CERN'de 2008 yılından beri çalışmaya devam eden Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (Large Hadron Collider - LHC) kurulumu sırasında büyük hedefler konmuştu: Standart Model'in en önemli yapı taşlarından biri olan Higgs parçacığını üretip özelliklerini detaylıca araştırma ve varsa Standart Model ötesi fiziğe dair bulgular elde etme. Higgs'in keşfiyle birlikte hedefin ilk kısmı tutturuldu, ikinci kısmı üzerinde ise çalışmalar hararetli bir şekilde devam ediyor, üçüncüsü konusunda ise umutlar muhtemelen 'bir sonraki bahara' yani yeni hızlandırıcılara kaldı. LHC ölçeğinde milyar dolarlık projelere bir akşamda karar verilmediğinden bir ancak 2040'larda çalışmaya başlayacak bir sonraki hızlandırıcı için öneriler artık tasarım aşamasına geldiler.
Bunlardan en önde geleni CERN ve diğer uluslararası ortakların bir araya gelip kurmayı planladıkları Future Circular Collider (FCC); mevcut LHC tünelinin (27 km) üç katı büyüklükte (100 km) yeni bir dairesel tünel kazılıp yaklaşık 10 milyar dolarlık yatırım ile yeni bir hızlandırıcı inşa edilmek isteniyor.
İsviçre-Fransa sınırında Cenevre şehrindeki LHC ve önerilen FCC hızlandırıcıları haritada karşılaştırmalı olarak gösteriliyor. (Kaynak: CERN)
İlk aşamada elektron ve karşı parçacığı olan pozitronları çarpıştıracak olan FCC'nin yaklaşık 365 GeV enerjiye ulaşması planlanıyor (1 GeV = 1 protonun saf kütlesinin enerji karşılığı olarak düşünülebilir). Bu enerji ile çarpıştırıcının elektron-pozitron çarpıştırıcı olması sebebiyle fiziksel olarak nispeten 'temiz' bir ortamda analiz yapılacağı göze alınarak öncelikli olarak LHC ve öncesindeki hızlandırıcıların keşfettikleri parçacıkların kütle ve diğer birçok özelliklerini hassas bir şekilde ölçülmesi hedefleniyor. Sonrasında, hızlandırıcıda yapılacak bir takım değişikliklerle aynı tünel bu sefer 100 TeV (1 TeV = 1000 GeV) enerjiye kadar çıkabilecek, LHC gibi çok daha zengin fizik senaryolarının (örneğin yeni parçacıklar vb.) incelenebileceği proton-proton çarpıştırıcısına dönüştürülmesi planlanıyor. CERN ve uluslararası ortaklarının hazırladığı ve geçen günlerde yayınlanan kapsamlı teknik rapor (ve alttaki video) epey ses getirmiş durumda.
FCC önerisi deneysel parçacık fiziği alanında gelecek için tek öneri değil elbette. Dünyanın birçok farklı yerinde, birbirine paralel olarak farklı hızlandırıcı önerileri çalışan gruplar var. FCC'ye rakip olarak Çin'in gündeminde olan Circular Electron Positron Collider (CEPC), FCC ile aynı prensipte (fakat biraz daha düşük maliyetle), 50 km'lik bir tünelde 240 GeV enerjili bir hızlandırıcı önerisi, deneysel parçacık fiziği konusunda yakın gelecekte dengelerin birçok konuda olduğu gibi Çin'e kayabileceğinin bir işareti. Bunların dışında bir de dairesel hızlandırıcılar yerine Doğrusal Hızlandırıcı önerileri de var (aradaki fark için güzel bir video açıklama). Bu tip hızlandırıcılar diğerlerine göre biraz daha az maliyetliler fakat nispeten daha düşük enerjilerde çalışıyorlar. CERN'ün öncülük ettiği Compact Linear Collider (CLIC)'da yakın zamanda yeni bir teknik rapor yayınladı fakat görüldüğü kadarıyla bu proje biraz FCC'nin gölgesinde kalıyor. CLIC'e paralel, Japon'ların epey yol kat ettikleri doğrusal hızlandırıcı projesi International Linear Collider (ILC)'de yakın zamanda Japon hükümetinin maliyet açısından desteklemek konusunda tereddütte olduğu bir pozisyonda, ilerleme kararı Mart ayında netlik kazanacak.
Kısacası hızlandırıcılar konusunda son durum şu: Eğer Çin CEPC'i yapmaya karar verirse (ki şimdilik epey istekli görünüyor), CERN aynı tasarımda bir hızlandırıcı yerine doğrusal hızlandırıcı olarak CLIC'e yönelebilir. Japonya ILC için yeşil ışık yakarsa (ki şu anda biraz meçhul) CERN'ün geleceği için yeni bir yol haritası çizmesi gerekecek. Her halükarda onaylanmaları durumunda 2040'larda devasa hızlandırıcılarla, fiziğin büyük problemlerini çözmek için araştırmalara devam edeceğiz gibi duruyor.
Geride kalan uzun, yorucu bir yıl ve önümüzde 'bilinmezliklerle' dolu yeni bir yıl... Yeni yıl öncesi 2018'i akademik ve kişisel açıdan değerlendirdiğim kısa kısa notlar paylaşmak istedim blogda. Böylece uzun bir yıl boyunca öğrenip biriktirdiklerimi gözden geçirip, yeni yılda beni bekleyenleri daha 'açık' görebilmeyi umarak başlayalım.
Öncelikle akademik mevzular... 2018'e damgasını vuran şeyler benim için doktoraya başlamamla birlikte ufak tefek dersler alıp, yavaş yavaş araştırma için ilk adımları atıyor olmamdı. Bu anlamda yönümü parçacık astrofiziğinden artık tamamen LHC'de ATLAS deneyinde parçacık fiziğine çevirdim. Taa 2008 yılında blogun ismine kazınmış olan en büyüklerin fiziği yani 'gökyüzü' ile ilişkili maceram, (muhtemelen uzun bir süreliğine) en küçüklerin fiziği yani deneysel parçacık fiziğine dönüşmüş oldu.
Bu dönüşümle birlikte her ne kadar ucundan, kıyısından aşina olsam da 'çarpıştırıcı fiziği' temelinde parçacık fiziğini hem teorik hem de deneysel olarak öğrenmek adına kolları sıvadım. Bunun için önümdeki en büyük engel parçacık fiziğinin temelinde yatan Kuantum Alan Teorisi (QFT - Quantum Field Theory)'ne dalıp, hayatta kalmaya çalışmaktı. Dönemin başından itibaren çoğu zaman kendi başıma kitaplarla, aynı zamanda Boğaziçi Fizik'te Umut Gürsoy'un, İTÜ Fizik'te Mehmet Özkan'ın QFT dersiyle ve yazın Mimar Sinan Fizik'teki hocaların düzenledikleri Kuantum Alan Kuramı yaz okulu ile konuya 'giriş' yapma fırsatım oldu. Temel Kuantum Elektrodinamik hesaplarını yapar noktaya gelip şimdilik şöyle bir nefes almaya yüzeye çıktım; yeni yılla birlikte Elektro-Zayıf Etkileşimler ve Kuantum Kromodinamiği özelinde derinlere dalmayı umuyorum, bakalım.
Bunun paralelinde parçacık fiziği ile ilgili çarpışma tesir kesitleri, beklenen olay sayıları gibi bir takım temel hesaplamaları yapmak için QFT'nin karanlık dehlizlerine dalmadan (relativistik kuantum mekaniği ve özel görelilik bilgisi ile) pratik kazanmak adına bu yıl keşfettiğim müthiş kitap Mark Thomson'un 'Modern Particle Physics' kitabı bu alana giren yeni yetme bir fizikçi olarak bana epey bir ivme kazandırdı.
İki dönem boyunca Boğaziçi Fizik'te danışmanın Erkcan Özcan'ın açtığı 'Monte Carlo Event Generators' ve 'Tracking in Particle Physics' doktora dersleri ile, dersi alan y. lisans/doktora öğrencileri ile birlikte her hafta bir araya gelip parçacık fiziği özelinde pratik problemler çözüp simülasyon ve analiz konusunda pratik yapma fırsatı edindim. Dersler boyunca yaptığımız tartışmalardan epey şey öğrendim; her haftaki görevlerimiz için hazırladığımız programlar ve analizler ilerleyen aşamalarda kendi analizime başlayacağım dönemler için çok iyi temel oluşturdular.
Parçacık fiziği işlerine girişmişken, epey şans eseri, grubumuzun da destek verdiği ATLAS deneyindeki TRT (Transition rAdiation Tracker) dedekötüründe yeni bir projeye dahil olma fırsatı edindim. ATLAS deneyindeki doktora öğrencilerinin, deney tarafından yayınlanan makalelerde yazarlık hakkı kazanabilmesi için yapması gereken ortalama bir yıllık Qualification Task'im böylece başlamış oldu. Üstelik proje dedektörün parçacık tanımlandırma yazılımını yapay öğrenme (machine learning) yöntemleri kullanarak iyileştirmek üzerine. Haziran aynında başlayan projede epey bir ilerleme kaydedip, yakın zamanda epey iyi performans sonuçları veren LSTM temelli bir çözüm önerisi geliştirdim. Yeni yılla birlikte altı ay boyunca bunu geliştirip son halini vermeye çalışacağım.
Yıl sonuna doğru tüm yıl boyunca hazırlıklarımızın karşılığı olarak doktora tezime doğru gidecek olan vektör bozonların etkileşimleri konusunda ilk araştırma adımları atmaya başladık danışmanımla. Henüz sinyal ve arkaplan sinyallerini üretme aşamasında olsak da projenin parçası olduğu uluslararası COST VBS (Vector Boson Scattering) ağı ile etkileşmeye başladık, Şubat'ta ilk eğitimlere katılıyor olacağız. Yeni yılda günlerimi en çok doldurması muhtemelen iş bu olacak gibi duruyor. Sabırsızlıkla bekliyorum.
Bu yıl konferanslar ve yaz okulları açısından epey verimli geçti, neredeyse leyleği havada gördüm diyebilirim. İlk olarak Nisan'da İtalya'da içinde bulunduğumuz COST - Vector Boson Scattering projesi kapsamında düzenlenen 'First Electroweak Symmetry Breaking Spring School' yaz okulu, Haziran başında CERN'de TRT dedektörünün dönemlik toplantısı TRT Days, Temmuz sonu yine İtalya'da'Monte Carlo Event Generators Summer School', Eylül başı Mimar Sinan Fizik Bölümünün İstanbul'da düzenlediği 'Kuantum Alan Kuramı Yaz Okulu' ve son olarak Ekim'de Bosna-Hersek'de 'Sarajevo School of High Energy Physics'. Her biri birbirinden zengin ve dolu dolu geçen bu okullardan gerek teorik gerekse de pratik çok şey öğrendim. Kendi başıma ya da derslerde öğrendiğim birçok şeyi benimle aynı motivasyona sahip doktora öğrencileri ile tartışma fırsatı edindim. Bu okulların herbirisinin organizasyonları tarafından masraflarımın karşılanmış olması ise cabası. 2019'da da olabildiğinde bu tip okullara katılmayı hedefliyorum.
Sonbahar dönemi itibariyle Boğaziçi'nde Fizik Bölümü'ndeki deneysel parçacık fiziği grubu altında düzenli olarak'Experimental High Energy Journal Club' okuma grubu başlatıık ve her hafta arXiv'den yeni yayınlanmış ilginç makaleleri bir araya gelip okumaya, tartışma başladık. Bir dönem boyunca yedi makale okuduk; bunu önümüzdeki yılda da sürdürmeyi planlıyoruz. Okuduğumuz makalelerin bir kısmını özetleyen yazılar kaleme aldım bu arada. (Bu tip işler için 'Standart Model' adında yeni bir blog açmıştım fakat dağılmaktansa artık tüm yazıları GökGünce üzerinden paylaşmaya niyetliyim.)
Bölümde bu dönem dördüncü sınıflara yönelik 'Statistical Mechanics' dersinin uygulamalarını verdim. Geçen senelerde verdiğim Thermal Properties of Matter dersinin devamı niteliğinde olan bu 'core' ders için epey bir enerji harcamam gerekti her hafta ama özellikle önümüzdeki yıl gireceğim yeterlilik sınavı için benim için de iyi bir alıştırma oldu.
Biraz da kişisel... Doktora temposu ve bölümdeki asistanlık işleri okul dışında neredeyse başka hiçbir şey için zaman bırakmadı yıl boyunca. Bu da kaçınılmaz olarak haftasonları dahil tatillerde, akşamları herkes 'sosyalleşirken' ofiste çalışma şeklinde yansıdı bana. Haftasonları ufak tefek doğa yürüyüşleri ve bazı akşamlar elime aldığım birkaç kitap dışında beni avutacak epey az şey oldu. Bunu biraz olsun dönüştürme konusunda inisiyatif almam gerektiğinin farkına varmamı sağladı; yeni yılda gerçekleştirip gerçekleştiremeyeceğim ise muamma...
Yıl içerisindeki yoğunluktan ötürü uzun bir süre 'sosyal medya' ve türevlerine uzun bir ara verdim ve bunu yapmak epey iyi hissettirdi. Üç ay boyunca Twitter'ı takip etmeden de yaşayabileceğimi(!) görüp bunu farklı ölçeklerde devam ettirme kararı aldım.
2019 yılının başında ise önümüzdeki Ocak ayında CERN ile ortak ESIPAP adlı bir dedektör kış okuluna katılacağım Cenevre'de bir ay boyunca. Parçacık fiziğinde kullanılan dedektör teknolojilerini teorik ve pratik olarak ele alacakları bu okulda 'ellerimi kirletmek' için epey heyecanlıyım; okulu detaylı bir şekilde buradan da paylaşmaya niyetliyim. Ardından Şubat'ta Slovenya'da COST projesinin yazılım eğitimi var bir hafta boyunca, Machine Learning ve Monte Carlo araçları üzerine; araştırmam için epey işlevsel olacak gibi görünüyor.
Yeni yılla birlikte blogda muhtemelen daha fazla parçacık fiziği yazıları ve doktora işlerimin yansımalarını göreceksiniz. Doktora ile birlikte işler epey bir dönüştü ve 2018 ile birlikte zorlu bir süreçte de olsa rayına oturdu gibi. Gerisi 2019 ile birlikte daha da fazla çalışıp "keyfini çıkarmaya" kalıyor.
Her yazıya 'uzun zamandan sonra' başlangıcı yapmak yerine doğrudan konuya girsem daha iyi olacak gibi; geçen yıl Boğaziçi Fizik'te doktoraya başlamamla birlikte çalıştığım konular ve ilgilendiğim problemler de biraz farklılaştı. Astrofizik ve parçacık fiziğinin kesişimi olan 'parçacık astrofiziği'nden astro kısmını tamamen atarak sadece parçacık fiziği kısmıyla yola devam etme kararı aldım; böylece CERN'de LHC (Large Hadron Collider) deneyine ve analizimde de tamamen LHC fiziğine yönelmiş oldum. Bu vesileyle de geçen hafta İtalya'da katıldığım bir okuldan söz açmak ve biraz parçacık fiziği konuşmak istedim.
Parçacık hızlandırıcılarda atom altı parçacıkların temel işleyişini incelerken öncelikle uzun yıllar boyunca geliştirilmiş teorik modellerden ve onların öngörülerinden yararlanırız. Standart Model olarak bildiğimiz ve detayları hemen hemen 80'lere gelindiğinde büyük ölçüde tamamlanmış olan, tahminleri LHC dahil tüm parçacık fiziği deneylerinde doğrulanan bir model bize belirli bir enerjide örneğin iki protonu 'kafa kafaya' çarpıştırdığımızda ne tip etkileşimlerin nasıl parçacıklar ortaya çıkaracağını detaylıca tarif eder. Ortaya çıkan bu parçacıkların elimizdeki dedektörler üzerinde nasıl izler bırakacağı bilgisini de dedektörlerimizi geliştirme sürecinde elde ederiz. Kısacası elimizdeki ilgilendiğimiz problemin mekanizmalarını tarif eden bir teori ve deneyi yaptığımızda elde edeceğimiz ölçümlere dair pratik modeller bulunuyor. Sonrasında deneyi gerçekleştirip dedektörlerimizle ölçümler alıyor ve büyük ölçekli bir veri elde ediyoruz. Bu noktada peşinde olduğumuz iki türlü soru söz konusu olabilir:
Standart modelin öngördüğü bir sinyalin (örneğin bir parçacığın var olup olmadığı, özelliklerine ilişkin bir parametre-kütle, yük vb.) varlığını göstermek isteyebiliriz.
Standart modele uymayan, teoride bir sapmaya ya da geliştirmeye işaret edecek yeni bir sinyali keşfetmeye çalışıyor olabiliriz.
Her halükarda elde edeceğimiz veriyi, teori ve modellerimize göre 'beklentimizle' karşılaştırıp bir keşif yapabilmek için parçacık fiziğinde benzetim (simülasyon) verileri kullanırız. Bu benzetim verilerinin hepsi temelde bilgisayarlarla rastgele (gibi görünen) sayılar kullanılarak üretildiğinden, kullanılan yöntemlere Monte Carlo'daki kumarhanelerden esinlenerek verilmiş Monte Carlo benzetimleri adı veriliyor. [Monte Carlo yöntemleri konusunda geçmişte yazdığım genel bir yazı için tıklayınız.]
Solda Monte Carlo yöntemlerine ismini veren ünlü kumarhane, sağda da zarlar üzerine parçacık fiziğindeki temel etkileşimlerin Feynman diyagramları olarak bilinen halleriyle resmedildiği görsel
Bu yöntemler size, elinizde özellikleri ve birbiriyle nasıl etkileştiklerini bildiğiniz parçacıkları istediğiniz enerjide çarpıştırdığınızda ortaya ne tip ve sayıca ne kadar parçacığın çıkacağını, bunların her birinin özelliklerini hesaplayıp size çıktı olarak veriyor. Bunun için parçacık fiziğinde özelleşmiş birçok Monte Carlo Olay Üreticisi (Monte Carlo Event Generator) bulunuyor ve her biri bu konu üzerinde yıllardır uğraşan büyük gruplar tarafından kodlanıp/geliştirilip araştırmacıların kullanımına sunuluyor. Yüksek enerjilerde parçacık etkileşimlerini günümüzde en detaylı haliyle ifade etmek için kullandığımız Kuantum Kromodinamiği (Quantum Chromo Dynamics -QCD)'nin tüm incelikli detaylarının hayat bulduğu bu olay üreticileri, karmaşıklıkları nedeniyle herkes tarafından adeta bir 'sanat ürünü' olarak kabul ediliyor.
Pythia, Sherpa ve Herwig adlarıyla bilinen genel-amaçlı olay üreticilerinden, sadece olasılıklarla ilişkili kesit (cross-section) hesabı için özelleşmiş CalcHEP, CompHEP gibi programlara kadar birçok MC üreticisi bulunmakta. Bu yıl 12.'si düzenlenen ve benim de katılma fırsatı bulduğum, MCnet adlı büyük bir Avrupa Birliği projesinin eğitim ağının bir parçacısı olan Floransa, İtalya'daki okul da, bu MC üreticilerinin geliştiricilerini ve uzmanlarını bir araya getirip bu programlar üzerine çalışan ya da araştırmalarında bu programları araç olarak kullanan doktora öğrencilerine yönelik detaylı derslerden oluşuyor. Altmış kişilik dünyanın her köşesinden özellikle LHC deneylerinde çalışan doktora öğrencileri olarak bir hafta boyunca sabahtan teorik dersler, öğleden sonra da bilgisayarda uygulamalarla dolu bir hafta geçirdik. Temel düzeyden QCD'nin 'kara büyü' niteliğinde grift detaylarına kadar her düzeyde dersler vardı ve uygulamalarda da gruplar halinde seçtiğimiz bir MC üretici üzerinde çalışıp son gün elde ettiğimiz sonuçları kısa bir sunumla paylaştık. Her günün sonunda haftanın başında oluşturulan ve MC üreticisi geliştiricilerinden birinin önderliğinde biralar eşliğinde gerçekleştirilen informal 'tartışma oturumları' okulun en faydalı kısımlarındandı.
Okula ev sahipliği yapan Avuturalya kökenli fakat Prato, İtalya'da bir eğitim kampüsü bulunan Monash Üniversitesi'nin etkileyici bir mimariye sahip binasındaydık
Bu vesileyle Roma ve Floransa'yı da gezip görme fırsatım oldu; mevcut Euro/TL kuruyla kendimi epey kısıtlamak durumunda kalsam da iki şehrin mimarilerinden, sanatla dolu müzelerine kısa sürede deneyimleyebildiğim kadarıyla benim için fazlasıyla etkileyici bir deneyim oldu.
Neyse ki Kolezyum manzarası önünden bir selfie çektirebilmek kurdan etkilenen bir şey değil...
Okuldan edindiğim bilgiler ve deneyim eşliğinde de yakın zamanda başlayacağımız bir proje için iyi bir altyapı edinmek konusunda bir adım daha atmış oldum. İlerleyen zamanlarda projeden ve gelişmelerden burada da bahsetmeyi planlıyorum. GökGünce'nin yanında teknik fizik/matematik yazılarımın yer aldığı 'Aslında Fizik' blogu ve çalışmalarına başladığım ve yakın zamanda içerik oluşturmaya başlayacağım 'bilimsel hesaplama ve programlama' üzerine blogumla (yapım aşamasında!) tekrar 'blogsphere'e dönmeyi umuyorum. Bu yazı da bu amacın ilk adımı olsun diyelim. İleri okumalar ve araştırma için:
Ders sunumlarına okulun Indico sayfasından erişebilirsiniz. (Eski okulların içerik ve derslerini görmek ve MCnet hakkında detaylı bilgi için: MCnet)
MC üreticilerini genel olarak incelendiği 'review' makale için: General-purpose event generators for LHC physics (arXiv bağlantısı)
MC üreticilerini anlamanın en güzel yolu kendinizin basit bir tane geliştirmesi. Temel hesaplamaların ve kodların yer aldığı güzel bir tutorial: How to write your own Monte Carlo event generator (makale, sunum ve kodların yer aldığı site)
CERN'deki çalışmalarda yer aldığımı duyan etrafımdaki insanların ilk sordukları sorulardan bazıları "Orada 'Büyük Patlama deneyi' yapıyorlardı değil mi, noldu o, hala devam ediyor mu?" ya da "Aradıkları bir 'Tanrı parçacığı' vardı hani, buldular mı? Eee buldularsa hala ne yapıyorlar" şeklinde oluyor. Büyük Hadron çarpıştırıcısı LHC (Large Hadron Collider) çalışmaya başladığında her yerde büyük ses getirmişti fakat sonrasında sonuçları ve ardından gelen çalışmaları aynı ölçüde bir etki yaratmadı belli ki. Aslında CERN'de hala çalışmaların devam ettiğini, hatta her şeyin beklenenin de üstünde bir performans sergileyerek 2017 için birçok yeni planlar yapıldığını; aynı zamanda CERN'de sadece çarpıştırma deneyleri değil yan taraftaki deneylerin de çok önemli sonuçlar elde ettiğine kısaca değinmek istiyorum.
Öncelikle Higgs parçacığı konusunu açığa kavuşturalım. 2012 yılındaki birbirinden bağımsız iki deney grubu olan ATLAS ve CMS tarafından keşfinin ardından, LHC'de çarpışmalar devam ediyor çünkü parçacığın keşfi ile bütün sorunlarımız halledilmiş değil maalesef. Higgs'in özelliklerinin parçacık fiziğinde bildiklerimizi ifade eden 'Standart Model' teorisi ile uyumluluğu, farklı farklı durumlar için nasıl davrandığı gibi sorular çarpışmaların enerjisi ve çarpışma sayılarının arttırılmasıyla incelenmeye devam ediliyor. Ayrıca LHC gibi müthiş büyüklükteki bir deneyin peşinde olduğu sorular yalnızca Higgs'den ibaret değil. Hali hazırda çarpışmalarda 'bildiğimiz fizik'ten farklı bir gözlem ile Standart Model'deki birçok problemi halledebilecek Süpersimetri teorileri, karanlık madde adayı parçacıkların araştırılması, evrenin ilk başlarındaki koşulları ifade eden Quark-Gluon plazmasının özellikleri, evrenin ilk anlarında madde ve anti-madde arasındaki bir simetri kırılması ile şu anda etrafımızda sadece 'madde'nin olmasını açıklamaya çalışan araştırmalar LHC'nin ajandasında yer alıyor.
LHC için 2016 rekorlara imza atılan bir yıldı. Çarpıştırıcının elde edebileceği çarpışma enerjileri her geçen yıl yapılan değişiklikler ve güncellemelerle aşamalı olarak arttırılmış ve 13 TeV'a kadar çıkmış bulunuyor (1 eV, bir elektronu 1 Volt elektrik potansiyel farkını kat ederek kazandığı enerjiye karşılık geliyor ve parçacık fiziğinde standart enerji birimi olarak kullanılıyor. 13 TeV ise $10^{12}$ eV.) Yılın yaklaşık %50'sinde aktif çarpışmalara devam eden LHC bu müthiş performansı ile 6.5 milyon kere milyar ($6.5 \times 10^{15}$) çarpışma kaydederek beklenin %60 fazlasına ulaştı. Bu çarpışma sayısı geçmişteki toplam üç çarpışma döneminde elde edilenin toplamından daha fazlasına karşılık geliyor. Tek kelimeyle rekor bir değer. Parçacık fiziğinde ne kadar fazla çarpışma elde ederseniz yapacağınız analizlerde de sonuçlarınız bir o kadar istatistiksel olarak anlamlı olur, yani aradığınız sinyali daha net gözleyebilirsiniz.
Proton-kurşun çarpıştırmalarında ATLAS dedektörünün elde ettiği verilerde en ağır kuark parçacığı 'top-kuark' ve anti parçacığı 'anti-kuark' elde edildi.
Aralık ayında tamamlanan bu çarpıştırma döneminin hemen ardından, teknik aranın öncesinde dört hafta boyunca proton-proton çarpıştırmalarından farklı olarak 'kurşun-proton' çarpıştırmaları gerçekleştirildi. Bu çarpışmalar tipik proton-proton çarpıştırmalarından daha farklı bir dinamiğe sahipler ve bunun için de ayrı bir veri alım prosedürü takip ediliyor. Farklı kütledeki parçacıkları çarpıştırmak yanında birçok problemi de getiriyor. Her şeye rağmen bu çarpıştırmalarda da yine rekor sayıda çarpışma elde edilmiş bulunuyor. Proton-kurşun çarpışmaları parçacık fiziğinde 'ağır-iyon araştırmaları' olarak geçen ve ilk başta da bahsettiğim evrenin oluşumu sırasında çok yüksek sıcaklıklara karşılık gelen, proton ve nötronların yapıtaşları quark ve gluon'ların bir 'çorba' şeklinde olduğu plazma durumun özelliklerinin incelenmesinde büyük rol oynuyorlar.
2016 bu şekilde rekorlarla bitmişken, 2017'ye de büyük hedefler ve umutlarla girmiş durumda. Mart ayına kadar sürecek teknik arada dedektörlerin bakımları ve yükseltmeleri yapılıp, yeni çarpışmalar için hazırlanılacaklar. Öngörülen çalışmaları özetleyen CERN'ün genel direktörü Fabiola Gianotti'nin konuşmasını aşağıdaki videoda bulabilirsiniz.
CERN'deki çalışmalar LHC'den ibaret değil demiştik. Çarpıştırma fiziğinin dışında birbirinden farklı farklı yöntemler kullanarak birçok temel fizik problemine çözümler arayan onlarca grup daha bulunuyor CERN'de; özellikle son zamanlarda bu gruplar çok önemli sonuçlar elde etti gerçekten. Bunlardan öne çıkanlardan biri olarak ALPHA deneyinin ilk defa 'anti-hidrojen'in tayfını elde etmiş olması sayılabilir. Anti-hidrojen, bildiğimiz proton ve elektrondan oluşan hidrojen atomunun 'anti' hali, yani içerdiği parçacıkların tüm özellikleri aynı iken sadece yükleri tam tersi: çekirdeğinde eksi yüklü bir anti-proton, yörüngede de artı yüklü bir anti-elektron (pozitron) parçacığından oluşuyor. Bildiğimiz hidrojenin yükü değiştirilmiş simetrik hali diyebiliriz. Bu şekilde anti-parçacıklardan oluşan elementler elde etmek, anti-parçacıkların normal parçacıklarla bir araya geldiklerinde birbirlerini 'imha' ederek enerjiye dönüşmeleri nedeniyle hiç de kolay bir şey değil.
Alpha deney alanını gösteren bir görsel
Etraflarındaki madde ile etkileşmemeleri için çok güçlü tuzaklarla tutulan bu anti parçacıklarla oluşturulmuş anti-hidrojenin, yapılan çalışmada ilk defa tayfı ölçüldü. Yani elektronun yörüngesinde farklı farklı seviyeler arasında geçiş yaparken dışarı saldığı ışınım incelendi ve bunun normal hidrojeden belirgin ölçüde farklı olmadığı ortaya kondu. Bu problem çok önemli, çünkü madde ve anti-maddenin davranış olarak varsa birbirinden farklılıkları evrenin ilk başlangıcında yük korunumu nedeniyle oluşacak maddeye eşlik eden anti-maddeyi şu anda etrafımızda gözleyemiyor oluşumuzu açıklama potansiyeline sahip. Fizikte CP (charge-parity) - violation olarak adlandırılan ve evrenin başlangıcındaki bu durumu açıklamaya çalışan teoriler için bu tip deneyler büyük önem taşıyor.
CP-violation konusunda bu ay LHCb deneyinin elde ettiği sonuçları da bir kenara not etmek gerekir. Deney Nature Physics dergisinde, en iyi bildiğimiz üyeleri proton ve nötron olan 'baryon' adını verdiğimiz parçacık ailesinin anti-parçacıkları ile davranışları arasındaki farkları (yani simetri kırılmalarını) ortaya çıkardığını iddia eden sonuçlar yayınladılar. Geçmiş üç senenin LHC verilerini inceleyen ekip buldukları sonucun parçacık fiziğinde 'keşif' için gerekli $5 \sigma$ istatistiksel kriteri henüz sağlamıyor olsa da önümüzdeki yıllarda birikecek veri ile önemli bir keşfe doğru ilerlediği düşünülüyor.
Son olarak da çalışmalarına katkı koyduğum CAST deneyinde neler oluyor, ona değinelim. CAST deneyi geçtiğimiz hafta itibariyle KWISP dedektörü ile veri alımlarına başladı. KWISP - Kinetic Wisp Detector olarak geçiyor ve karanlık enerji adayı 'chameleon' adı verilen parçacıkları opto-mekanik bir yöntemle arıyor. Süpermıknatısın arkasına bu sefer X-ışını teleskobu ardına yerleştirilen dedektör sabah Güneş doğarken yaklaşık bir saat boyunca veri alıyor ve gün içerisinde de düzenli olarak 'arkaplan' verisi topluyor. Bir hafta daha sürecek veri alımının ardından dedektör üzerindeki geliştirmeler devam ederken ben de verilerin analiziyle uğraşıyor olacağım. Tez çalışmamın konusu olan bu dedektör ve CAST deneyi hakkında detaylı bilgi edinmek iiçin Türk Astronomi Derneği'nin yayınladığı Gökyüzü Bülteni'nin en yeni sayısını [Kasım-Aralık 2016] inceleyebilirsiniz.
KWISP opto-mekanik sensörü; ortada 'chameleon' parçacıklarının uyguladıkları kuvveti ölçecek ince bir zar, iki yanda girişimölçer için kullanılan aynalar yer alıyor.
CERN'de devam eden çalışmaları kısaca özetlemiş olduk. CERN'de bulunduğum süre boyunca da buradan kısa haberler paylaşmaya devam edeceğim. Geçen yaz her hafta CERN Günlükleri yazıları yazıyordum, bu sefer bu deneyimlerimi farklı bir amaçla kullanmak için şimdilik kendime saklıyorum, fırsat buldukça yine de güncellemeler paylaşmaya çalışacağım.
Geçtiğimiz haftalarda CERN'deki dev parçacık hılandırıcısı LHC'nin çalışmaya başladığı duyurulmuştu. Bir yıllık aradan sonra ilk ışınların hızlandırıcı tünele inject edilmesiyle günümüzün en büyük fizik deneyi başlamış oldu.
Geçen yılki sorunun ardından kontrollü bir başlangıç ile 900 GeV enerji ile hızlandırıcı devreye girdi ve 20 Kasım tarihinde ilk proton demetleri hızlandırıcı tünelinde saat yönünde dönmeye başladılar. (Hızlandırıcının çalıştığı enerji düzeyleri hakkında geçen yazıma göz atabilirsiniz ) CERN'deki bu heyecanlı anı aşağıdaki fotoğraf çok güzel bir şekilde özetliyor.
Proton demetlerinin hızlandırılmaya başlanmasınının üstünden üç gün geçmişti ve deneyin alt gruplarındna ilk çarpışma tespiti haberi geldi. 23 Kasım'da önce ATLAS, ardından LHCb ilk çarpışmaları görüntülediler. Bununla ilgili CERN'in hazırladığı videoya göz atmanızı tavsiye ederim:
Ve dün LHC'nin bir alt deneyi olan ATLAS elde ettiği ilk çarpıştırma verileriyle oluşturulan ilk makaleyi yayınladı( arXiv:0911.5430 ). Quantum Diaries'den Zoe Louise Matthews yazısında merak edeneler için ilk çarpışmaların tespit edilip verilerin nasıl işlendiğine kadarki süreci detaylı bir şekilde anlatmış. İlgili yazı için tıklayınız.
Son olarak, hızlandırıcı çalışmaya başlamadan medyada ilginç bir haber yayılmıştı: civardan geçen bir kuşun ağzından düşen bir ekmek parçasının elektrik sisteminde bir soruna yol açtığına dair. Haberlerde anlatıldığı kadarıyla komik duruyordu fakat bu hafta CERN'in yayınladığı basın bülteninde böyle bir şeyin olmadığını, yaşanan bir günlük elektrik probleminin çarpıtıldığı açıklandı... İlgili yazı için tıklayınız...
Doğanın en ince detaylarını gözler önüne serecek böylesi bir deneyin başlangıcı ve somut ilerlemeler kat ediyor olması gerçekten heyecan verici. Önümüzdeki günlerde çok daha heyecan verici gelişmelere tanık olacağımıza eminim...
Neredeyse bir yıllık aradan sonra CERN'deki dev parçacık hızlandırıcı başalangıç için geri saymaya başladı. CERN'den bu hafta yapılan açıklamaya göre yüksek-akım elektrik bağlantılarının kontrolü tamamlanan hızlandırıcının Kasım ayında 3.5 TeV(terra elektron volt) başlangıç enerjisiyle çalışmaya başlayacağı belirtildi!
LHC'nin yukarıdan görüntüsü
CERN'in genel direktörü Rolf Heuer, seçilen 3.5 TeV enerji seviyesinin operatörlerin hızlandırıcıyı tanımaları ve deneyim kazanmaları için en güvenli enerji seviyesi olduğundan dolayı bu şekilde belirlediklerini söyledi. Bilindiği gibi LHC dizayn edildiği ve şu ana kadar hiçbir hızlandırıcının erişemediği en yüksek enerji seviyesi olan 7 TeV'a kadar çıkabilecek. Fakat bu enerji seviyesine belirli aşamalarla geçilecek.
LHC'de aranan Higgs parçacığının elde edilmesi için yapılan bir çarpışma simulasyonu. Görüntüdeki çizgiler çarpışma sonucu etrafa saçılan parçacıkların dedektör tarafından tespit edilmesiyle oluşturuluyor. Çizgilerim yönleri, sapma açıları gibi bilgiler yeni parçacıklar hakkında ipuçları sağlıyor. (Kaynak : CERN)
Hızlandırıcıdaki enerji seviyeleri hızlandırıcıda dolanan ve kafa kafaya çarpışması istenen ışın demetlerinin enerjilerini ifade ediyor. Dev elektromıknatıslarla hızlandırılan demetlerin enerjisi ne kadar fazla olursa şu ana kadar incelenmemiş ölçeklerde keşifler yapabilme olanakları da daha fazla ortaya çıkıyor. Enerji seviyelerini biraz daha somutlaştırmak adına şöyle bir örnek verilebilir. Görünür spektrumdaki ışığın enerjisi yaklaşık 1-10 eV arasındadır.(Bu arada 1 eV, 1 volt gerilimde hızlandırılan bir elektronun enerjisine denk gelir) Bu ışığın dalga boyuna baktığımızda ise 10^-7 m (10 üzeri -7 metre) gibi bir değerle karşılaşırız. Bu ışıkla örneğin, büyüklüğünün ortalama 10^-14 m olduğunu bildiğimiz bir atom çekirdeğine baksak görüntüyü çözemeyiz. Ancak bunun için kuantum mekaniğinden faydalanarak yüksek momentum değerlerine erişebileceğimiz madde dalgalarını kullanmamız gerekir. Bunun için de ihtiyacımız olan enerji 100 MeV(1 milyon eV) ve 1 GeV(1 milyar eV) arasındadır. İşte atomların üzerine fener tutup inceleyememizin, bu nedenle parçacık hızlandırıcıları kullanmamızın da temel sebebi bu. Konumuza dönersek yaptığım açıklama ışığında bahsedilen 3.5 TeV (3.5'un yanına 12 sıfır koyun) quarkları ve elektronları rahatlıkla çözebilecek bir enerji... Bir de 2010'dan sonra ulaşılacak 2 katını düşünün...
Geçen seneki talihsiz kaza onarım aşamasında aynı zamanda bilimadamlarının ve operatörlerin LHC'yi çok daha iyi tanımalarını sağladı. Ekstra testler ve birtakım yükseltmelerle hızlandırıcı Kasım'daki başlangıca hazır görünüyor. Bize de nefesimizi tutup, herşeyin yolunda gitmesi için umut etmek kalıyor...
Yoğun bir dönemime denk geldi; bir haftadır bloga yazı yazamıyorum. Bu hafta içinde tekrar bir toparlanıp eski formuma dönmeye çalışacağım.
Açılışı LHC konusunda bugün yapılan duyuruyla yapalım: CERN'deki LHC deneyi beklenenden daha kısa sürede başlayacak! GökGünce'yi takip ediyorsanız bunun öncesinde LHC'deki gelişmeleri paylaşmaya çalışmıştım. Son habere göre yetkililer LHC'nin bozulan son parçalarının değiştirildiğini ve bir ay içerisinde çalışma koşulları için soğutulmaya başlanacağını belirtiyorlar. Buna göre LHC, 2009 yılı Eylül ayı sonlarına doğru ilk çalışmalar için hazır olacak.
Bunun yanında LHC'nin normalde kışın işletme maliyetleri yüksek olduğundan Kasım-Nisan arası çalışmalaara yıllık ara verilmesi planlanıyordu fakat hasar, planların değişmesine neden oldu. LHC çalışmaya başladıktan sonra aralıksız 10 ay çalışacak.
LHC çalışmaya başladıktan ancak 4-5 sene sonra en yüksek enerji seviyesi olan 7 tera elektronvolt'a erişecek.. Ayrıca 5-6 yıl sonra yapılacak yükseltmelerle hızlandırıcının saniyede üreteceği çarpışma sayısı (luminosity) 3'e katlanacak.
Fermilab'deki CDF dedektörü Konuyla paralel bir başka duyuru da Fermilab'dan yapıldı. Fermilab, LHC'nin de peşinde olduğu Higgs parçacığı avında hiç de sanıldığı gibi oyundan uzak kalmadığını belirtiyor. Fermilab, Amerika'da yaklaşık on yıldır çalışan bir parçacık hızlandırıcısı. LHC'nin çalışmaya başlamasıyla "pabucu dama atılması" beklenen hızlandırıcıda görev yapan araştırmacılar, yaptıkları açıklamada düşük enerji seviyelerinde Higgs parçacığını aramaya devam ettiklerini ve şansları yaver giderse bunu bulabileceklerini belirtiyorlar.
LHC'nin de peşinde olduğu Higgs parçacığı, atom altı parçacıkların davranışını betimleyen Standart Model'de teorik olarak varlığı bilinen fakat şu ana kadar gözlenememiş olan bir parçacık. Parçacıkların kütle kazanmalarını sağlayan Higgs parçacığı eğer düşük kütleli ise Fermilab'ın çalışma enerji aralığında bulunma ihtimali var; fakat büyük kütleli ise LHC'nin çalışmaya başlayıp bahsedilen enerji seviyelerine gelmesini beklemekten başka çare yok.
Particle Zoo'dan Higgs bozonunun oyuncağı. Hayalet parçacık olarak da isimlendirildiğinden renk olarak siyah seçilmiş...
Konuyla ilgili yayınlanan habere erişmek için tıklayınız.
Büyük Parçacık Fiziği deneyi tüm dünyada bir milyara yakın insanın takibinde 10 Eylül'de sorunsuz başlamıştı fakat bu fazla uzun sürmedi 19 Eylül'de tünelde helyum sızıntısı olduğu haberi duyuldu ve asrın deneyine ara verildi. (Hasarın raporu ve görüntüleri için tıklayınız )Peki deney iddia edildiği gibi 2009 içinde tekrar başlayabilecek mi?
LHC'de yaşanan problem ve süreçle ilgili bilgi veren CERN'ün İletişim Başkanı James Gillies ile yapılan röportaj PhysicsWorld'de yayınlandı. Deneyin dünyaya tanıtımı ve güncel gelişmeleri öğrenmek için yazıyı okumanızı tavsiye ederim :
Bu arada symmetry breaking'de gözüme takılan ilginç bir haberi sizinle paylaşmak istiyorum. Sanatçı Josef Kristofoletti LHC deneyindeki dedektörlerden biri olan ATLAS dedektörünün resmini Amerika Güney Carolina'da Redux Modern Sanat Galarisinin duvarına çizmiş. Resim nasıl tepkiler alıyor merak ediyorum açıkçası. Josef çizimi yaparken polisler tarafından grafiti yaptığı sanılarak uyarıldığını söylüyor fakat LHC'deki bir parçacık dedektörü olduğunu söylediğinde herkesin dilinde "kıyamet makinası" olarak bilinen deneyi polisler bildiklerini söylemişler; deneyin dünyayı yok edip etmeyeceğini ayaküstü tartışmışlar bile! Fizik merakını duvarlara yansıtan sanatçının çalışmasını aşağıdaki videodan izleyebilirsiniz.
LHC deyince hep aklıma geçen aylarda blogda yer verdiğim rap şarkısı geliyor, bir kaç hafta dilime dolanmıştı. Tekrar bir göz attım da dinlemeyenler için buraya tekrar ekliyorum.
Yıllardır bilim namına herhangi bir yayın yapmamış medya kanallarında bile günlerdir konuşulan, kıyamet senaryoları üretilen, Dünya'yı yok edeceğine inanılan deney herhangi bir "karadelik vakası" olmadan sonunda başladı.. LHC'yi yukarıdaki cümledeki gibi tasvir etmemiş olmayı dilerdim fakat popüler kültür, insanlığın bilim alanındaki en büyük keşif deneyini ancak böyle değerlendirebildi! Evreni anlayışımızda büyük çığırlar açacak LHC deneyini bir kıyamet deneyi olarak tercüme eden toplum bir Ortaçağ kafası ile gerek CERN'e gerekse de bilimadamlarına saldırıyor. Bunlar arasında deneyi yapan bilimadamlarının ölüm tehtidleri alması ise akıl alır bir durum değil. Bütün bunlar insanlığa inancımın daha da azalmasına sebep oluyor..
Bütün bu saçma sapan olaylara rağmen, bilimadamları dün TSİ 10:00 gibi ilk proton demetini hızlandırıcıya başarıyla saldılar. Başlangıç olarak 0.45 TeV(Tera electron Volt) enerji ile hızlandırıcının 27 kilometrelik tünelinde ışık hızının 99.9998% 'i hızda dolandırılan proton demeti ilerleyen haftalarda enerjisi yükseltilip birbiriyle çarpıştırılmaya başlanacak. Bu yıl sonunda 5TeV enerji düzeyine çıkması beklenen hızlandırıcı, tasarlandığı 7TeV enerji seviyesine ise önümüzdeki ilk baharda ulaşacak.
LHC tünelinde belirli aralıklarla proton demetlerini yönlendirmek için kullanılan kolimatörler (collimater)bulunuyor. Bilim adamları protonların tam olarak yönlendirildiklerine emin olduklarında bu kolimatörleri teker teker açtılar. Dün yapılan çalışmalarda protonlar beklenenden çok daha rahat bir şekilde 55 dakikada tam olarak yönlendirilebildiler.
Tünel içinde ilerleyen protonlar kolimatör adı verilen aletlere çarparak parçacık kalıntıları oluşturdular. (Kaynak CERN)
Deneyin ilk günü tamamıyla sorunsuz geçmedi tabiki. Akşam saatlerinden LHC'yi 1.3 kelvin sıcaklığa soğutan kriyojenik sistemin bir kısmında problem çıktı. Tüneldeki süperiletken mıknatısların çalışması için bu dereceye kadar soğutulmaları gerekiyor. Fizikçiler probleme hemen müdehale ederek çözdüler ve testlerin çizelgedeki gibi ilerlemesini sağladılar.
Beklenenin aksine deney bir iki hafta içerisinde beklenen sonuçları vermeyecek. Karşılıklı çarpıştırmalar gerekli enerji seviyelerinde yapıldıktan sonra yapılacak detaylı analizler sonucu ancak elle tutulur sonuçlara ulaşacağız. Bunun içinde en az bir yıl kadar beklememiz gerekiyor..
Büyük parçacık fiziği deneyine 10 gün kala internette, CERN'de basın departmanında çalışmış olan Kate McAlpine'in konuyla ilgili rap şarkısı dolaşıyor. Youtube'da şimdiden 400 000'in üzerinde tıklanan şarkı deney ve modern fizik hakkında bir çok konuyu içinde bulunduruyor. Mutlaka dinlemenizi tavsiye ederim..
