi için önemlidir.

LHC’nin ağır iyon programı gücünü, ağır iyonların çarpışması sonucu ortaya çıkabilecek yüksek yoğunluktaki maddeden almaktadır. Bu, başlangıçta var olan serbest kuarklar ve gluonlar hadron haline gelmeden önce, Büyük Patlama’dan yaklaşık 10-⁶ saniye sonra QCD faz geçişinden kısa bir süre önce var olanlar gibi reaksiyonlar için deneysel koşullar oluşturmayı mümkün kılar.

Parlaklık

Proton içindeki kuark ve gluonların çok nadir görülen ilginç etkileşimlerinin yeterince sık gerçekleşebilmesi için yüksek bir parlaklığa ulaşılması gerekir. Bu miktar, zaman başına olası etkileşimlerin sayısını tanımlar.

Geçmişte, yüksek enerjili hızlandırıcılar tipik olarak saniyede 1032 çarpışma ve santimetre kare (cm-2s-1) parlaklıklara ulaşmıştır. LHC’nin parlaklığı 1034cm-2s-1 olacaktır ki bu değer düşük enerjide çalışan B-mezon çarpıştırıcısının yakın zamanda ilk kez ulaştığı bir değerdir.