İsviçre-Fransa sınırında yerin 100 metre altındaki tünelde proton demetleri, süperiletken mıknatıslarca ters yönlerde (boşlukta saniyede 300.000 km yol alan) ışığın hızının eşiğine (%99,999999’una) kadar hızlandırıldıktan sonra kafa kafaya çarpıştırılmaya başlandı. Bu çarpışmalarda ortaya çıkan enerji düzeylerinde, 13,7 milyar yıl önce evreni ortaya çıkaran Büyük Patlama’dan sonraki ilk anlarda varolduğu düşünülen büyük kütleli parçacıkların kendilerini göstereceği umuluyor. Bu parçacıkların, 50 yıldır evreni oluşturan maddenin en azından bir kısmını başarıyla açıklayan Standart Model adlı kuramın eksik kalan bölümlerini tamamlayacağı umuluyor.

 

Bu parçacıkların başında, tüm öteki parçacıklara kütlelerini kazandırdığı düşünüldüğü için fizikçilerin şaka yollu “tanrı parçacığı” diye adlandırdıkları “Higgs bozonu” geliyor.

 

LHC’nin oluşturacağı enerjilerde ayrıca Standart Model’e rakip süpersimetri adlı bir kuramın öngördüğü parçaların da ortaya çıkabileceği umuluyor. Deneyin bir önemli hedefi de Einstein’ın genel görelilik kuramının öngörülerine uygun olarak mikroskopik ölçekte karadeliklerin ortaya çıkıp çıkmayacağını gözlemek.

 

LHC’nin 10 Eylül 2009’da ilk açılışından dokuz gün sonra, süperiletken mıknatıslar arasındaki elektrik bağlantılarının arızalanmasıyla meydana gelen soğutucu kaybıyla sonuçlanan arıza, CERN yetkililerini hedeflere ulaşmakta çok aceleci davranmama konusunda eğitmiş bulunuyor. LHC, ters yönlerde hareket eden protonların her birini 7 trilyon elektronvolt (7 TeV) düzeyine kadar hızlandırıp 4 Ayrı devasa detektör içinde kafa kafaya gerçekleşen ender çarpışmalarda toplam 14 TeV enerji düzeyi elde etmek üzere tasarlanmış bulunuyor.

 

Ancak, şimdiye kadarki aksaklıklardan ağzı yanan yetkililer, çarpışma enerjilerini 2011 yılının sonuna kadar maksimum kapasitenin yarısında, yani 7 TeV düzeyiyle sınırlı tutacaklar. Hızlandırıcı, 2012 yılındaysa tümüyle kapatılarak, gerekli görülen teknik iyileştirmeler yapılacak ve 2013’ten itibaren tam kapasiteyle çalışmaya başlayacak.

 

Zaten, bu büyük makinenin devreye girmesinin ve fizikte vaadettiği yepyeni açılımların yarattığı heyecana rağmen, sonuçların incelenmesi ve açıklanması daha uzun yıllar alacak.

 

O halde şimdilik yapabileceğimiz LHC’nin detaylarına ve akla getirdiği sorulara daha yakından ve kısa başlıklar altında göz atmak.

Proton hızı: Işık hızının %99,9999991’i
Her kümedeki proton sayısı: 100 milyara kadar
Her saniye biribiri içinden geçen küme sayısı: 4 istasyonda 31 milyon kadar
Kümelerin birbiri içinden her geçişinde çarpışma sayısı: 20’ye kadar
Çarpışma başına veri: Yaklaşık 1,5 megabyte
Higgs Parçacığı Sayısı: Her 2.5 saniyede 1 (tavan parlaklık ve Higgs ile ilgili varsayımlar veri kabul edildiğinde)

NASIL ÇALIŞACAK?
LHC’de süperiletkenlik kazanmaları için sıvı helyumla -271 santigrat dereceye kadar soğutulmuş 7000 mıknatıs, önce proton demetlerini ışık hızının eşiğine kadar getirip odaklayacak. Bu demetlerin fizik dilinde “parlaklık” (luminosity) denen yoğunluğu, şimdiye kadar erişilebilmiş düzeyin 40 katı.

 

Protonlar, hızlandırıcı halkasında yaklaşık 3000 küme halinde yol alacaklar. Her biri yaklaşık 100 milyar proton içerecek olan kümeler, çarpışma noktalarına bir iğne boyutlarında ulaşacak: birkaç cm uzunluğunda ve ince bir insan saçı kalınlığında. Halkanın değişik yerlerine kurulu 4 dev detektör içindeki çarpışma noktalarında saniyede 600 çarpışma olacak.

“OLAYLAR” NASIL GÖZLENECEK?
LHC’de her biri farklı hedeflere odaklı ATLAS, ALICE, CMS (Compact Muon Selenoid) ve LHCb adlı dört detektör bulunuyor. Birer apartman boyutlarındaki bu detektörler, merkezlerinde iki protonun çarpışmasıyla oluşacak enerji topunda ortaya çıkacak binlerce parçacığı izleyip enerjilerine ve izledikleri yollara göre sınıflandıracak.

VERİLER NASIL TOPLANACAK?
En büyük iki detektörün her biri 100 milyon veri kanalına sahip. Bunların sağlayacağı veri saniyede 100.000 CD dolduracak hacimde. Bunların üst üste konulması durumunda boyunun alta ayda Ay’a ulaşacağı uzmanlarca belirtiliyor.

 

Dolayısıyla incelenmeye değer çarpışmaları alelade olanlardan ayırt edebilmek için çok katmanlı bir veri süzme sistemi kurulmuş durumda. Süzülmüş veriler, analiz edilmek üzere dünyanın her tarafından binlerce fizikçinin kişisel bilgisayarlarından oluşan bir ağa gönderiliyor.

LHC NEDEN BU KADAR GÜÇLÜ?
Protonlar, tanıdığımız (hadronik) maddenin temel yapıtaşları olan kuark adlı madde parçacıklarıyla (bunlara fermiyon deniyor), bunları bir arada tutan gluon adlı kuvvet taşıyan “bozon” türünden parçacıklardan oluşuyor. Durağan kütlesi (Einstein’ın ünlü E=Mc2 formülüyle açıkladığı madde-enerji eşitliği uyarınca) 1 milyar elektronvolt olan protonları, aslında sabit birkaçı hariç sürekli ortaya çıkıp kaybolan kuark ve gluonlardan oluşmuş bir gökada gibi düşünmek mümkün. Hızlandırıcılarda meydana gelen çarpışmalarda da aslında çarpışan bu kuark ve gluonlar. Dolayısıyla LHC’de meydana gelecek çarpışmaların en şiddetlileri olan tam kafa kafaya çarpışmalarda protonların taşıdığı enerjinin toplamının, (7+7 = 14 TeV) ancak yedide biri, yani 2 TeV serbest kalacak ve ortaya çıkacak parçacıklar bu enerji düzeyinde ortaya çıkacak.

LHC’NİN RAKİBİ KİM?
Parçacık fiziği alanında CERN’in Atlantik ötesindeki en büyük rakibi, fizikte büyük buluşlara imza atmış olan Chicago yakınlarında kurulu Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı, ya da kısa adıyla “Fermilab”.

 

Fermilab, kuşkusuz bir Nobel Ödülü getirecek olan Higgs bozonunu bulma yarışını, emekliliğini ertelediği Tevatron adlı emektar hızlandırıcısıyla sürdürüyor.

 

Şimdiye kadar en güçlü çarpıştırıcı olma onuruna sahip olan Tevatron, protonları 1 trilyon elektronvolt (1 TeV) enerji düzeyine kadar hızlandırabiliyor. Asıl dikkate alınanın protonlar içindeki kuark ve gluonlar arasındaki çarpışmalar olduğundan Tevatron, protonları toplam 2 TeV enerji düzeyinde çarpıştırmasına rağmen, ortaya çıkan parçacıkları teraelektronvolt (trilyon elektronvolt) düzeyde inceleyebilmek için gereken enerjinin beşte birine ulaşabiliyor.

PEKİ, O ZAMAN FERMİLAB NEDEN YARIŞTAN ÇEKİLMİYOR?
Fermilab, protonları protonlarla çarpıştıran LHC’nin aksine protonları, bunların antimadde (ters elektrik yükü taşıyan karşılığı) olan antiprotonlarla çarpıştırıyor ve yıllarca sürdürdüğü deneylerde epey veri biriktirmiş bulunuyor. Fermilab fizikçileri, bu veri yığınları içinde Higgs parçacığını ortaya çıkış imzasını çok daha güçlü olan LHC’den daha önce bulabileceklerine inanmaları.

 

Nedeni, kuramsal hesapların Higgs bozonu kütlesinin 200 GeV (Giga elektronvolt - milyar elektronvolt) düzeyinden daha aşağıda olması gerektiğini göstermesi. Daha büyük kütlede bir Higgs, Standart Model’de öteki parçacıkların doğrulanmış kütleleleriyle tutarlı olamıyor ve işler karışıyor.

 

Higgs’in öngörülen kütlesi de Tevatron’un üretebildiği enerji düzeyinin içinde kalıyor.

Bu “HİGGS BOZONU” NEDEN BU KADAR ÖNEMLİ?
Standart Model’in tutarlılığını sağlamak için.
Yanıtlayamadığı bazı sorulara karşın bu model, dört temel doğa kuvvetinden üçünün etkileşimini başarıyla açıklıyor. Bunlar, atom çekirdekleriyle çevrelerinde dolanan elektronları bir arada tutan elektromanyetizma, atom çekirdeklerindeki proton ve nötron adlı parçacıkları oluşturan kuark ve gluonları birbirine çok sıkı biçimde bağlayan şiddetli çekirdek kuvveti (bazı fizikçilerce “güçlü kuvvet” diye de adlandırılıyor) ve Atomların bozunarak kimlik değiştirmelerine neden olan zayıf çekirdek kuvveti. Atomaltı düzeylerde etkileşen bu üç kuvvet, “kuantum mekaniği” denen çok başarılı bir fizik kuramının konusu. (Standart Model şablonu, bu üç kuvvetle karşılaştırılamayacak kadar zayıf olan dördüncü temel doğa kuvvetini, yani kütleçekimini açıklayamıyor. Kütleçekimini açıklayan, Einstein’ın genel görelilik kuramı.)

 

Fizikçiler, bu kuvvetlerin, evrenin hemen başlangcında ayrıştığını ve Büyük Patlamadan önce tüm doğayı açıklayan tek ve bütünsel bir kuramın farklı görünümleri olduğunu düşünüyorlar. Nitekim bir süre önce bilimciler aslında elektromanyetizma ile zayıf kuvvetin “elektrozayıf” adlı bir kuvvet olarak özdeşleştiğini gösterdiler. LHC’den milyonlarca kat daha büyük enerji düzeylerinde, bu dört kuvvetin bütünleşeceğine inanılıyor.

 

Doğa kuvvetlerini özdeşleştirmenin önündeki kuramsal engel, bunların güç düzeyleri ve erimleri (menzilleri) arasındaki büyük farklılık. Örneğin, elektromanyetik kuvvetin parçacığı, kütlesiz ve (kütleçekiminin parçacığı olan graviton gibi) sınırsız erime sahip mi olan foton. Oysa, bu kuvvetin özdeşi olduğu gösterilmiş bulunan zayıf kuvvetin erimi, bir atomun çapını aşmıyor. Üstelik bu kuvveti taşıyan W ve Z adlı parçacıkların protondan çok daha büyük kütleleri var. Yine kü-tlesiz ve sınırsız erimli fotonun aksine Şiddetli çekirdek kuvvetini taşıyan gluonolarda kütleye sahip ve sınırları atomun çekirdeğinin çapıyla sınırlı,

 

Bilimciler bu sorunu (hiyerarşi problemi) diye adlandırıyorlar. İskoçyalı fizikçi Peter Higgs tarafından bu soruna bulunan çözüm, onun adıyla “Higgs bozonu” diye adlandırılan bir parçacık. Bu açıklamaya göre evrenin her noktası, bu parçacıklardan oluşan bir alanla dolu. Higgs bozonu, içinden geçen öteki parçacıkların çevresinde bir sanal parçacıklar bulutu oluşturarak onları bir yapışkan sıvı içinde yol alıyormuşlar gibi yavaşlatıyor ve bu yavaşlamanın (atalet) derecesi, onlara farklı kütleler kazandırıyor. Bu kütle de parçacıkların sahip olduğu özellikleri (örneğin erimleri) belirliyor. Dolayısıyla Higgs parçacığının varlığının kanıtlanması, hiyerarşi problemini ortadan kaldıracak.

HIGGS BOZONUNDAN BAŞKA NE BULUNMASI BEKLENİYOR?
Aslında akla ters gelmesine rağmen Higgs, birçok fizikçinin bulmak istediği en son parçacık. Çünkü onlar LHC’de Higgs’in ortaya çıkacağından son derece eminler ve bu parçacıktan başka hiçbirşey bulunmazsa, fizik araştırmalarında yolun sonuna gelinmiş olacağı düşüncesindeler.

 

Dolayısıyla umutları, LHC’nin Higgs bozonundan daha önemli olarak Standart Model’in kapsam alanı dışındaki parçacıkları da ortaya çıkarması.

 

Örneğin, son yıllarda fiziğe damgasını vuran çarpıcı bir paradigma, evrende var olduğu hesaplanan toplam maddenin %80’inin, tanımadığımız, varlığını ancak hisstettirdiği kütleçekimi sayesinde algılayabildiğimiz bir “karanlık madde” den oluştuğunun belirlenmesi.

 

Standart Model’e rakip olan “süpersimetri” adlı bir kuram, başlangıç anlarında evrende bildiğimiz her parçacığın ağır (yani süper) ve ters özellikli bir eş parçacıkla simetrik bir ilişki içinde bulunduğunu söylüyor. Yani bir madde parçacığının (fermiyon) eşi, kendinden daha büyük kütlede (süper) bir kuvvet taşıyıcı parçacık (yani bozon) .

 

Süpersimetri kuramcıları, bunlardan “en hafif süpersimetrik parçacık” diye adlandırılan birinin, karanlık madde ile aynı özellikleri taşıdığını düşünüyorlar.

KARADELİK OLUŞACAK MI?
LHC’nin tamamlanmasından yıllarca önce bazı fizikçiler, yüksek enerjili deneyler sırasında ortaya çıkacak bir karadeliğin hızla büyüyerek Dünya’yı yutacağı biçimde medyada büyük yankı bulan bir iddia ortaya atmışlardı. CERN yetkililerinin buna cevabıysa, bir karadelik oluşsa bile bunun ancak mikroskopik boyutlarda ortaya çıkacağı ve bir saniyenin çok küçük kesirlerinde “Hawking ışıması denen bir süreçle “buharlaşacağı” şeklindeydi. Nitekim CERN fizikçileri, “kozmik ışınlar” denen ve uzayın çok uzaklarından gelen proton gibi yüklü parçacıkların atmosferimizdeki moleküllere çarpmasıyla LHC’nin üretebileceğinin çok üstündeki enerjilerin ortaya çıktığını, ama Dünyamızın hala yerinde durmasının bu gibi korkuların temelsizliğine işaret ettiğini belirtiyorlar.

 

Yine de tartışma evrenin ilk anlarında varolduğu düşünülen bu mini karadeliklerin LHC’de de ortaya çıkıp çıkmayacağı sorusunu açıkta bırakıyor.

 

Karadelikler normalde büyük bir kütlenin kendi üzerine çökmesiyle oluşuyor. Ama geçtiğimiz günlerde Kanadalı ve Amerikalı iki fizikçinin yayımladığı simulasyon sonuçları, iki parçacığın çarpışmasıyla bir minikaradeliğin gerçekten oluşabileceğini gösteriyor.

 

LHC’de bazı deneyler, bu minikaradelikleri aramak için kurgulanıyor. Peki bu karadelikler LHC’de gerçekten gözlenebilecek mi? Science dergisine çalışmayı özetleyen bilimciler, “kesin değil” yanıtını veriyor. Çünkü karadelik oluşumu için gereken Planck enerjisi, çok büyük bir değer. LHC’de ulaşılabilecek 14 trilyon elektronvoltluk maksimum enerjinin bir kentilyon, yani milyar kere milyar katı!

 

Böyle olunca fizikçiler LHC’de minikaradeliklerin ancak uzayın bildiğimiz üç mekan ve bir de zaman boyutunun dışında ek boyutlara sahip olması halinde ortaya çıkabileceği görüşündeler.

EK BOYUTLARI GÖRECEK MİYİZ?
Bazı kuramlara göre bizim duyularımızla algılayamadığımız fazladan boyutlar, uzay-zaman dokusuna örülmüş küçük halkalar içinde saklı.

 

Standart Model’e rakip bir başka model olan ve tanıdığımız ya da tanımadığımız tüm parçacıkların akıl almaz küçüklükte tek boyutlu iplikçikler, iki boyutlu zarlar ya da üç boyutlu yapıların değişik titreşim modları olduğunu öne süren “süpersicim kuramı” da çok sayıda boyutun (bazı modellerde sayı 22’yi buluyor) varlığına dayanıyor.

 

Aynı kuramlara göre fazladan boyutlar, Planck enerjisinin değerini büyük ölçüde düşürebilir. Dolayısıyla Dünyamızı yutmayacak ve varlıkları bozundukları parçacıkların dev detektörlerde saptanmasıyla anlaşılabilecek minikaradeliklerin ortaya çıkması, aynı zamanda fazladan boyutların varlığını da kanıtlamış olacak.

 

Bazı fizikçiler de bu ilave boyutların sanıldığından daha büyük boyutlarda olduğunu ve LHC’deki çarpışmaların üreteceği enerjide ortaya çıkabileceğini savunuyorlar.