FizikMühendislik

Çekimin Gücü: Parçacık Hızlandırıcılarındaki Mıknatıslar

Çeviren: Ümit Sözbilir           Düzenleyen: Esranur Maral

Özet: Günlük hayatımızda birçok alanda karşımıza çıkan mıknatısların çeşitleri ve parçacık hızlandırıcılarındaki kullanım şekilleri nelerdir?

Hans Christian Oersted, 1820’de Danimarka’daki Kopenhag Üniversitesindeki ileri düzey öğrencilere elektrik konusunda bir gösteri yaptı. Bir adet öncül pil ön örneğini kullanarak elektrik akımının pusula üzerindeki etkisini gözlemledi. Denemesini önceden test etmeye zamanı olmadığı için karşılaşacağı sonucu kendisi de en az öğrencileri kadar bilmiyordu. Akünün her iki ucuna tek bir kablo takarak devreyi tamamladığında ortaya çıkan akım, pusula iğnesinin tel ile hizalanmasına neden oldu, bu da elektrik ve manyetizmanın aynı olgunun iki yönü olduğunu gösterdi.

Bir elektrik akımı üretilirken, Oersted geçici bir mıknatıs -bir elektromıknatıs- oluşturmuştu. Fizikçiler deneyleri için elektromıknatıs geliştirmeye devam ettiler ve bugün her yerde onları görmek mümkün: MRI tarayıcılarında, hoparlörlerde, trafolarda, elektrik motorlarında ve parçacık hızlandırıcılarında.

Hızlandırıcı mıknatıslar, ışık hızına yakın hızlarda hareket eden atom altı parçacıkların yörüngelerini şekillendirir ve eğer/büker. Bu sayede uzmanlar parçacık hüzmesine yapacakları çalışmaya uygun olacak şekilde yön verebilirler.

Hızlandırıcı Mıknatıslar Nasıl Çalışır?

Yüklü parçacıkların (protonlar ve elektronlar gibi) hareketi manyetik bir alan oluşturur. Aynı şekilde manyetik alanlar yüklü parçacıkların hareketini etkiler. Oersted’in 200 yıl önce ortaya çıkmasına yardım ettiği ve daha sonra bilim insanlarının tanımlayacağı ilişki şudur: Elektrik ve manyetizma aynı madalyonun iki yüzüdür.

Bu, insanlığın dünyayı değiştiren etkiden faydalandığı bir olgudur. Bunu okumak için kullandığınız cihaza güç sağlayan elektrik şebekesi, manyetizma-elektrik ilişkisinin anlaşılmasından kaynaklanmıştır.

Parçacık fizikçileri, hızlandırıcılarda parçacık ışınlarını kontrol ederek, onları bir hedefe vurarak ve bilim insanlarının incelemesi için daha fazla parçacık üreterek evrenimizin kökenlerini keşfetmede elektromanyetizmadan yararlandılar.

Hızlandırıcı uzmanları, elektrik akımını sarmal bir telden geçirerek kuzey ve güney kutbu ile geçici bir mıknatıs üretirler. Bu sarmal teller, hızlandırıcılarda kullanılan elektromıknatısların kutuplarını oluşturur. Sadece iki kutuplu elektromıknatıslar değil dört, altı veya daha fazla kutuplu mıknatıslar da oluşturulabilir.

Yanlışlık olmasın: bahsedilen mıknatıslar evinizdeki mıknatıslar gibi değildir. Hızlandırıcı mıknatıslar bir kamyonet kadar uzun -bazen daha uzun- ve tonlarca ağırlığında olabilir. Her birinin inşası genellikle aylar alır.

Bunları yapmak için kullanılan malzemeler ne olursa olsun, hızlandırıcı mıknatıslar kutup sayısına göre sınıflandırılabilir. Çoğu dört tipten birinde gelir: İki kutuplu (dipol) mıknatıslar hüzmeyi büker, dört kutuplu (kuadropol) olanlar hüzmeyi odaklar, altı kutuplu olanlar dört kutuplu mıknatısların kusurlu odaklanmasını düzeltir ve sekiz kutuplu mıknatıslar depolanan parçacık hüzmelerinin kararlılığını artırmaya yardımcı olabilir. Alanyazında (literatürde) bunlara “çok kutuplular” denilir.

Çift Kutuplar – Hüzmeyi İdare Etmek Kolay Değil

Çift kutuplar çoğunlukla kuzey ve güney kutupları birbirine bakacak şekilde iki ayrı sarmal telden yapılır. Akım bobinlerden aktığında kutuplar arasındaki boşlukta tek yönlü bir manyetik alan oluşur.

Pozitif yüklü bir parçacık sayfaya girip dipol mıknatısından geçerken, mıknatısın uyguladığı kuvvet miktarıyla orantılı bir açıyla sola saptırılır. (Kaynak: Jerald Pinson)

Fermilab’ın yardımcı bilim insanı Jonathan Jarvis, “Hızlandırıcılar ile uğraşan bilim insanları ve mühendisler, yüklü parçacıkları bir eğri boyunca bükmek için bu alanı kullanabilirler.” dedi. “Basitçe söylemek gerekirse çift kutuplar hüzmeleri gitmeleri gereken yere ulaştırmanın ana yoludur.”

Eğer bir proton olsanız ve aşağı yönlü bir manyetik alan içerisine girerseniz, mıknatısın alan kuvvetiyle orantılı bir miktarda sola doğru hareket edersiniz. Manyetik alan ne kadar güçlü olursa sola doğru o kadar güçlü çekilirsiniz. Dikey manyetik alanlar söz konusu olursa bu durumda izleyeceğiniz yol yatay dairesel bir yaydır.

Çift kutuplu mıknatıslar genellikle parçacık hüzmelerini bükmek için kullanılır. Örneğin dairesel bir hızlandırıcıda, hüzme yolu boyunca çoklu çift kutuplu mıknatıslar dizilir. Parçacık hüzmesi birinden diğerine hareket eder, her geçişte bir yönde sürüklenir, böylece eğriyi takip eder.

Hızlı etkili çift kutuplar ayrıca parçacık hüzmelerini dairesel bir hızlandırıcının ana hüzmesinin içine veya dışına “tepmek” için de kullanılabilir.

Dört Kutuplular – Odakta Kalmak

Tek yönlü bir kuvvet uygulayan mıknatıslar, parçacık hüzmelerini belirli bir yönde bükmek için iyi çalışır, ancak bir ışının şeklini koruyamazlar.

“Hüzmeyi çift kutuplardaki kendi cihazlarına bırakırsak parçalanacaktır.” dedi Jarvis. “Bir parçacık demeti tıpkı bir gaz molekülleri derlemi gibi sıcaklığa sahiptir ve bu rastgele enerji bir hızlandırıcıda parçacıkların doğal olarak birbirlerinden uzağa sürüklenmesine neden olur. Parçacık hüzmeleri tekrar bir araya getirilmezse dolaştıkları vakum borularının duvarlarına çarpacaklar.”

Bu nedenle bilim insanları, belli bir yönde olmayan parçacıkları yeniden odaklamak ve bunları kıvrımlı hale getirmek için dört kutuplu mıknatıslar kullanırlar.

Adından da anlaşılacağı üzere dört kutupluların dört değişken kutbu vardır. Bunlar, lenslerin ışık ışınlarını bir noktaya odaklamasına benzer şekilde parçacıkları bir araya getirebilen özel bir manyetik alan üretirler.

Tek bir dörtlü kutup bir hüzmeyi bir düzlemde odaklar. Örneğin bir dört kutuplu, bir hızlandırıcı içerisinde hızlıca hareket eden bir hüzmenin kenarlarını içe doğru sıkıştırabilir, ancak (Oyun hamurunun bir öbeğinin yanlarını bir araya getirdiğinizde tepki vermesine benzer) hüzmenin diğer yöndeki odaklanması bozulur.

Çözüm, alternatif yönlendirme ile birlikte birden fazla dört kutupluyu sıra halinde dizmektir. Hüzme birinden geçer ve yatay yönde sıkıştırılır. Daha sonra bir sonrakinden geçer ve bu sefer dikey yönde sıkıştırılır. Her ardışık sıkıştırma ile odaklama sağlanır.

Net etki, hızlandırıcıda hızlıca dolanırken ileri geri sallanan sabit bir parçacık hüzmesidir.

Benzer şekilde, dört kutuplular hüzmelerin odaklanmasını bozabilirler de. Parçacıklar bir hızlandırıcıdan geçerken hüzmenin biraz daha az sıkı bir şekilde paketlenmesinin daha iyi olduğu zamanlar vardır, bu da parçacıkların birbirine müdahale etme olasılığını azaltır. Hüzmeler zayıf manyetik dayanma gücüne sahip dört kutuplulardan geçtikçe önce yukarı-aşağı yönde, sonra sol-sağ yönünde yayılırlar ve böylece uygun şekilde odaklanmama durumu gerçekleşir.

Dört kutupluların dört manyetik kutbu vardır. Bir parçacık hızlandırıcısında, kutuplar parçacıkları merkezi hüzmeden çok fazla saptıklarında bir araya getirir. Dört kutuplular sadece bir düzlemde odaklar, bu nedenle her iki taraftan bir hızlandırıcı hüzmesini sıkmak için bu mıknatıslar genellikle birbiri ardına sıralanır, her biri bir öncekine göre 90° döndürülür. Bu şekilde, parçacık hüzmeleri birbirini izleyen mıknatıslardan geçerken her iki yönde birlikte itilmiş olur. (Kaynak: Jerald Pinson)

Altı Kutuplular – Renk Düzeltmesi

Tıpkı çift kutuplu mıknatısların bir hüzmeyi bükebileceği, ancak odaklanmayı sürdüremediği gibi dört kutuplular parçacıkları odaklayabilir, ancak hepsini aynı yere odaklayamaz.

Bir ışın oluşturan parçacıklar biraz farklı enerjilere sahiptir.

Jarvis, “Ne yazık ki, dört kutuplular tüm demet enerjileri için tam olarak aynı davranmıyor.” dedi ve ekledi “Yüksek enerjili bir parçacık, dört kutuplu bir manyetik alandan düşük enerjili bir parçacığa göre daha az etkilenir.”

Sonuç, yüksek ve düşük enerjili parçacıkların hüzme yolu boyunca farklı noktalara odaklanmasıdır. Bu, su damlacıklarının çarpıcı bir gökkuşağı üretmek için farklı ışık renklerini bükme şekline benzer.

Bu “renk sapması” dört kutuplularda, parçacıkların hızlandırıcıda ne kadar hızda ileri ve geri sıçradığına dair farklılıklar üretir. Bu, bilim insanlarının renklilik olarak bildiği bir olgudur.

Jarvis, “Birçok durumda, istediğimiz fiziği görmek için renkliliği düzeltmeliyiz ve bunu altı kutupluları kullanarak yapmalıyız.” dedi.

Bu altı kutuplu mıknatıslar, hızlandırıcıya düzgün bir şekilde yerleştirildiklerinde yüksek enerjili parçacıkları hüzmenin geri kalanıyla hizalanmaya zorlar.

Sekiz Kutuplular –Hepsini Karıştırmak

Hepimiz o anı yaşadık: koridorda yürürken birisi köşeyi döner ve yolu sizinkiyle kesişir. Çarpışmamak için birçok kez manevra yapabilirsiniz. Karşıdaki kişiyi çarpışmadan geçmenin çok zor olmasının nedeni, benzer hareket oranlarınızın sonucudur. Bir kişi daha yavaş hareket ettiyse veya sadece seyrini koruduysa bu davranış bastırılır.

Parçacık hüzmeleri, hepsi aynı frekansta salınırsa benzer toplu davranış sergileyebilir.

Durumu dengelemek adına, parçacıkların frekanslarını karıştırmak için sekiz kutuplular olarak adlandırılan sekiz kutuplu mıknatıslar kullanılabilir. Bilim insanları ortaya çıkan dengelemeyi “Landau sönümleme” olarak adlandırıyor ve bazı kararsız davranışlara karşı biraz doğal bağışıklığa sahip bir parçacık hüzmesi sağlıyor.

Dört kutuplu mıknatıslar, farklı enerjilere sahip parçacıkları belirli bir noktaya odaklayamazlar, bu nedenle bilim insanları bu renk sapmasını düzeltmek için altı kutuplu mıknatısları kullanır. (Kaynak: Jerald Pinson)

Ne yazık ki, yüksek dereceli çok kutuplu mıknatısların verdiği artan kararlılık ve gelişmiş odaklama bir maliyete sahiptir.

Jarvis, “Bu mıknatıslar zararlı salınımlar üretebilir ve depolanan parçacıkların sahip olmasına izin verilen genel konum ve enerjileri azaltabilir.” dedi ve sözlerine devam etti “Parçacıklar kendilerini bu ‘dinamik açıklık’ denilen aralığın dışında bulurlarsa hızlandırıcıdan kaybolurlar.”

Bütünleşik Optik ve Ötesi

Dünyanın dört bir yanındaki hızlandırıcı tesislerindeki bilim insanları, evrenin temelini oluşturan fizik arayışlarında daha verimli parçacık hüzmeleri üretmek için çalışıyorlar.

Bunu yapmanın bir yolu hüzmenin yoğunluğunu (bir ışına paketledikleri parçacık sayısını) artırmaktır. Ancak burada bir sorun var: Yoğunluk arttıkça, hüzmelerin davranış şekli çok daha karmaşık hale gelebilir ve geleneksel mıknatısların onları iyi sıkıştırabilme imkânlarını sınırlar.

Fermilab’daki hızlandırıcı alanındaki bilim insanları, yeni nesil parçacık fiziğinin yolunu açmak için giderek artan hüzme yoğunluklarını idare edebilecek yeni mıknatıs türlerini düşünüyorlar.

Jarvis, “Bu doğrusal olmayan mıknatıslar birçok çok kutuplunun etkili bir şekilde özel birleştirimleridir ve basit sekiz kutuplulara has ödünler vermeksizin hüzmenin dengesini önemli ölçüde artırma potansiyeline sahiptir.” dedi.

Bilim insanları mıknatıs teknolojisinin sınırlarını zorlamaya devam ettikçe, nötrinoların gizemli dönüşümünü ve müonların bozunmasını gözlemleyerek, atom altı dünyasına daha derinlemesine bakabilir (sadece en uç koşullarda var olan egzotik parçacıkları keşfederiz) ve nihayetinde evrenin nasıl başladığını daha iyi anlayabiliriz.

Gayet mütevazı gözüken mıknatısın aslında evrenin en derin gizemlerinden bazılarını çözmek için bir kapı olduğunu düşünmek şaşırtıcı gelebilir ama nihayetinde baktığımızda bu aslında çekimin gücüdür.

Referanslar
https://phys.org/news/2020-03-power-magnets-particle.html

Ümit Sözbilir

Sorgulamayı seven bir doktora adayı, yüksek enerji fizikçisi, astronomi sevdalısı, çevre fizikçisi, kitap kurdu, bilmeden konuşmayan. https://www.cern.ch/usozbili

İlgili Makaleler

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu