CERN’deki BHÇ Deneyi İlk Çarpıştırmaya Artık Hazır!
Yazar: Ümit Sözbilir
Düzenleyen: Esranur Maral
Özet: İki yılı aşkın bir süredir CERN’de devam eden dört büyük deneyde kullanılan algıçların yükseltme işlemleri nihayet bitmek üzere. İşlemler bittikten sonra protonlar çarpıştırılmaya hazır olacak!
Giriş
Dünyanın en büyük parçacık fiziği laboratuvarı olan CERN yine dünyanın en büyük algıçlarına ve en ileri düzey teknolojisine sahip. Çağın ötesindeki teknoloji, temel bilim ve mühendisliğin birleşimi ile gün geçtikçe bir adım daha ileri taşınıyor ve böylece çözülecek sırlara bir yenisi daha ekleniyor. Yapılan araştırmalardan daha fazla ve verimli sonuç elde edebilmek adına deneyde kullanılan algıçlar planlı aralıklarla hem bakıma alınır hem de parçaları yenisiyle değiştirilir. Bu işlemler esnasında parçacık çarpıştırmaları durdurulur ve tüm tesis beklemeye alınır. Bu beklemeler kimi zaman uzun kimi zaman kısa zaman aralıklarını kapsamaktadır. Eğer uzun sürüyorsa buna Uzun Kapama (Long Shutdown, LS) adı verilir. 2019 yılında CERN ikinci uzun kapama (LS2) evresine girmişti.
Yapılan yükseltmeler sonucunda dairesel hızlandırıcıya girecek olan protonların çarpıştırılmasıyla yeni bir kilometre taşı atılmış olacak ve CERN insanlık tarihinin en büyük enerjisiyle bu atomaltı parçacıkları çarpıştıracak. Çarpışma sonucu ortaya çıkan parçacıklar dünyanın en hassas algıçlarından olan 4 büyük algıç (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb) ile incelenip çözümlenecek. Uzmanlar, Çalıştırma-3 (Run-3) adını verdikleri bu aşamanın başlangıç yılını 2022 olarak belirledi.
Peki yükseltme esnasında hangi değişiklikler oldu?
ALICE
CERN’deki dört büyük deneyden biri olan ALICE yine kendisiyle aynı isimde olan bir algıca sahiptir.
ALICE, büyük patlamanın çok kısa bir süre sonrasındaki evrenin koşullarını yaratıp o anı anlamak üzerine inşa edilmiştir. Evrenin ilk anlarında kuark-gluon plazma adı verilen bir yapının hâkim olduğu bilinmektedir. İşte ALICE deneyi bu ortamı yaratmaktadır. Bu kadar zorlayıcı koşulları daha iyi çözümleyebilmek adına ilk olarak Zaman Projeksiyon Odası (Time Projection Chamber, TPC) yenilendi.
Bu cihaz oluşan parçacıkların izledikleri yolu belirleyebiliyor ve çarpışma durumunun üç boyutlu yeniden yapılandırılmasına olanak sağlıyor. Temelde basit bir fizik işlemi var: Algıcın içerisinde hassas bir gaz veya sıvı bulunmaktadır. Elektrik ve manyetik alan yardımıyla parçacıkların bu gaz/sıvı ortamı ile etkileşimi izleniyor. Yerin 56 metre altında bulunan, 5 m çapında ve 5 m uzunluğa sahip bu silindirik yapıdaki algıç milimetrik hassasiyetle yerleştirildi. Bunun haricinde mayıs ayında şimdiye kadar yapılmış 13 milyar pikselden oluşan en büyük benek algıcı olan İç Takip Sistemi (Inner Tracking System, ITS) eskisiyle değiştirildi. 15×30 mm2’lik bir alanda yarım milyondan daha fazla benek/piksel içeren bu parça, topladığı verileri saniyede 1,2 Gb hızla okuma kartlarına ulaştıracak bölüme aktarır.
Son olarak saniyenin trilyonda biri kadar kısa bir sürede ölçüm yapabilen çok yüksek çözünürlüklü 300 kg’lık Hızlı Etkileşim Tetikleyicisi (the Fast Interaction Trigger, FIT) yenilendi.
ATLAS
CERN’deki en büyük hacme sahip algıç olan ATLAS’ta müon spektrometresi yükseltildi. İki adet büyük tekerlekten oluşan bu sistemin her bir tekerleğinde küçük şeritli İnce Boşluk Odaları (small-strip Thin Gap Chambers, sTGC) ve Micromegas algıçları bulunmaktadır.
Bu yeni parçalar çok yüksek veri akışını okuyabilecek ve verilerdeki yığılmaların önüne geçecek.
CMS
CERN’ün en büyük kütleye sahip CMS algıcı da birçok yükseltmenin yapıldığı yerlerden birisi. CMS deneyi ATLAS deneyi gibi geniş kapsamlı fizik araştırmalarını yapıyor olsa da algıcın yapısı gereği müon parçacıklarını bulmakta daha becerikli. Müon parçacıkları maddeyle çok az etkileşime girdiklerinden dolayı algılanmaları oldukça güçtür. Bu sebepten dolayı müon algıçları algıcın dış kısmında bulunur. CMS ise tam çarpışma noktasına yakın yerdeki müonları tespit edebilmek için bir Gaz Elektron Çoklayıcı (Gas Electron Multiplier, GEM) algıcı tasarladı.
Bu algıcın çalışma mantığı aslında oldukça basittir: İçerisinde bir gaz bulunan algıçtan geçen müonlar gazın iyonlaşmasına neden olur ve içeride iz bırakır. Bu da bize parçacık hakkında bilgi sağlar. Bununla birlikte merkezdeki çarpışmanın olduğu yere bir Benek Algıcı ve Işın Radyasyonu, Araçlama ve Parlaklık (Beam Radiation, Instumentation and Luminosity, BRIL) alt algıçları kuruldu.
LHCb
CERN’deki özellikle b-fiziği araştırmalarına yoğunlaşan deneyi LHCb’de ise parıldayan fiber parçacık izleme algıcı (Scintillating-fibre particle-tracking detector, SciFi) ile halka görüntüleme Cherenkov algıçları olan RICH1 ile RICH2 yenilendi. Yapımı devam etmekte olan VELO’nun ise kurulumu önümüzdeki aylarda yapılacak. Peki LHCb’nin önemi nedir?
Standart Modelin bizlere gösterdiği kuark listesinde bulunan b kuark (beauty/bottom) yani diğer adıyla “güzellik kuarkı” evrenin oluştuğu ilk anlarda yaygın olsa da artık normal şartlarda bulunmamaktadır. B kuarkı ile karşıt b kuarkının ilişkisi incelendiğinde evrenin neden maddeden oluştuğunu, neden karşıt maddeden oluşmadığını anlayabiliriz. İşte LHCb bu araştırmaya odaklanmış bir deneydir.
Yapılan yükseltmelerden sonra 18 Ekim tarihinde BHÇ sıcaklığını 1,9 Kelvin’e kadar düşürecek ve protonların çarpıştırılması için gerekli ayarlamaları yapmaya başlayacak.
Yazarın notu: Yazının yazımından sonra ilk protonlar halka içerisinde hareket etmeye başladı. CERN tüm bu süreci Youtube hesabında canlı olarak insanlara sundu. Videoyu aşağıdan izleyebilirsiniz.
