CERN Geleceğini Planlıyor

İsviçre-Fransa sınırında kurulmuş olan CERN’de, LHC (Large Hadron Collider -Büyük Hadron Çarpıştırıcı) ile bilimsel araştırmalar yürüten bilim insanları, bir taraftan bu devasa makina ile çalışmalarına devam ederken bir taraftan da maddeyi daha derinlemesine incelemek, keşfedilmeyi bekleyen yeni fiziğe ulaşmak için daha büyük bir hızlandırıcının hayalini kurmaya çoktan başladı: FCC (Future Circuler Collider – Yeni Nesil Çembersel Hızlandırıcı).

Yeni Nesil Çembersel Hızlandırıcı

Higgs parçacığını keşfeden meşhur LHC çalışmalarına son sürat devam ediyor. Diğer yandan LHC’yi geliştirmek için çalışmalar da çoktan başladı. Çalışmalar öncelikle ışınlığı (çarpışma sonrası ortaya çıkan parçacık sayısı ile orantılı bir parametre) artıracak ve 2024 yılında deney esnasında parçacıkların çarpışma sayısını 10 katına çıkaracak potansiyele sahip HL-LHC (Yüksek Işınlık-lı Büyük Hadron Çarpıştırıcı) üzerinde yoğunlaştı. LHC ile ilgili planlar HL-LHC ile birlikte önümüzdeki 20 yıl için yapılmış olsa da, daha ileride yapılacak çalışmalar için hazırlıklara çoktan başlandı. Bunlar arasında yukarıda bahsedilen FCC, CLIC (Kompakt Lineer Çarpıştırıcı) ve ILC (Uluslararası Lineer Çarpıştırıcı) projeleri var.

Şu anda LHC’den sonra hangi projenin kurulacağı bilinmiyor, ancak önümüzdeki süreçte LHC’de elde edilecek sonuçlar nasıl bir yol izlenmesi ve ortaya çıkacak yeni sorulara cevap bulacak hızlandırıcının nasıl olması gerektiği konusunda bilgi verecek.

Günümüzde Higgs bo-zonu hakkında bilinenler sınırlı. Karanlık madde ve süpersimetri ile ilgili çalışmalar ise devam ediyor. Bu eksik bilgiler ve cevabı bilinmeyen diğer sorular yeni bir parçacık hızlandırıcının kurulmasını kaçınılmaz kılıyor. Zaman içinde yapılan deneyler had-ron çarpıştırıcıların yeni parçacıklar keşfetme konusunda ne kadar başarılı olduğunu ortaya koydu.

Standart model parçacıkları olan W, Z bozonları, üst kuarklar ve Higss bozonu sırasıyla SPS (Super Proton Synchrotron, Süper Proton Hızlandırıcı), Tevatron ve LHC’de keşfedildi. CERN, standart modelin öngördüğü parçacıkları araştırmayı tamamlamak için neredeyse 50 yıl çalıştı, yaptığı her deneyle, kurduğu her hızlandırıcıyla evrenin sırlarını yavaş yavaş ortaya çıkardı.

Kavramsal tasarım çalışmasının esas amacı, uzun dönemde daha yüksek enerjilerde fizik çalışmalarını yürütmek için yeni bir tünelde 100 Tev’lik enerjilere ulaşabilecek bir hadron çarpış-tırıcı tasarlamak. Bu hazırlıklar sonucunda hadron çarpıştırıcı ve detektörler, tünel ve teknik alt yapı için temel gereklilikler belirlenecek. Bu çalışma, bir lepton çarpıştırıcıyı (FCC-e-e+) ve onun detektörlerini de kapsayacak. Ayrıca elektron-hadron çarpıştırıcı seçeneği de bu çalışma kapsamında değerlendirilecek.

Parçacık fizikçileri evreni oluşturan temel parçacıkları ve bunlar arasındaki etkileşimleri açıklayan standart modeli, Higgs parçacığının bulunmasıyla tamamladı. Bu model çok önemli olmasına rağmen evrenin yalnızca yaklaşık %5’ini açıklayabiliyor. %95’i ise hâlâ karanlık ve açıklanmayı bekliyor.

Higgs parçacığı ile ilgili çalışmaları derinleştirecek ve karanlık evren ile ilgili bilinmeyenleri açığa çıkaracak yeni bir hızlandırıcı için en büyük aday LHC’nin üç katı çevresi ve 8 kat daha yüksek enerjisi ile 100 TeV’lik bir FCC. FCC projesi, 2013 yılında Parçacık Fiziği için Avrupa Strateji Grubu’nun tavsiyesi ve CERN’ün onayı ile harekete geçti. CERN, bu strateji toplantısının ardından zaman kaybetmeden uzun dönemli bir proje olacak 80-100 km’lik Yeni Nesil Çembersel Hızlandırıcı (FCC) için çalışmalara başladı. Strateji toplantısında belirlenen hedef, 2018 yılında yapılacak ikinci strateji toplantısına kadar kavramsal tasarım belgesini oluşturmak.

Süper Proton Hızlandırıcı (SPS), CERN hızlandırıcı kompleksinin en büyük ikinci hızlandırıcısıdır. 7 km çevre uzunluğundaki bu hızlandırıcı, parçacıkları kendisinden daha küçük (628 m çevre uzunluğuna sahip) Proton Hızlandırıcı’dan (PS) alıp LHC için gerekli olan enerjiye çıkararak LHC’ye aktarır.

1976 yılında göreve başlayan bu hızlandırıcı, protonun yapısı, maddenin antimadde üzerindeki önceliği, evrenin ilk anlarındaki maddelerin araştırılması gibi konularda çalıştı. En büyük başarısı ise proton-antiproton çarpıştırıcı olarak çalıştırıldığı sırada No-bel Ödülü’nü de beraberinde getiren W ve Z parçacıklarını keşfet-mesiydi.

ÖNERİLEN YENİ DENEYLER

FCC-Lepton çarpıştırıcı, 40-175 GeV aralığındaki enerjilerde elekt-ron-pozitron çarpışması sağlayacak şekilde tasarlanacak. Yüklü parçacıkların ivmeli hareketi söz konusu olduğundan sinkrotron ışınımı oluşacak; bu ışınımı sınırlamak için, çevresi 80-100 km civarında olacak bu makine farklı hedeflere yönelik dört farklı enerji noktasında çarpışma gerçekleştirecek şekilde tasarlanacak: 91 GeV, 160 GeV, 240 GeV ve 350 GeV.

FCC-Hadron çarpıştırıcı, LHC’dekinden çok daha yüksek enerjilerde protonları ve iyonları çarpıştıracak. Hedeflenen kütle merkezi enerjisi 100 TeV’dir. Hızlandırıcının maksimum enerjisi, bükücü manyetik alanlara ve çevre uzunluğuna doğrudan bağlıdır. Bu çevre uzunluğuna sahip bir makinede bükücü manyetik alanının 16 T civarında olacağı düşünülmektedir. Bu değer LHC’de 8,33 T civarındadır, dolayısıyla bu hızlandırıcıda daha yüksek performans gösteren süperiletken mıknatıslar kullanılması gerekecek.

TEVATRON

1983 yılında ilk parçacık demetini hızlandıran Fermilab’daki (Chicago, ABD) bu hızlandırıcı 28 yıl çalıştırılmış ve 2011 yılında görevini tamamlamıştır. 2011 yılında kapatıldığında dünyadaki en güçlü ikinci parçacık hızlandırıcı olan Tevatron’un en büyük başarıları Tau nötrinoyu ve üst kuarkı (topquark) keşfetmesidir. 1,96 TeV enerji seviyesinde protonları ve antiprotonları iki farklı noktada çarpıştıran bu hızlandırıcı 450 süperiletken mıknatıs kullanıyordu. 2011 yılında kapatılmasına rağmen deneylerindeki sonuçlar bilim insanlarınca hâlâ inceleniyor.