Yüksek enerji fiziğinde araştırmalar çok farklı şekillerde yapılabilir. Fakat, deneylerin çoğu, istenilen parçacıkların oluşturulduğu ve hızlandırıldığı parçacık hızlandırıcılara dayanmaktadır.
Bundan sonraki kısımda , parçacık hızlandırıcıların 3 farklı çeşidi hakkında temel bilgiler verilecektir. Bunlar sinkrotronlar, siklotronlar ve linak olarak ifade edilen lineer hızlandırıcılardır.
Sinkrotronlar:
Sinkrotronlar, dünyadaki en yüksek enerjiye sahip parçacık hızlandırıcılardır. Parçacıkları, zıt yönde hareket eden ve eş değer enerjiye sahip olan parçacıklarla çarpıştırmadan önce, 6.5 trilyon-elektron-volta hızlandırabilme yeteneğiyle, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı listenin en üstünde bulunmaktadır.
Sinkrotronlar tipik olarak , parçacıkları bir halkanın etrafında tutan, kapalı bir yoldan oluşmaktadır . Diğer çeşitler ise, eğri kısımlar ve bunların arasındaki düz kısımlar ile oluşturulur. (yarış pistine ya da üçgen veya altıgen şekline benzer şekilde). Parçacıklar bir kere hızlandırıcıya girdiler mi, daima kapalı bir vakum hattının içinde olacak şekilde tekrar ve tekrar dairesel bir yol üzerinde hareket ederler.
Halka boyunca aralıklarla bulunan radyo-frekans kovuklar parçacıkların hızlarını arttırırlar. Elektromanyetik alanlar oluşturan farklı mıknatıs çeşitleri , parçacık demetlerini bükmek ve odaklamak için kullanılırlar . Elektromanyetik alanların şiddeti parçacıklar hızlandıkça yavaşça artar. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ ndaki parçacıkların istenilen enerji seviyelerine ulaşması için, LHC’nin etrafında 20 dakika içinde 14 milyon defa dolanmaları gerekmektedir.
Araştırmacılar parçacık detektörleriyle çevrili olan bölgelerde çarpışmalar oluşturmak için, hızlandırılmış parçacık demetlerini birbirleri üzerine gönderirler. Göreceli olarak, parçacık demetleri her karşılaştığında birkaç çarpışma gerçekleşir. Ancak, parçacıklar sabit bir şekilde sinkrotronda dolandığından dolayı, araştırmacılar parçacık demetlerini defalarca birbirlerinin içinden geçirebilirler. Böylece, nadir olarak gerçeklesen çarpışmalarla ilgili daha fazla veri toplanması için , zamanla büyük sayıda çarpışmanın oluşturulması sağlanır.
CERN’de bulunan LHC ‘nin yöneticisi Mike Lamont : “Büyük Hadron Çarpıştırıcısı dedektörleri ATLAS ve CMS, geçen yıl saniyede yaklaşık 400 milyona yakın çarpışma gerçekleştirdiler . Bu tasarımın bu kadar kullanışlı olmasının sebebi de bu.”, dedi.
Sinkrotronların gücü, onları özellikle evreni oluşturan temel yapı taslarını çalışmaya uygun kılmaktadır. Örnek vermek gerekecek olursak, fizikçiler çarpıştırıcının parçacıkları yüksek bir enerjiye hızlandırması ve yüksek çarpışma oranı üretmesi nedeniyle , LHC’de Higgs bozonunun var olduğuna dair delillere ulaşabildiler.
LHC temel olarak ,protonlarla protonları çarpıştırır ama aynı zamanda kurşun gibi ağır çekirdekleri de hızlandırabilir. Diğer sinkrotronlar farklı çeşit parçacıkları hızlandırmak için modifiye edilebilir. New York’taki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda, Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı (RHIC) protonlardan uranyuma kadar her şeyi hızlandırabilir. RHIC fizikçisi Angelike Drees’e göre; özel olarak tasarlanmış mıknatısların kullanımıyla RHIC proton demetleri kutuplaşmış bir şekilde tutabilir. Ayrıca RHIC kuark-gluon plazması oluşturmak için uranyum ve altın gibi ağır parçacıkları da çarpıştırabilir– Büyük Patlama (Big Bang)’dan sonra evreni oluşturan yüksek sıcaklık karışımı(çorba).
Siklotronlar:
Sinkrotronlar farklı bir tip dairesel çarpıştırıcı olan siklotronlardan esinlenerek yapılmışlardır . Siklotronlar, merkezden başlayarak parçacıkları spiral bir yol içinde hızlandırırlar.
Sinkrotronlarda olduğu gibi, siklotronlar da parçacıkları bir çember içerisinde bükmek için güçlü elektromıknatıslar kullanırlar. Fakat, ne kadar geniş olabileceklerini belirleyen(sınırlayan) , sadece tek bir mıknatıs kullanırlar. Parçacıkları, spiral bir yol oluşturacak şekilde, giderek büyüyen dairelerde yol almaya zorlamak için metal elektrotlar kullanırlar.
Siklotronlar sıklıkla müon veya nötron gibi özel tip parçacıklardan büyük bir miktarda üretmek için kullanılırlar. Medikal izotop üretmek için uygun enerji aralığı ve yoğunluğa sahip olduklarından ötürü, aynı zamanda medikal araştırma alanında da sıklıkla kullanılırlar.
Dünyanın en büyük siklotronu Canada Vancouver’daki TRIUMF laboratuvarında bulunmaktadır. TRIUMF siklotronunda , fizikçiler parçacıkları 520 milyon elektron-volta kadar hızlandırmaktadırlar. Farklı enerjilerde parçacıklar gerektiren deneyler için, hızlandırıcının farklı kısımlarından parçacıklar kullanabiliyorlar. TRIUMF hızlandırıcısının tasarımına ve yapımına yardım eden fizikçi Ewart Blackmore : ” Bu, siklotronları özellikle uyarlanabilir bir çeşit hızlandırıcı tipi yapıyor.”, dedi.
Linaklar:
Düzenli ve yoğun bir parçacık demeti gerektiren deney ve uygulamalar için, lineer hızlandırıcılar tercih edilen bir tasarımdır. SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı, 2 mil uzunluğunda olan ve parçacıkları bir noktada 50 milyar elektron-volta kadar hızlandırabilen dünyanın en uzun lineer hızlandırıcısına ev sahipliği yapmaktadır. Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı, protonları başka bir hızlandırıcıya göndermeden önce belli bir hıza ulaştırmak için daha kısa bir linak kullanır ve daha sonra bu parçacıklar dünyanın en yoğun nötrino demetini oluşturmak için sabit bir hedefe yönlendirilir.
Dairesel hızlandırıcılarda parçacıkları istenilen enerjiye hızlandırmak için bir çok tur gerekirken, linaklar parçacıkları daha kısa bir mertebede istenilen hıza eriştirirler. Parçacıklar hızlandırıcının bir ucundan düşük bir enerjiyle harekete başlarlar ve linaktaki elektromanyetik alanlar parçacıkları hızlandırıcı boyunca hızlandırır. Parçacıklar eğrisel bir yolda hareket ettikleri zaman ışınım (radyasyon) formunda enerji yayımlarlar. Düz bir hatta yolculuk etmek demek, enerjilerini kendileri için tutmaları demektir. SLAC Linak’ındaki bir seri radyo-frekans kavitesi, parçacıkları elektromanyetik dalgaların üzerinde sürüklemek için kullanılır ve bu da parçacıkların hızlandırıcı boyunca hızlanmasına neden olur.
Siklotronlar gibi linaklar da medikal izotop üretmek için kullanılabilir. Aynı zamanda kanser tedavisinde kullanılmak üzere, radyasyon demetleri üretmek için de kullanılabilirler. Kanser tedavisi için kullanılan elektron linakları, en yaygın parçacık hızlandırıcı çeşididir.
Kaynak: SymmetryMagazine
