HIZLANDIRICI
Hızlandırıcılar, sonsuz büyüklüklere olduğu kadar, sonsuz küçüklüklere de pencere açar. Bunların tasarımında ve kullanımında yarım yüzyıldan beri büyük gelişme kaydedildiği halde, temel işlevinde bir değişiklik olmamıştır: maddenin içinde neler olup bittiğini öğrenebilmek, böylece hem parçacıklar ölçeğinde, hem galaksiler ölçeğinde evrenin düzenini sağlayan madde içi ve maddeler arası etkileşimler hakkında genel bilgiye sahip olmak.
Hızlandırıcılar, elektrik yükü taşıyan parçacıklara (elektronlar, protonlar ya da ağır iyonlar), çok büyük hızlar kazandıran aygıtlardır. Bu aygıtların temel işlevi, örneğin proton ve nötron gibi temel parçacıkların kohezyonunu sağlayan çok kuvvetli bağların incelenmesidir. Modern fizik kuramlarına göre bu temel parçacıklar da «daha temel» parçacıklardan meydana gelir.
Hızlandırıcılar, 1930’larda, atom çekirdeğini incelemek amacıyla tasarlandı. Sonra, 1960’larda, o zamana kadar keşfedilmiş parçacıklardan yeni parçacıklar elde etme amacına yönelindi. 1970’ten beri, gerçekleştirilen güçlü hızlandırıcılar sayesinde parçacık fiziği alanında önemli deneysel gelişmeler sağlandı. Bu alandaki çalışmalar bugün, «kuarklara ulaşma» üzerinde yoğunlaşmıştır -bugün kuarkların, maddeyi oluşturan en küçük varsayımsal temel parçacıklar oldukları kabul edilmektedir.
HIZLANDIRICILARIN ÖZELLİKLERİ
Maddenin yapısında temel rol oynayan madde içi bağları inceleyebilmek için, günümüzde en kullanışlı yöntem, bunların son derece şiddedi çarpmalara maruz bırakılıp parçalanması olarak görülmektedir. Bu ölçekte alındığında, şok sağlayıcı kullanılabilir öğeler gene, çok büyük hız kazandırılmış parçacıklardır. Bu yöntemi temel alarak gerçekleştirilen ilk deney, 1919’da E. Rutherford tarafından yapıldı. Rutherford bu deney için şok parçacığı olarak, doğal radyoaktif elemender tarafından yayımlanan alfa parçacıklarını kullanmayı düşünmüştü. Bunların, hafif atomların çekirdeklerine girip onların parçalanmalanna yol açabileceklerinden emindi. Radyum tarafından yayımlanan bir alfa parçacıkları demeti, azot atomuna yönlendirildi. Rutherford şu gözlemi yaptı: azotun hidrojene dönüşme-. sinin dışında, çok düşük miktarda hidrojen iyonu oluşmuştu; bu miktar, bir milyon alfa parçacığına karşılık yirmi kadardı. Bu iyonla-nn kesin olarak azot çekirdeğinden geldiğini düşündü; bu da, atom çekirdeğinin içinde yüklü parçacıklar -bunlara proton adını verecekti- bulunduğu hipotezini doğruluyordu.
Bu deneyin başarısı, alfa parçacıklarının yerine, hızı ve şiddeti
ayarlanabilen bir parçacık demetinin kullanılmasının g avantajları açık seçik ortaya koydu. Böylece, çok kesin tı araştırma yapabilme yolu açılmış oluyordu: parçacıklara zandırabilecek aygıdar gerçekleştirmek, daha sonra bu pa rı hedeflenen çekirdeklere yöneltmek. Yıllar geçtikçe dal daha dev boyudu hale gelen ve giderek maliyetleri yüksele zeneklere parçacık hızlandırıcısı veya kısaca hızlandırıcı adı
Hızlandırıcı. Herhangi bir cisme ivme kazandırmak, landırmak için, bu cisim üzerine bir güç uygulamak ger gün, bir temel parçacığı hızlandırabilmek için -bunları be çacıklarla şiddetli bir şekilde çarpıştırmanın dışında- elim lunan tek kuvvet, elektrostatik kuvvettir. Bu kuvvet, va elektrik alanı içinde bulunan parçacığın q yüklerinin ça eşittir: F = <fE. Buna göre, aynı elektrik alanı içinde, iki 1 bir yük, iki kat fazla bir kuvvete maruz kalacaktır.
Elektrik yükü taşımadığına göre, bir nötronu hızlan olanak yoktur. Buna karşılık, elektronlara, protonlara iyonlara ivme kazandırılabilir; bu, sonuçta bir bakıma dolaylı yoldan ivme kazandırma anlamına gelir, çünkü böylece, bu iyon içinde kendisine bağlı protona «taşıtılm Hızlandırıcılarda kullanılan bombardıman parçacıklarınır üzerinde inceleme yapılan soruna olduğu kadar, elde bulı gıtın özelliklerine de bağlıdır. Dolayısıyla bu alanda herge ilerleme kaydedilmektedir.
Bir hızlandırıcıya özelliğini veren parametreler arasmc tın belirli bir parçacığa uygulayabileceği enerji miktarı ve ğı yoğunluk, yani bir zaman birimi içinde sağladığı parçaı tan sayılabilir. Klasik mekanik yasalarının uygulanabild içinde, kütlesi m, hızı v olan bir parçacığın W7 kinetik eneı ğıdaki bağıntıyla verilir:
W = — mv , buradan v = 12 W elde edilir. 2 \ m
Oysa, Nq elektrik yükü taşıyan bir parçacık, bir U p yel farkının içinden geçtiğinde, kütlesi ne olursa olsu miktarda kinetik enerjiyle yüklenir: W = NqU. Buna 1 kütlesi küçük olduğu oranda hızı artar. Enerji miktarı e mak koşuluyla, bir elektronun hızı, bir protonun hızınd laşık 43 kat daha fazladır; proton, elektrondan yaklaşı kat daha ağırdır.
Maddesel bir ortamı kat ettiğinde elektron, protonda yüksek girme yeteneğine sahiptir. Ne var ki bir çarpıcının ca hedeflenen çekirdeğe çarptığı andaki enerjisi göz önüı lundurulur. Dolayısıyla bir hızlandırıcının yeteneği, çar uyguladığı enerji miktarıyla ölçülür. Bu enerji, elektronv’ olarak ölçülür. 1 eV, elektrik yükü e olan (mesela bir protc da bir elektronun elektrik yükü) bir parçacığın, 1 V değeri potansiyel farkının içinden geçtiği sırada yüklendiği enerji rıdır. Dolayısıyla 1 elektronvolt 1,6 x İCT19 J değerine eşi çok küçük bir birim olduğundan, bu birimin kadarı kull; milyon elektronvolta eşit megaelektronvolt (MeV) ve 1 elektronvolta eşit gigaelektronvolt (GeV) gibi. Elektronvol çük değerde olması, erişilen muazzam hızlar hakkında ya: şüncelere yol açmamalı. Örneğin 150 MeV değerinde bir nun hızı, 150 000 km/sn dolayındadır. Elektron ise daha yük hızlara sahiptir: 10 MeV değerinde bir elektron, ışık (c = 300 000 km/sn) çok yakın bir hıza sahiptir.
BOMBARDIMAN PARÇACIKLARI
Her atom, bir elektron «bulutundan» oluşur; bu bulutun boj 1(T m dolayındadır ve 100 000 kat daha küçük bir çekirdeği çe’ bu çekirdek belirli sayıda protondan ve nötrondan oluşur. Nöt elektrik yüklü değildir, oysa her proton, temel bir e (e = 1,6 x İC artı yüküne sahiptir. Elektron, eksi elektrik yükü (-e) taşır. Atomı turan parçacıkları bir arada tutan, çekirdeğin artı yükleri ile ele bulutunun eksi yükleri arasındaki elektrostatik çekimdir. Atomuı süz oluşu, çekirdeği oluşturan protonların sayısıyla, elektron bul oluşturan elektronların sayısı arasındaki eşitlikten kaynaklanır. Si nusu buluttan bir ya da birkaç elektron eksiltilecek ya da ona 1 elektron ilave edilecek olursa, yüksüzlük özelliği bozulmuş olur; artı ya da eksi bir iyon haline gelir; yapısından iki elektron eksiltil atom, elektrik yükü 2e olan artı bir iyon haline gelir. Bu olgu tem nacak olursa, çeşidi bombardıman parçacıklarının elde edilebi düşünülebilir: iyonlar, elektronlar, protonlar (bir hidrojen atorr iyonlaştırılmasıyla elde edilir), dötronlar (döteryumun iyonlaştıı sıyla elde edilir; döteryum, bir proton ve bir nötrondan oluşan 1 jen izotopudur). Bu çarpıcı parçacıklar hem nükleer fizik alanınd; iyonlar için), hem parçacık fiziğinde (öteki iyonlar için) kullanılır
Proton-kaışıtproton çarpışması
sonucunda ortaya çıkan parçacıklann bıraktığı izlerin bilgisayar tarafından yeniden oluşturulmuş görüntüsü. Farklı renkler, detektörün içindeki parçacıklann durumunu göstermektedir.
İÇİNDEKİLER
HIZLANDIRICILARIN ÖZELİKLERİ İLK HIZLANDIRICILAR ÇEMBERSEL HIZLANDIRICILAR
HIZLANDIRICILAR
Bir senkrotronun içinde, elektrik yüklü bir parçacık demetine (kırmızı renkli), ışık hızına yakın bir hız kazandınlır. Halkanın içine doğrusal bir hızlandmcı (6) taralından gönderilen bu parçacıklann hızının gereli kalmasını, yüksek frekanslı bir e sktriksel alan (7) sağlar. Söz konusu ızîarda parçacıklann kütlesi, her devir srsstnda hızla artar; bu da merkezkaç kuvvetinin artmasına yol açar. Parçacıktan, önceden belirlenmiş dairesel bir yörünge üzerinde tutabilmek için bu merkezkaç kuvveti, elektrik alanının (1) şiddeti sabit talacak şekilde, çok sayıda manyetik halka (2) yardımıyla artnlarak dengelenir. Sözlem odasının içinde “3), kabarcıklı oda (4) türü detektörler ve parçacık demeti tarafından bombardıman edilecek «örnek» (5) bulunur.
KÜÇÜK HIZLANDIRICILAR
Hızlandırıcıların tümü dev boyutlu değildir! Çoğu «makul» boyutlardadır, öyle ki «küçük hızlandırıcılar» da (özellikle ağır iyon siklotronlan) aşırı iletkenlerin sunduğu olanaklardan yararlanır. Siklotronlar, kanser tedavisinde ya da başka tıbbî amaçlar için, nötron demetleri oluşturmada kullanılır. Bu aygıtlardan yararlanan bir önemli sektör de, eczacılık ve biyoloji alanlannda kullanılan radyoaktif izotop üreticileridir. Bir başka tasan da çok yüksek şiddete sahip siklotronlardan, nükleer atıklan çevreye zararsız ya da çok az zararlı hale getirmek amacıyla yararlanmaktadır.
Bunlann dışında, birkaç yıldan beri küçük hızlandırıcılar, çok düşük yoğunluğa sahip kimyasal elementleri çözümleme tekniklerinde kullanılmaktadır. Louvre Müzesi’nde böyle bir hızlandmcı bulunmaktadır.
ÇEMBERSEL HIZLANDIRICILAR
Her yerinde aynı değerde, mesela dikey bir manyetik alanın bulunduğu bir boşluğun içine, elektriksel yüke sahip, yatay hareket verilmiş bir parçacık gönderildiğinde, bu parçacık hep aynı hızı koruyarak yatay bir daire çizmeye başlar: manyetik alandan kaynaklanan kuvvet bu parçacığın izlediği yolu çemberleştirir, hızındaysa bir değişiklik meydana getirmez. Ayrıca, söz konusu parçacığın çembersel yörüngesi üzerinde saniyedeki devir sayısı, bu hız ışık hızına çok yakın olmadığı sürece onun hızından bağımsızdır. Hız büyüdükçe, çizilen çemberin yarıçapı büyür. Bu özellik, siklotron ilkesinin temelini oluşturur.
Siklotron
Bu aygıt, birbirine yapışık metalik iki yarım silindirden oluşur. Ortasından ikiye kesilmiş bir galetayı andıran bu düzenek, güçlü bir elektromıknatısın kutuplan arasına yerleştirilmiştir; elektromıknatıs o bölgenin tamamına homojen, dikey bir manyetik alan sağlar. Silindirin içine, merkeze yakın bir yere doğru, zayıf, yatay bir hıza sahip elektrik yüklü bir parçacık fırlatılırsa, bu parçacık, düşük bir hıza sahip olduğu için küçük yarıçaplı bir daire çizmeye başlar. Manyetik alanın ve hızın belirli bir değeri koruması koşuluyla, fırlatılma noktası, parçacığın çizdiği daire sistemle eşmer-kezli olacak şekilde seçilebilir. Parçacık, saniyede k sayıda devir yapıyorsa, her saniyede hem bir yönde, hem de ters yönde k kadar dönme yapıyor, dolayısıyla iki iletkeni ayıran aralıktan k sayısı kadar geçiyor demektir. Bu iki iletken arasında uygun frekansa sahip bir potansiyel farkı yaratılacak olursa, parçacık, söz konusu aralıktan her geçişinde, hızlandırıcı bir elektriksel alanla karşılaşır.
Şu halde parçacığın üzerine, birbirine ters yönde iki eşit kuvvet etkir: bunlar, NcjvB manyetik kuvvet ve mv2/R merkezkaç kuvvetidir. Nq, v ve m, sırasıyla parçacığın yükü, hızı ve kütlesi, B manyetik alanın endüktansı, R de yörüngenin yarıçapı olduğunda, açısal m hızı aşağıdaki bağıntıyla elde edilir:
NqB v m ~ R
Görelilik alanına girmeyen hızlarda bu açısal hız, yani saniyedeki dönme sayısı sabittir. Parçacıkların her yarım periyotta hızlandırılabilmesi için elektrik alanının frekansının û/ye eşit olması gerekir. Sonuçta ulaşılan enerji, şu bağıntıyla verilir:
Dolayısıyla, şiddetli indüksiyon alanlan gerekir ki, bu da büyük boyudu ve pahalı aygıtlara ihtiyaç gösterir, çünkü kullanılan demirin kütlesi -dolayısıyla da fiyatı!-, yarıçapın küpü oranında artar. 1931’de, Kaliforniya Üniversitesi’nde, E.O. Lavvrence tarafından gerçekleştirilen ilk siklotron, protonlara, 40 cm’den düşük bir çap içinde, 1,25 MeV’ye kadar ivme kazandırabiliyordu. Daha 1939’da, çapı 2 m olan bir sistem içinde 20 MeV gücüne erişildi. O aşamada, daha büyük güçlere erişmek zor gibi görünüyordu, çünkü görelilik etkileri, protonların hızını, hareket miktarıyla orantılı olmaktan çıkarıyordu. Parçacığın bir saniye içinde yaptığı dönme sayısının sabit olması ilkesine dayanan siklotronun verim sınırına ulaşıldığı düşünülüyordu.
Senkrosiklotron
1945’e doğru, birbirlerinden habersiz olarak SSCB’de V.l. Veksler, ABD’de de E.M. McMillan ve M.L.E. Oliphant, bu soruna yeni bir çözüm getirdiler: parçacığın hızı, ışık hızına yakın bir hıza eriştiğinde, hızlandmcı elektrik alanının frekansının uygun biçimde değiştirilmesiyle parçacığın bir saniyede yaptığı dönme sayısının miktan değiştirilebiliyor, böylece parçacık iki iletken arasındaki aralıktan istenen anda geçmeye devam ediyordu. Bunu sağlamak için söz konusu frekansın değiştirilmesi yeterliydi. Senkrosiklotron adı verilen bu yeni aygıt, sonraki yıllarda 400 MeV gücüne erişti. Ne var ki ağırlığı binlerce tonu aşıyordu… Kısa sürede, eldeki olanaklarla gerçekleştirilebilecek manyetik alanların sınırına dayanıldı. Yalnızca yarıçapın büyüklüğüyle oynanabiliyordu, oysa pratik olarak 3 metreyi aşmak olanaksızdı; bu boyudarda kutuplan olan bir elektromıknatısın maliyeti baş döndürücü bir değere ulaşıyordu.
Daha büyük enerji elde etme zorunluluğu, yeni bir hızlandırıcı kuşağının geliştirilmesine yol açtı. Bu tür hızlandıncılarda, parçacık-lann yörüngesi dairesel olacak, ama yançap değişmeyecekti. Yararlı bölge olarak bir disk yerine, küçük kesitli bir simit yüzeyi kullanılacaktı ve bu yüzey boyunca uygun bir manyetik alan yaratmak daha kolay olacaktı. Zaten senkrosiklotron gerçekleştirilmezden önce, elektronlann hızım artırmak amacıyla betatron adı verilen halka biçimli bir hızlandırıcı yapmak gerekmişti.
Betatron
Eşit enerji söz konusu olduğunda, elektron protondan çok dî ha hızlıdır. Örneğin 100 MeV enerji yüklü bir elektronun h^: 0,999 98 c’dir: bu, tabiî ki siklotron ilkesinin uygulandığı bir alar. da, klasik mekanik sınırlarının çok ötesindedir. Elektronlar iç: bugün hâlâ Stanford’daki gibi çok büyük doğrusal hızlandırıcı!; rın yapımına devam edilmesi bu nedenledir. Yine bu neder_: 1940’tan başlayarak betatronlar yapılmaya başlanmıştır.
Betatron, bir mıknatısın kutupları arasına yerleştirilmiş, mar: yetik alanı çok çabuk değiştirmeyi sağlayan düzeneklere sak;: halka biçiminde bir tüpten oluşur. Gerçekten de elektronlann luz lanmasını sağlayan, manyetik alanda meydana getirilen bu def. şikliktir. Bu arada, manyetik alanın değeri her an değişmekti böylece elektronlar hep aym dairesel yörünge üzerinde kalma? tadır. 100 MeV’lik bir enerjiye ulaşmak için, saniyenin binde bir. nin birkaç katı bir süre içinde yüz binlerce devir yapar. Böyle i-aygıtın gerçekleştirilmesi, halka boyunca değişken bir manyets alanın çok iyi denedenmesini gerektirir: bu deney, siklotronda: sonra gerçekleştirilecek senkrotronun yapımına yol açacaktı.
Senkrotron
1946’da Ingiltere’de, elektronları hızlandırmak amacıyla gerçekleştirilen senkrotron, çalışma alanını kısa sürede ağır parçacılara doğru genişletti. Daha 1952’de Brookhaven Laboratuvar. (New York), bir proton senkrotronu kurdu. Bu senkrotron ilk ke: bir milyar elektronvolt sınırını aşıyordu: bu aygıtta elde edile*
2 ile 3 GeV değerindeki enerji, kozmik ışınlarla karşılaştırabilecej nitelikteydi -bu enerjinin hacmi ve kullanılabilirliği gerçekter. benzersizdi-; bu özellik, söz konusu aygıta «kozmotron» adınc-verilmesine neden oldu, iki yıl sonra, Kaliforniya’da gerçekleştirilen «bevatron», 5 GeV değerine ulaştı; 1957’de ise, Sovyedenr. gerçekleştirdiği «fasotron» 10 GeV’nin üzerine çıkmıştı.
Senkrotron, betatron ile senkrosiklotronun karışımından oluşar. bir aygıttır. Birincisinde olduğu gibi, içinde yol alan parçacıklar, hızlanma süresi boyunca aynı dairesel yörüngede tutar; bu, man-yetik alanın -çok kesin bir kontrol sayesinde- değişime uğratılma-sıyla sağlanır. Hızlandırma, betatronda olduğu gibi, manyetik alanın değiştirilmesiyle sağlanan indüksiyon sayesinde gerçekleşmez. Bunu sağlayan, yüksek frekanslı bir elektrik alanıdır; bu yüksek frekans, senkrosiklotronda olduğu gibi, hıza bağlı olarak değişime uğratılır. Öteki dairesel hızlandırıcılarda gerek duyulan çci büyük mıknatıs, bu aygıtta, halka boyunca yerleştirilmiş bir diz_ küçük mıknatısla yer değiştirebilir. Ayrıca, 1950’lerin başlarında gerçekleştirilen, içinde söz konusu demet yerine bir dizi ıraksam; ve yakınsamadan yararlanılan ve «alternatif gradyanlı» dener mıknatıs sistemi sayesinde yörüngelerin yarıçapları çok dahc emin olarak kontrol altında tutulabilir. «Dar odaklamalı» bu sen-krotronlar, toplam küdesi aynı olan mıknatıslardan oluşan sistemlere oranla çok daha yüksek enerji elde edilmesini olanaklı kılar.
Söz konusu iyileştirmeyle donatılmış ilk büyük senkrotron Avrupa Nükleer Araştırma Konseyi’nin (CERN) 1959’da Cenevre’de gerçekleştirdiği aygıttır. Bu aygıt, 100 milyar protondan oluşan «paket»leri, her paket için 3 saniye harcamak kaydıyla, 2“ GeV değerinde hızlandırır. Halkasının çapı 170 metredir; halkanın kesitiyse yalnızca 7 X 14 cm’dir. Bu değerlere göre, gerekl odaklamanın çok duyarlı olarak gerçekleştirildiği, bu ölçüde dar bir halkanın, mıknatısların küdesi üzerinde getirdiği kazanç ortadadır. Aynı enerjiyi elde edebilmek için, birkaç metre çapındaki bir siklotronda 3 500 ton mıknatıs kullanmak gerekecekti…
Bir senkrotronun bir protona yükleyebileceği enerjinin miktarın sınırlayan nedir? Protonları belirli yarıçapta bir çember üzerinde tutabilmek için gerekli manyetik alanın şiddetinin, yüklenen ener: miktarının arttığı oranda artması gerekir. Gerçekleştirilebilecek manyetik alanın büyüklük sınırı belli olduğundan, tek çözüm halkaların yarıçapını büyütmektedir. Dolayısıyla siklotron konusunda ortaya bir ikilem çıkar; ne var ki, bu öteki durumlardakinden kesin olarak
bu kez, yançap iki katina çıkarılacak olursa, dai-
– – e zjziecek mıknatıslann sayısı da iki katina çıkar. Oy-
– ■ : z >:02usu olduğunda, çap iki katina çıkanlınca, kulla–..-_ı:5;r.:n 8 katina çıkması gerekmektedir. Siklotron i-
. olanaksız olan bu durum, senkrotron söz ko-
. yalnızca pahalıya mal olmaktadır… Bu nedenle
: – -—r-a ABD’de, SSCB’de ve Avrupa’da dev boyudu
– ;:^îfüıildigigörüldü. 1977’deCenevre’deCERNtara-_r* ;■£ =rjcîan halkanın çapı 2,2 km’dir ve 450 GeV enerji
– ı: îciçekleştirilen senkrotronun 16 katı. ABD’de, Chi-_~_:r_’.zîx: Batavia’da Fermilab’da gerçekleştirilen aygıt da . : r. ti yaklaşık aynı boyudardadır, dolayısıyla aynı mik-
: – i firaktadır. Bu sonuncu aygıtın mıknatıslan, 1983’te, :r: zzeliği olan bobinlerle değiştirildi (bu işlem muaz-. îerekfirdi) ve verimi iki katına, 1 000 GeV’ye çıkanl-_ ; i .i™ sonlannda, sıvı helyumla değil de helyumdan
– — rzal olan sıvı azoda soğutulan aşırı iletkenlerin orta-
Z2 bu alanda yeni iyileştirmelerin gerçekleştirilme-
,,…….. li.. N’e var ki 1990’ların dev hızlandmcı kuşağı için ke-
,— tTS- r=şka yönde olacağı düşünülmektedir: bu alanın
– – tür bir hızlandmcı olan «çarpışma halkası»dır.
susma halkası
.j M..sâs:aı stoklama halkaları oluşturur. Parçacık de-. _i.—.i “îlkaiannın içinde kimi zaman saatlerce «bekleti-. . – aygıt bu sırada yalnızca parçacıkların hızlarını _ zıt elektrik yükü taşıyan, çoğu zaman da aynı i -, r parçacıkların birbirlerine ters yönde dönmele-. ■ vapar. Seçilen bir anda, uygun bir detektörün için-: ı_ r ~ zıt yüklü parçacık demetleri birbiriyle çarpıştırı-_ *.:: .: yöntemle elde edilemeyecek ölçüde büyük ener-ı zy.ece ne tür olursa olsun, her türlü parçacık par-; * :e ya. aa yaratılabilmektedir.
.j£a»sıyla değerlendirilir. Kullanıcının gözünde, -.: zika, yüksek sayıda parçacıkların stoklanabilece-: -;rj:£a en yüksek sayıda çarpışmanın meydana geti-; -.ı hadır. Bu tekniğin en büyük yararı, hızlandırılmış jrerısinden en iyi şekilde yararlanılabilmesidir.
• ■ ii îzrelilik kuramına göre, hareket halindeki bir par-…-_;zzze halindeki, bu parçacığa özdeş bir parçacığın _. ortaya çıkan toplam enerji “\/2££0, dolayın-
: . 5 kmetik enerji, £0 = m0c2 ise dinlenme halindeki : – tsrererjidir. Hareket miktarının sakinimi ilkesi nede-•u i :..-:2r. bu enerji, her iki parçacığın toplam enerjisin-Çarpışma sırasında hareket miktarı ancak sıfır oldu-: :nsu enerji toplamına eşit hale gelir. Aynı hızda ters rt sden iki özdeş parçacık birbiriyle çarpıştığında, ha-. -j. – toplamı pratik olarak sıfırdır. Bu durumda elde = “li-a enerji, E, = 2£’dir. Bu parçacıklar örneğin 10 . rızrsnsa, elde edilebilir toplam enerji miktarı 20 Aynı miktarda enerjiyi, protonlardan biri dinlenme ; •_ size etmek isteyecek olursak, gelen protonun ;: = 11 î GeV enerjisinin, olması gerekirdi; çarpışma hal-■;,r – .ırada ortaya çıkar. Bu miktarda enerjiler söz konu-
su olduğunda, kinetik enerji kavramı anlamını yitirmektedir. Oysa, görelilik kuramına göre £„ £,2 = m02c4 + p2<? şeklinde ifade edilebilir; burada p = mv momentum veya çarpışma’Air. Eğer p ~ mı? ise, yani v’nin değeri c’ninkine yakınsa, pc = E/dir, ki bu da parçacığın sahip olduğu enerjinin toplam enerji miktarına oldukça yakın olduğunu ve p ~ £/c eşidiğinin var olduğunu gösterir. Bu durumda parçacık, «çarpma» olgusuyla nitelenir.
1983’te CERN bünyesinde gerçekleştirilen, her biri 270 GeV değerinde enerji yüklü protonla antiprotonun çarpıştırılması sonucunda W ve Z° parçacıklarının keşfedilmesi mümkün oldu. Bu parçacıkların varlığı, maddenin içindeki temel bağları ortaya çıkarma araştırmalarım sürdüren kuramcılar tarafından öngörülmüştü. Bu çalışmaların daha ileri götürülmesi, bu kez bir elektron ile onun karşıtparçacığı olan pozitronun birbiriyle çar-pıştırılması düşünülmektedir. Bu seçimin nedeni, elektronun, en yeni kuramlara göre, gerçek bir «temel parçacık» olarak görülmesi, oysa protonun, üç kuarktan meydana geldiğinin düşünülmesidir. Şurası bir gerçek ki kuramcılar, çok büyük enerji yüklü elektron-pozitron çarpışmasından çok şey beklemektedirler. CERN bu çarpışmayı gerçekleştirebilmek için 1989’da LEP (Lar-ge Electron-Positron Collider) adı verilen aygıtı yapmıştır. Bu aygıt Fransa-îsviçre sınırına yakın bir yerde, yeraltında inşa edilen 27 km çapında bir halkadan oluşan bir çarpışma halkasıdır. Bu amaçla inşa edilen tünelin çapı 3 metredir, çünkü mıknatısların tünelin içine yerleştirilmesi gerekmektedir, oysa içinde parçacıkların dolaşacağı tüp 5 cm yüksekliğinde, 20 cm genişli-ğindedir. Tam çalışma durumunda her iki demet 100 GeV’lik bir enerjiye sahip olacaktır. Söz konusu programı gerçekleştirecek sorumlulara göre, bu parçacık demetlerinin çarpışması sonucunda belki de ilk kez kuarklar gözlenebilecektir. Bu amaçla, halkamn dört bir yanına dev detektörler yerleştirilmiştir. Bunlar, 6 000 tona kadar çelik içerebilecektir (Eyfel kulesinde kullanılan çelik miktarından daha fazla). Bu programın toplam maliyeti (yaklaşık 900 milyon dolar), büyük uzay programlarının maliyetine eşittir. □
Ağır iyon hızlandın cilan
1970’e doğru, büyük kütleli çekirdekler arasındaki nükleer tepkimelerin incelenmesi amacıyla tasarlandı. Protonlar ve nötronlar, karmaşık bütünlerdir. Bunlann yapısı, proton-karşıtproton, elektron-poziton, elektron-proton şoktan, bu parçacıklann toplam enerjisinden biraz düşük enerjiler kullanılmak suretiyle gerçekleştirilerek İncelenmektedir. Çarpıştırma halkalan (ki bu aygıtlar da 1970’lerde tasarlanmıştır), 1974’ten başlayarak, yeni bir parçacık sınıfı oluşturan parçacıklann ilki olan «psh»nin ortaya çıkanlmasını sağladı. Bunu daha başka keşifler izledi; bu keşifler, «sonsuz küçükler» konusundaki fizik kuramını çürüttü. CERN’e ait çarpıştırma halkasında, 1983’te elde edilen W ve Z° parçacı klan, son yıllarda elde edilen en önemli sonuçlardan biri olarak kabul edilmektedir.
LEP’e ait elektron-poziton
1989’un kasım ayında hizmete giren bu halkalar, 100 GeV’ye kadar enerji sağlar. Elektron ve poziton «paketleri», daha küçük hızlandıncılar tarafından ön hızlandırmaya tabi tutulmakta, daha sonra stoklama halkasına gönderilmektedir; dört elektron ve poziton paketi birbirlerine ters yönde dönmekte, dev birer detektör olan ALEPH, DELPHI, L3 ve OPAL İçinde birbiriyle çarpışmaktadır.
AYRICA BAKINIZ
► ib.ansu atomlar ve iyonlar
► Ib-ânsîI elektron
– IB.ANSU görelilik
► [Pml nükleer fizik
► IB.ANSLI parçacıklar (temel)
1975’TEN SONRA FAALİYET GÖSTEREN BAZI HIZLANDIRICILAR
Hızlandırıcı Tarih Yer Enerji
Ağır iyonlar BEVALAC 1975 Berkeley (ABD) 200-2 000 MeV/nükl.
JKLE FİZİK MSU 1982 Michigan (ABD) 50 MeV/nükl.
GANEL 1983 Caen (Fransa) 10-100 MeV/nükl.
2 HIRFL RIKEN 1989 1989 Lanzhou (Çin) Wako (Japonya) 50 MeV/nükl. 100 MeV/nükl.
Hafif iyonlar PS SpS SİS 1986 1986 1990 CERN (Fransa-îsviçre) CERN (Fransa-îsviçre) Darmstadt (Almanya) 14 GeV/nükl. 225 GeV/nükl. 0,1-1 GeV/nükl.
Sabit hedefli protonlar SpS Tevatron 1976 1983 CERN (Fransa-îsviçre) Chicago (ABD) 450 GeV/nükl. 1 000 GeV/nükl.
Çarpışma halkalan PETRA 1978 Hamburg (Almanya) 22,5 + 22.5 GeV/nükl.
W elektron-poziton PEP 1980 Stanford (ABD) 15 +15 GeV/nükl.
3 (e’/e4) TRISTAN 1986 Tsukuba (Japonya) 30 + 30 GeV/nükl.
w* lx! LEP 1989 CERN (Fransa-îsviçre) 50 + 50 GeV/nükl.
U < İ O-ı Doğrusal çarpıştırıcılar elektron-poziton (t İt) SLC 1989 Stanford (ABD) 50 + 50 GeV/nükl.
Çarpışma halkaları Spp-S 1982 CERN (Fransa-îsviçre) 300 + 300 GeV/nükl.
proton/karşıtproton (p/p”) TEV II 1987 Chicago (ABD) 1 000 + 1 000 GeV/nükl.
Çarpışma halkalan elektron-proton (e7p) HERA 1990 Hamburg (Almanya) 30 + 800 GeV/nükl.
