Hızlandırıcılar ve Çarpıştırıcılar 1
Hızlandırıcı nedir? Çarpıştırıcı nedir? Parçacık hızlandırıcıları, elektrik yükü olan atomik veya atom-altı parçacıkları oldukça yüksek hızlara (ışık hızına bile oldukça yakın) ulaştırabilen mekanizmalardır. Parçacık çarpıştırıcıları ise, parçacık hızlandırıcılarını bünyesinde bulunduran ve bu hızlandırıcılardaki parçacık demetlerinin güzergahlarını, çarpışma gerçekleşebilmesi için, birbiriyle çakıştıran yapılardır. 2
Hızlandırıcı nedir? Çarpıştırıcı nedir? Elektrik alan > Parçacıkları hızlandırmak ve istenilen enerji/momentum düzeylerine ulaştırmak için Manyetik alan > Parçacıkların istenilen şekilde yönlendirilmesini sağlamak için 3
Hızlandırıcılara neden ihtiyaç duyduk? - Fizik çalışmalarında temel etkileşmelerin ve kuvvetlerin daha iyi anlaşılabilmesi için parçacıkları yeterli enerjilerin yapay olarak kazandırılabilmesi -Nükleer ve parçacık fiziğinde temel araştırmalar dışında parçacık hızlandırıcılarından alınan birincil ve ikincil demetlerin kullanımı iki ana hatta ayrılabilir: 1. Fiziksel, kimyasal ve biyolojik örneklerin parçacık demetlerini kullanarak incelenmesi. Örnek olarak µsr gösterilebilir. (Hadron terapi gibi sağlık alanında işe yarar yeni yöntemler) 2. Maddenin fiziksel, kimyasal ve biyolojik özelliklerinin modifikasyonu. Örnek olarak iyon implantasyonu gösterilebilir. 4
Hızlandırıcılara neden ihtiyaç duyduk? Önceki derslerimizde temel parçacıklar ve bu parçacıklar arası bazı temel etkileşmelerden bahsetmiştik. Ancak bu temel doğa olaylarından bir çoğunu gözlemlemek kolay olmamaktadır. Bazıları için ise etkileşime girecek parçacıkların çok yüksek enerjilere/momentumlara sahip olması gerekmektedir. Her ne kadar kozmik ışınlar bu enerji düzeylerine sahip olabilseler de parçacık hızlandırıcıları sayesinde kontrol altında belirli parçacıkların etkileşimleri ve bu etkileşimin sonuçları incelenebilmektedir. Örneğin; Higgs bozonunun keşfi, öngörüldükten sonra hızlandırıcılar sayesinde olmuştur. 5
Parçacık hızlandırıcılarına temel bir örnek olarak eski tüplü televizyonlarda da kullanılan ve görüntüyü sağlayan katot tüpleri verilebilir. Daha da genel bir biçimde söylemek gerekirse; statik bir elektrik alan altında yüklü parçacıkların ivmelendirilmesi bilinen en temel yöntemlerden biridir. 6
Ancak elektrostatik hızlandırıcılar, yüksek enerji fiziğinde ihtiyaç duyulan enerji seviyeleri için yetersiz kalmaktadır. Bu yüzden parçacık hızlandırıcılarında radyo frekanslı elektromanyetik alan ve alternatif akım kullanan sistemler yaygın olarak kullanılmaktadır. Yaklaşık olarak son bir asırdır doğrusal hızlandırıcılarda kullanılan en yaygın yöntem de yine bu temeldedir. 7
Hızlandırıcılarda Alternatif Akım ve Doğrusal Hızlandırıcıların Gelişimi Doğrusal hızlandırıcı (Linear Accelerator/Linac): Doğrusal olarak uç uca eklenmiş bir dizi hızlandırıcı, elektrik yükü sıfırdan farklı atomaltı parçacıkların ivmelenmesini sağlar. Her bir hızlandırıcı parçasının sağladığı küçük ivmelenmeler, art arda dizili hızlandırıcılar sayesinde hızlandırıcı uzunluğu arttıkça daha da etkili olmaya başlar. Bu sayede hızlandırıcıda yol alan parçacığın toplam momentum ve enerjisi de hızlandırıcının uzunluğuyla doğru orantılı olarak artar. 8
Hızlandırıcılarda Alternatif Akım ve Doğrusal Hızlandırıcıların Gelişimi Doğrusal hızlandırıcı (Linear Accelerator/Linac) 9
Hızlandırıcılarda Alternatif Akım ve Doğrusal Hızlandırıcıların Gelişimi (1924) İsveçli fizikçi Gustaf Ising parçacıkların hızlandırılması için alternatif akımın kullanılmasını önerdi. (1927) Norveçli mühendis Rolf Wideröe ise gerçek anlamda ilk doğrusal parçacık hızlandırıcısının üretimini bu fikiri temel alarak tamamladı. 10
Hızlandırıcılarda Alternatif Akım ve Doğrusal Hızlandırıcıların Gelişimi Bu tür doğrusal hızlandırıcılarda alternatif akım elektronun hem ilerleme hem de tersi yönde ivmelenmeye zorlayacaktır. Bunu engellemek adına bu hızlandırıcılarda periyodik kalkanlar (drift tubes) bulunmaktadır. Ancak alternatif akımın frekansı ve hızlandırıcı dizisinin boyutu ve periyodu özenle seçilmelidir. Örnek: SLAC doğrusal hızlandırıcısında elektronun hızının ışık hızının %99una ulaştığını varsayalım. Kullanılan elektrik alan ~10GHz ile salınım yapmakta ise peşisıra dizilen tüplerin boyutları yaklaşık olarak ne kadar olmalıdır? 11
Hızlandırıcılarda Alternatif Akım ve Doğrusal Hızlandırıcıların Gelişimi Örnek: SLAC doğrusal hızlandırıcısında elektronun hızının ışık hızının %99una ulaştığını varsayalım. Kullanılan elektrik alan ~10GHz ile salınım yapmakta ise peşisıra dizilen tüplerin boyutları yaklaşık olarak ne kadar olmalıdır? 12
Doğrusal Hızlandırıcılar En uzun doğrusal parçacık hızlandırıcı merkezi: Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) ~3km 13
Doğrusal Hızlandırıcılar International Linear Collider ~30 km http://newsline.linearcollider.org/2013/08/08/the-ilc-at-aglance-2/ 14
Siklotronlar (Cyclotrons) (1929) Ernest O. Lawrence (Siklotronun icadından dolayı 1939 yılında nobel ödülü) Bir kaç metre çapındaki siklotron, bir kaç yüz MeV kütle merkez enerjili proton sağlayabiliyor. 15
Sinkrotron (Synchrotron) (1944) Vladimir Veksler yeni bir hızlandırıcı fikri ortaya koydu. (1952) İlk proton sinkrotron hızlandırıcısı kuruldu. Siklotrondan farklı olarak sabit olmayan manyetik kılavuzlama kullandı ve protonlara spiral değil dairesel bir güzergah kazandırabildi. 16
Sinkrotron (Synchrotron) Tevatron (1987-2011), Fermilab top quark keşfi 17
Sinkrotron (Synchrotron) HERA (1992-2007), DESY Germany Proton demetine 920 GeV enerji Lepton-hadron çarpıştırıcıları için de öncü olmuştur. 18
Sinkrotron (Synchrotron) LHC (2009-) En büyük halkasal hızlandırıcı CERN de bulunan Büyük Hadron Çarpıştırıcısının bir parçasıdır (Large Hadron Collider/LHC). 27 km çevre uzunluğuna sahip dairesel bir tüneli bulunmaktadır. 19
Sinkrotron (Synchrotron) LHC (2009-) Higgs bozonunun keşfi Proton demetine 6.5 TeV enerji kazandırmaktadır. 1.9 K ( 271 C), Neden bu kadar soğuk? 20
Sinkrotron (Synchrotron) LHC (2009-) En büyük halkasal hızlandırıcı CERN de bulunan büyük hadron çarpıştırıcısıdır (Large Hadron Collider/LHC). 27 km çevre uzunluğuna sahip dairesel bir tüneli bulunmaktadır. Dünyadaki en büyük deney mekanizmasıdır. Süperiletken magnetlerle parçacıkların yönlendirilmesini sağlamaktadır. 21
Sinkrotron (Synchrotron) LHC (2009-) Hızlandırma Süreci: https://www.youtube.com/watch?v=qqnpucos9wc 22
Sinkrotron (Synchrotron) FCC (~2030) Gelecekte kurulması planlanan en büyük halkasal çarpıştırıcı Future Circular Collider (FCC) olarak adlandırılmaktadır. İnşaası halinde çevresi 100 km olacak ve hadron demetlerine şimdiye kadar hızlandırıcılarda sağlanabilen en yüksek enerji aktarılabilecektir. 23
Sinkrotron (Synchrotron) FCC (2030) 24
Sinkrotron (Synchrotron) Müon hızlandırıcıları mümkün mü Şimdiye kadar kurulumu yapılmış bir müon hızlandırıcısı bulunmamaktadır. Ancak, kurulması halinde müonlar için en iyi hızlandırıcılar halkasal tip olarak öngörülmektedir. Müon hızlandırıcılarındaki en büyük problemlerden biri de müonların yarı-ömürlerinin elektron ve proton gibi parçacıklara göre çok daha kısa olması ve çarpıştırıcıların ışınlılık verimlerini düşürmeleridir. 25
Sinkrotron (Synchrotron) Müon hızlandırıcıları mümkün mü Yüksek müon üretim oranı, bu demetlerin hızlı soğutulması ile ilgili temel problemler çözüldüğünde müon proton çarpıştırıcılarının inşa edilmesi ve ayrıca bunların proton hızlandırıcıları ile beraber kullanılmaları mümkün olacaktır. Faaliyetine son verilen Tevatron proton çarpıştırıcısını kullanarak müon proton çarpıştırıcısı oluşturma fikri daha önceleri incelenmiştir. FCC temelli müonproton çarpıştırıcısı için ışınlılık ve kütle merkezi enerjisi için en uygun değerlerin belirlenmesi bu çalışmanın ele alacağı konulardan biridir. 26
Hangi çarpıştırıcı türü hangi parçacıklar için uygundur? 27
Sinkrotron ışınımı yüzünden elektronlar/pozitronlar için doğrusal hızlandırıcılar ve çarpıştırıcılar daha uygundur. Çünkü halkasal hızlandırıcıda ivmelenen elektronlar/pozitronlar ışınım yaparak son durum enerjilerinde düşüş yaşarlar. 28
Protonlar elektronlara göre 10 13 kat daha yavaş enerji kaybederler. Bu yüzden protonlar için dairesel hızlandırıcılar yüksek enerjilere ulaşmada daha uygundur. 29
Çarpıştırıcılarda bizi neler ilgilendiriyor? - Elde edilebilecek kütle merkez enerjileri - Birim zaman başına etkileşim sayısı - Toplam etkileşim sayısı 30
Işınlılık: Birim zamanda tesir kesiti başına elde edilen olay sayısı L=(1/σ) (dn/dt) Burada, N: olay sayısı Daha eksik ama daha iyi anlaşılır bir ifade ile: Belirli bir alandan belirli bir sürede geçen parçacık sayısı 31
Parçacık sayısı Parçacık demeti enine boyutu Çarpışma frekansı (sıklığı) Işınlılık Işınlılık ışınlılık Bir çarpıştırıcıda toplam kütle merkez enerjisi arttıkça gözlemlenebilen bölge küçülmektedir. Bu da daha derin bir araştırma yapılabilmesini sağlamaktadır. 32