Hızlandırıcılar

Hızlandırıcılar

Hızlandırmak için elektron veya proton bulmak, oldukça kolay Bazı metaller ısıtıldıklarında, bir kısmı zaten serbest dolaşmakta olan dış kabuk elektronlarının kinetik enerjisi artıyor ve bunlardan bazıları, metal yüzeyinden kaçıp bir elektron ışını oluşturuyorlar Proton ise, hidrojeni iyonlaştırmak suretiyle elde edilebiliyor

Daha sonra bu yüklü parçacıklar, bir elektrik alanının içine yönlendirilip, alanın uyguladığı kuvvetle (qE) ivmelendirilebilir Üzerlerine uygun frekansta elektromanyetik dalga gönderildiğinde, dalganın elektrik alanı bileşeni, yolu üzerinde rastladığı parçacıklara itme kuvveti uygular Kuvvetin yönü, pozitif yüklü parçacıklar için elektrik alanının yönüyle aynı, negatif yüklü olanlar için ise ters yöndedir Dalganın tepesine ya da dibine rastlayan parçacıklara en büyük, orta kısmına rastlayanlara ise daha küçük kuvvetler uygulanır Sonuç olarak parçacıklar, yüklerinin işaretine bağlı olarak, bir veya diğer yönde süpürülmektedir




Gerçi çekirdeği parçalamak suretiyle, yapısı hakkında ek bilgiler edinilebilir Hele ilgi konusu olan, örneğin protonun kendi yapısı ise, o zaman yüksek hızlı protonları kafa kafaya çarpıştırıp, sonuçta nelerin ortaya çıktığına bakmak gerekir Ancak, öylesine yüksek hızlara sahip protonlar sadece, atmosferin üst katmanlarına ulaşan kozmik ışınlarda bulunuyor

Biz ise yerdeyiz Dolayısıyla bu parçacıkları, yerde hızlandırmak, yani hızlandırıcılar kullanmak lazım İki amaçla: Birincisi, parçacıkları çekirdeklerin üzerine gönderip saçılmalarına veya çekirdek parçalanmalarına bakmak suretiyle, çekirdeğin yapısını araştırmak İkincisi ise, parçacıkların kendilerini kafa kafaya çarpıştırarak, neler olduğuna bakmak suretiyle, parçacıkların iç yapılarını anlamaya çalışmak için

Hızlandırıcılar

Hızlandırmak için elektron veya proton bulmak, oldukça kolay Bazı metaller ısıtıldıklarında, bir kısmı zaten serbest dolaşmakta olan dış kabuk elektronlarının kinetik enerjisi artıyor ve bunlardan bazıları, metal yüzeyinden kaçıp bir elektron ışını oluşturuyorlar Proton ise, hidrojeni iyonlaştırmak suretiyle elde edilebiliyor

Daha sonra bu yüklü parçacıklar, bir elektrik alanının içine yönlendirilip, alanın uyguladığı kuvvetle (qE) ivmelendirilebilir Üzerlerine uygun frekansta elektromanyetik dalga gönderildiğinde, dalganın elektrik alanı bileşeni, yolu üzerinde rastladığı parçacıklara itme kuvveti uygular Kuvvetin yönü, pozitif yüklü parçacıklar için elektrik alanının yönüyle aynı, negatif yüklü olanlar için ise ters yöndedir Dalganın tepesine ya da dibine rastlayan parçacıklara en büyük, orta kısmına rastlayanlara ise daha küçük kuvvetler uygulanır Sonuç olarak parçacıklar, yüklerinin işaretine bağlı olarak, bir veya diğer yönde süpürülmektedir

Manyetik alan bileşeni parçacıklara, hareketlerine dik yönde kuvvet uyguladığından, parçacıklar doğru üzerinde değil, spiraller üzerinde kayarlar Dolayısıyla, manyetik alan kuvvetlerinin kinetik enerji artışına bir katkısı, genelde zaten olamadığı gibi, burada da yoktur Parçacıklar, ana hareket yönlerine dik düzlemde de hız bileşenlerine sahip olabildiklerinden, zamanla bu düzlemde bir dağılma gösterirler

Dolayısıyla arada bir ve özellikle de çarpıştırma öncesinde, bir araya getirilmeleri gerekir Bu amaçla tüp boyunca, ara konumlarda yerleştirilmiş, odaklayıcı 'manyetik mercek'ler bulunur Daha ağır olan protonları hızlandırmak, elektronlara oranla daha zordur

Parçacıkların yolları üzerinde atom veya moleküllere rastlayıp çarparak hız kaybetmemeleri için, hızlandırma işinin, vakumlanmış bir tüpün içinde yapılması gerekir Eğer tüp bir doğru şeklinde ise, bu doğrusal bir hızlandırıcı olur Parçacıkların ne kadar yüksek enerjilere çıkması isteniyorsa, tüpün de o kadar uzun olması gerekir Bu durum, tüpün yerleştirileceği tünelin maliyetini arttırır Bunun alternatifi, ek bir manyetik alan uygulamak suretiyle, parçacıkları dairesel yörüngeler üzerinde döndürerek hızlandırmaktır Bu seçeneğe göre inşa edilen dairesel hızlandırıcılara, hızlandırma işlemi için kullanılan alan türlerine ve şekillerine bağlı olarak, 'siklotron' veya 'senkrotron' denir


Parçacıkları R yarıçapındaki bir tüpün içinde tutabilmek için; manyetik alanın ilgili parçacık üzerinde ve parçacığın hareketine dik yönde etki ettirdiği kuvvetin (qvxB/c), merkezkaç kuvvetine (mv2/R) eşit olması gerekir

Bu eşitliğin verdiği yarıçap değeri (R=mvc/qB) sabit kalmak zorunda olduğundan, parçacıklar hızlandıkça, onları yörüngelerinde tutmaya çalışan manyetik alanın şiddeti arttırılmak durumundadır Dolayısıyla, dairesel tüp üzerindeki bazı konumlarda, güçlü elektromıknatıslar bulunur Dairesel hızlandırıcıların maliyetini yükselten unsur da budur
Hızlandırılan parçacık demetleri; ya sabit hedeflerle çarpıştırıldıkları 'sabit hedef,' ya da kafa kafaya getirilerek çarpıştırıldıkları 'ışın çarpıştırma' deneylerinde kullanılır

Parçacıklar hızlandırılma sürecinde, ivmelendirilen her yüklü parçacığın yaptığı gibi, ışıyarak enerjilerinin bir kısmını kaybederler Kayıp miktarı, parçacıklar hızlandıkça giderek artar ve dairesel hızlandırıcılarda, ek bir merkezkaç ivmesinin de varlığı nedeniyle, daha yüksektir Buna karşılık doğrusal hızlandırıcılarda, hızlandırılmış olan demetlerin, başarıyla çarpıştırılamamaları halinde, hızlandırılmaları için harcanmış olan çabanın tümüyle boşa gitmesi söz konusudur Halbuki dairesel hızlandırıcılarda, demetleri daha sonraki turlardan birinde tekrar bir araya getirmek imkanı vardır






Doğrusal hızlandırıcılar, sabit hedef deneylerinde kullanıldıkları gibi, ışın çarpıştırmalarında da kullanılabilirler Bazen ön hızlandırıcı olarak kullanılırlar ve hızlandırdıkları parçacıklar dairesel hızlandırıcıya aktarılırlar Dairesel hızlandırıcılar da keza; doğrusal bir tüpe aktarımla sabit hedef deneylerinde veya doğrudan ışın çarpıştırıcı olarak kullanılabilirler Tabii, çarpışmadan geriye kalan veya çarpışma sırasında ortaya çıkan ürünlerin belirlenmesi, deneylerin ana hedefidir Bu amaçla çok çeşitli parçacık belirleyicileri (dedektör) kullanılmak durumundadır Sabit hedef deneylerindeki hedef çoğu zaman, bu belirleyicinin içindeki bir malzemedir

MADDENİN TEMEL YAPI TAŞLARINI ARADIĞIMIZ LABORATUVARLAR

HIZLANDIRICILAR

Bir maddenin içinde ne olduğunu görmek için en ilkel çağlardan
beri kullandığımız bir yöntem, o maddeyi küçük parçalarına ayırmaktır
Önce mekanik yollarla, kırmak istediğimiz cismi bir başka cisme
çarptırmak suretiyle onu küçük parçalara ayırırız Daha çok miktarda
ve daha küçük parçalara ayırmak istersek, yapmamız gereken bu
cisimleri birbirine daha hızlı çarptırmaktır Hızlandırıcılarda
yapılan da tam anlamıyla budur Değişik türleri olmakla beraber
(dairesel veya doğrusal hızlandırıcılar, lepton veya hadron
çarpıştırıcıları, vs) bütün hızlandırıcılarda yüklü parçacıklar
elektrik ve manyetik alanlar kullanılarak hızlandırılarak, hassas
dedektörlerin içinde birbirleri ile çarpıştırılırlar ve dedektörler
aracılığıyla da çıkan parçacıklar incelenir

Hızlandırıcılar geliştirildikçe ve enerjileri arttıkça, bilim
insanları bir sürprizle karşılaştı İki elektron çarpıştığında, eğer
elektronların enerjileri yeterince fazlaysa, ortaya çıkan parçacıklar
arasında, ağırlığı elektronun ağırlının yaklaşık 2000 katı olan proton
da dahil olmak üzere, pek çok parçacık ortaya çıkıyordu Ne olmuştu?
Elektorunun içinde, proton mu vardı ki ortaya çıkmıştı, yoksa başka
bir süreç mi gerçekleşmişti? Gerçekte olan, Einstein'in görelilik
kuramında ortaya koyduğu enerji madde eşitliğine göre (E=mc") enerji
maddeye dönüşmüştü İlk elektronların birbirlerine çarparken sahip
oldukları hareket enerjilerinin bir kısmı, proton ve diğer parçacıklar
olarak kütleye dönüşmüştü

Hızlandırıcılarda, sadece proton, nötron ve elektronlar
gözlemlenmez Kuvvetli etkileşim dediğimiz etkileşimlerden etkilenen
proton ve nötron gibi pek çok "ağır" parçacık gözlemlenir Bunların
hepsine "baryon" adı verilir
Baryon, Yunanca "ağır" anlamında barus kelimesinden gelir
Gözlemlenen bir başka kuvvetli etkileşen parçacık grubuysa "orta
ağırlıkta" olan mezonlardır Bu parçacıkların ismi ise yine Yunanca'da
"orta" anlamına gelen mesos kelimesinden gelmiştir Kuvvette etkileşen
hadron ve mezonlar dışında, kuvvetle etkileşmeyen ve kütlesi dışında
elektronun kopyaları olan muon ve leptonlarıyla, elektronun
nötrinosunun neredeyse kopyası olan muon nötrinosu ve tau nötrinosudur
ve bu iki sınıfın dışında da kütleleri protonun kütlesinin yaklaşık 80
katı olan W ve Z bozonları ile, kütlesiz fotonlardır

Her ne kadar günümüzde bazı baryonlardan daha ağır mezonlar,
veya leptonlar yaratabiliyor isek de, isimleri konduğunda, bu
parçacıkları birbirinden ayıran en önemli özelliğin kütleleri olduğu
sanılıyordur Bugünkü bilgilerimiz dahilinde leptonlar (elektron,
muon, tau ve bunların nötrinoları) ile W ve Z bozonları ve fotonun bir
iç yapısı olmadığına, yani bunların temel parçacık olduğuna
inanılmakta Mezonların ve baryonlarınsa onlardan daha temel
kuarklardan oluştuğu biliniyor Bildiğimiz bütün baryonlar ya üç
kuark, ya da üç anti-kuarktan oluşur, bütün mezonlarsa bir kuark ve
bir anti-kuarktan oluşur

Anti-kuarklar, kütle, spin gibi özellikleriyle kuarklarla özdeş
olmakla beraber, elektrik, zayıf, vb yükleri kuarkın tam tersidir
Sadece kuarkların değil, bütün parçacıkların anti (karşıt)
parçacıkları vardır Foton herhangi bir yükün olmadığı için anti
parçacığı da kendisine eşittir Madde ve anti madde bir araya
gelirlerse, büyük miktarda enerji açığa çıkararak birbirlerini yok
ederler