DÜNYAMIZIN TEMEL TASININ İZİNDE
Pedro WALOSCHEK
- Atom çekirdeğini oluşturan Quark adı verilen parçacıkların sırrı nedir? Acaba maddeyi oluşturan gerçekten bunlar mı? Yoksa bunlar da daha küçük parçacıklardan mı oluşuyorlar? Bu sorulara yanıt bulmak için Hamburg Araştırma Merkezi DESY’de yeni bir “Parçacık hızlandırıcı” inşa edilmektedir. DESY’de araştırmacı Pedro WALOSCHEK, fizikçilerin, atomun mikro dünyasının ne kadar derinliklerine indiklerini açıklamaktadır.
Ç
evremizde bulunan herşey çok küçük parçacıklardan oluşmaktadır. Bu sonuca zamanımızdan tam 2000 yıl önce yaşamış olan Yunanlı filozof Demokrit düşünerek ulaşmıştı. Daha fazla parçalanması olanaksız olan bu parçacıklara “atom” adını o vermişti.
Demokrit’in bu teorisi uzun süre kimsenin dikkatini çekmedi. Geçen yüzyılın başlarında “atom” sözcüğü yeniden güncel olmaya başladı. Zira sayıları gittikçe artan tüm göz-
DESYAraştırma Merkezi’nirı havadan görünüşü. Kırmızıçember Dünya ‘da şimdiye kadar inşa edilmiş en büyük elips tünel olan RETRA ‘yi göstermektedir. înşa edilmekte olan HERA Tüneli ise sarı renkte işaretlenmiştir. Sağda Hamburg’un Park Stadı görülmektedir.
lemler, bu efsanevi parçacığın gerçekten varlığını gösteriyordu. Daha 1900 yılının başlarında tüm fizikçiler ve kimyagerler atomun varlığına inandılar. 0 zamanlar 90 farklı atom tam olarak biliniyordu. Bunlardan her biri bir kimyasal elementi simgeliyordu: Buna göre; hidrojen gazı hidrojen atomlarından, bir demir levha demir atomlarından, uranyum mineralli uranyum atomlarından oluşuyordu. Fakat atom nasıl bir şeydi? Bunlar çok küçük kürecikler miydi? Yoksa birçok fizikçinin de tahmin ettiği gibi iç yapısı olan bir şey miydi?
1911 yılında İngiltere’de çalışan fizikçi Ernest Rutherford ilginç bir sonuçla karşılaştı: Rutherford, radyoaktif bir maddeden ışıyan, çok küçük parçacıklarla bir altın levhayı yaylım ateşine tuttu. Aynen bir duvara vurulan lastik toplar örneği, sık bir şekilde altın atomlarından oluşan bir levhadan parçacıkların geri tepmesi gerekiyordu. Fakat altın levhaya çarpan parçacıkların çoğunun levhaya saplanıp kaldığını gördü. Bunlardan çok azı levhaya çarparak geri döndü. Rutherford bu gözlemden, atomların tekdüze bir yapıya sahip olmadıkları sonucuna vardı. O’na göre, atomlar büyük boş bir hacim ve ağır bir çekirdekten oluşmaktadır. Çekirdek atomun hemen hemen tüm ağırlığını oluştururken, atom hacminin sadece onbinde biri kadar büyüklüğe sahiptir. Atomun tüm hacmi, çekirdek ve bunu saran elektronlardan olu-
Proton
3 ade Quarkdan oluşmaktadır. / /
Proton ve nötronlardan oluşan / Atom Çekirdeği /
Atomun zarfı
Çekirdek, protonlar / ■ ve nötronlardan
/oluşmaktadır. Ve çok değil bir kaç yıldan bu yana da bunların bir takım daha küçük parçacıklardan oluştuğu ortaya kondu. Her biri üç <fQuark”dan oluşmaktadır. Şimdi araştırıcılar Quark- ların da birşeylerden oluşup oluşmadığı bilmecesini çözmeye çalışıyorlar.
ha küçüktür. 100.000.000 atom yanyana geldiğinde ancak 1 cm uzunluğunda bir zincir oluşmaktadır.
Fizikçiler, tüm kararlı maddelerin iki tür ûuarkdan ayrıca elektronlardan ve bir başka tür parçacıktan, yani sırrı henüz çözülememiş nötrinodan oluştuklarını saptamışlardır. Eğer dünyamızı, hatta tüm evreni tek tek atomları yan yana geti-
Atomun yapısı ile ilgili bilgiler zaman-
la değişmiştir. Daha bir asır öncesinde
atom yeknesak, içi dışı aynı bir kürecik
olarak kabul ediliyordu. Sonradan fizik-
çiler atomun ortasında çok küçük bir çe-
kirdek ve etrafında elektronlar olduğu-
nu keşfettiler. Bir kaç yıl
sonra atom çe-
kirdeğinin de yeknesak
yapıda olmadı–
ğı ortaya çıkarıldı:
/ 1
/
/
/
Atomlar ^
şan bir zarfdan ibarettir. Elektronlar ise çekirdeğe göre 2000 defa daha hafiftir.
Atom Çekirdeğinin Bombardımanı
Fizikçiler, atom çekirdeğini de daha küçük parçacıklarla bombardımana tutarak araştırmaya devam ettiler. Bu yöntem olumlu sonuçlar verdi. Sonuçta atom çekirdeğinin de yeknesak bir yapıda olmadığı görüldü. Çekirdek, iki tür çok daha küçük parçacıktan, protonlardan ve nötronlardan oluşuyordu.
Çekirdeğin bu parçacıkları da bombardıman edildiler ve sonuçta bunların da yeknesak olmadığı, değişik içyapıya sahip oldukları görüldü. Bunların herbirinin yapısında çok daha küçük üç adet parçacığın bulunduğu görüldü. Bu parçacıklara fantazi bir isim bulunarak “Quark” denildi.
Quarklar, protonlardan en az 1000 defa daha küçük boyuttadırlar. Protonlar ise atomdan yaklaşık 10.000 defa da-
Resimde görülen araçlardan dört tanesi ile HERA Tüneli içindeki aletler yerlerine yerleştirilmektedir. Burada 12 m uzunluğundaki manyetik modül yerine monte edilmektedir (üstte).
Protonların yörüngeden sapmasınıönleyen 9 m ’lik mıknatıslardan birisi. Bunlardan 416 tanesi tünel içindeki çember yörüngenin etrafına yerleştirilmiştir. Çalışmalar başlayınca bunlar sıvılaştırılmış helyumla -269°C’ye kadar soğutulacaktır (solda).
rerek yaratmak isteseydik, bu dört tür parçacığa gereksinim duyacaktık.
İnşaat taşlarını yan yana koyabiliriz. Buna karşılık atom dünyasında parçacıkları birlikte tutan değişik güçte ve etkinlikte 4 kuvvet etkendir ve dünyamız ancak bu şekilde meydana getirilebilir:
- Kütleçekimi
- “Zayıf kuvvetler”
- Elektromanyetik kuvvetler ve
- “Quark kuvvetleri”
Bu güçlerden hiçbirisi önemsiz değildir. Yerçekimi bizi Yerküre’nin üzerinde tutar ve Dünya’mızın Güneş etrafında dönmesini sağlar. Zayıf kuvvetler Güneş’deki enerjiyi bir nevi düzenler. Elektromanyetik kuvvetler atomlann birarada, birbirine yapışık kalmasını sağlar, ayrıca elektrik akımı ve radyo dalgaları için gereklidir. Quark kuvvetleri ise Quarklari birarada tutar, çekirdekaltı parçacığını ve son olarak da atom çekirdeğini şekillendirir.
Quark Nedir?
Quarklarin sırrı henüz çözülmüş değildir. Yalnız birbirlerine çok sıkı bir şekilde bağlıdırlar; son yıllarda protonların ve nötronların başka parçacıklarla bombardımanından bazı bilgiler elde edilmiştir.
Acaba şimdi Quarklar, gerçekten maddenin daha küçük parçalara bölünmeyen en küçük parçaları mıdır, yoksa bunlar da daha küçük parçalardan mı oluşmaktadır?
Bu soruya yanıt arayan fizikçiler, yine çok kullanılan eski bir yöntemle, Quarklari enerji yüklü elektronlarla bombardımana tutarak, parçalamaya veya hiç değilse ölçülebilen bir hacime sahip olup olmadıklarını bulmaya çalışmaktadırlar. Eğer bir hacimleri varsa, içlerinde “birşeyler” de var demektir. Quarklar tek tek elde edilemediği için hedef olarak protonlar seçilmektedir, Quark’lar üçlü gruplar halindedir. Fizikçiler bu bombardımanların analizleri sonucunda “dört temel kuwet”i birlikte yorumlayabilecekleri bir teori elde edebileceklerini ummaktadırlar.
Quarklarin araştırılmasının yapılacağı süper tesis, şu sıra Hamburg’da DESY Araştırma Merkezi’nde inşa edilmektedir. 1990 yılında HERA’nın inşaatı tamamlanarak deneylere başlanacaktır. HERA “Hadron-Elektron-Ringanlage” sözcüklerinin baş harfleridir ve “Hadronlar” terimi, proton ve elektronları birlikte ifade eder.
Parçacıklar Oval Tünelde Dönecekler
HERA şimdiye kadar inşa edilen hızlandırıcılardan 10 misli daha güçlü olacaktır. Burada önemli faktör çarpma enerjisidir. Fizikçiler, bu iş için bilinen, bazı araç sürücülerinin yaki- nen tanıdığı bir olaydan yararlanacaklardır: İki aracın birbirleri ile karşı karşıya çarpışmasıyla, bir aracın duran bir araca çarpmasından ortaya çıkan çarpma enerjisinin, tahmin edilebileceği gibi iki misli değil, tam dört mislidir. İkili bir kuvvet harcanarak 4 katı güç elde edilebilmektedir. Bu olayı atomun mikro evrenine uygularsak: Elektronların protonlardan oluşan bir duvara çarpmak yerine, protonları da hızlandırıp bu iki enerji yüklü parçacıkların karşı karşıya çarpışmasını sağlamaktır.
Bu nedenle HERA üst üste iki, biri protonlar için, diğeri elektronlar için, dairesel yörüngeden oluşmaktadır. Bu yörüngenin en önemli kısmh6,3 km uzunluğundaki, içinin havası tamamen boşaltılmış tüpdür. Bu tüp yörüngede parçacıklar, saniyede 47.700 devirlik bir hızla saatlerce döneceklerdir.
Parçacıklar 4 yerde karşı karşıya çarptırılabileceklerdir. Bu dört noktada bir takım ölçüm ve gözleme aletleri monte edilmiştir. Tüm bu olaylar Hamburg şehri Halk Parkı’nın yedi kat altında inşa edilen oval bir tünelde gerçekleşecektir.
Otomobiller gaz verilerek, elektronlar ve protonlar ise elektrik gerilimi yaratılarak hızlandırılırlar. Hemen hemen her evde bulunan televizyon aletleri böyle bir hızlandırıcıdır.
TV tüpünde, kor halindeki tellerden elektronlar gönderilir. Tüpün öteki ucuna metal bir levha yerleştirilmiştir. Kızgın tel ile levha arasında birkaç bin voltluk elektrik gerilimi elde edilir. Sonuç: Elektronlar telden levhaya doğru büyük bir hızla uçuşurlar ve ekranı aydınlatırlar. Bu olayda elektronlara aktarılan elektrik enerjisi “eletrovolt eV” ile ölçülür ve oluşan gerilim ile doğru orantılı olarak yükselir. TV’de elektronlar 20.000 eV’a ulaşırlar.
Bu değer, atom çekirdeğini incelemek için çok azdır. Enerjiyi yükseltmenin iki yolu vardır. Birisi gerilimi artırmak. Bu yol izolasyon problemini de beraberinde getirir. İkinci yol daha zekice düşünülmüştür. Parçacıkları dairesel bir yörün-