2

3 ‣ LHC Hızlandırıcılar DENEY 4 : Yüksek enerjilerde parçacıkları çarpıştırıyoruz. NEDEN?? yaklaşık 14 milyar yıl önce... Küçük hacimde, yüksek enerji! ‣ Bugün Evreni oluşturan tüm enerji toplu iğne ucu büyüklüğünden küçük bir hacmin içindeydi! ‣ Zaman, uzay ve madde ‘Büyük Patlama’ sırasında ortaya çıktı. ‣ Patlamadan sonra Evren soğuyup, genişlemeye devam ederken bugün ‘Standard Model’ ile bir kısmını açıkladığımız parçacıklar ve kuvvetler oluşuyordu. ‣ Bugün Evren’i yöneten fizik yasalarının doğuşunu anlayabilmek için, oluşumu sırasındaki koşulları sağlamamız gerekiyor. Parçacıkları kırıp içlerine bakmak istiyoruz.

4 Neden Hızlandırıyoruz? ● Bir parçacığı hızlandırmak demek ona enerji yüklemek demektir. ● Hızlandırılmış bir parçacık yavaşlatıldığında ya da çapıştığında bu enerjı açığa çıkar. ● Parçacığın enerjisinin büyüklüğüne göre çarptığı maddeyi parcalayabilir ya da başka parçacıkların oluşmasını sağlayabilir. ● Çarpışma sırasında oluşan enerjinin maddeye dönüşmesi, evrenin başlangıcındaki Büyük Patlama sırasında neler olduğu ve evrenin şu anki halinin nasıl oluştuğu hakkında bilgi verir.

5 Daha önce hiç kimsenin gözlemlemediği çok küçük bir parçacığı nasıl keşfederdiniz ? Elektronun keşfi, J.J. Thomson, 1897 Katod ışını tüpü İlk hızlandırıcı Parçacık hızlandırıcıları : Elektrik yüklü parçacıkları hızlandıran aletlerdir.

6 Daha önce hiç kimsenin gözlemlemediği çok küçük bir parçacığı nasıl keşfederdiniz ? Elektronun keşfi, J.J. Thomson, 1897 Katod ışını tüpü İlk hızlandırıcı Parçacık hızlandırıcıları : Elektrik yüklü parçacıkları hızlandıran aletlerdir.

7 Nasıl Hızlandırıyoruz? ● Eş yükler birbirini iter, zıt yükler birbirini çeker prensbini kullanıyoruz. ● Aralarında potansiyel fark olan zıt kutuplu iki plaka arasına koyduğumuz yüklü parçacıklar plakalar arasındaki elektrik alan yüzünden hızlanmaya başlıyorlar. ● Hızlanan parçacıkların enerjisini Elektron Volt (eV) cinsinden ifade ediyoruz. 1 eV bir elektronun aralarında 1 Volt potansiyel fark olan iki plakanın bir ucundan digerine vardığı sırada sahip olduğu enerji miktarı Volt 1 Elektron Volt

Nasıl hızlandırıyoruz ? Plakaları ard arda dizip, yüklerini surekli değiştirerek parçacığın daha da hızlanmasını sağlıyoruz.

Modern Hızlandırıcılar Hız, V Yüzey Dalgası ‣ Modern hızlandırıcılar yüksek enerjilere çıkmak için, güçlü RF (radio-frekans) sistemler kullanır.

10 Doğrusal Hızlandırıcı Dairesel Hızlandırıcı SLAC Tevatron Enerji kazanımı bölgeleri olan RF kavitelerin bir doğru boyunca sıralandığı bir hızlandırıcı düzenektir. Parçacıklar eğici magnetler aracılığı ile kapalı bir yörüngede RF’lerden defalarca geçirilerek hızlandırılırlar.

11 Nasıl Kontrol Ediyoruz ● Manyetik alan içinde hareket eden yüklü parçacıklar manyetik alanın büyüklüğüne ve hızlarına bağlı olarak yön değiştirirler. ● Parçacığı manyetik alanlar içinden geçirerek nasıl hareket edeceklerini kontrol ediyoruz. ● Değişik mıknatıs şekilleri bize parçacıkların hareketlerini hassas bir şekilde kontrol edebiliyoruz. e-e-

12 Parçacık hızlandırıcıları Elektrik alanlar ile parçacıkların enerjisini Manyetik alanlar ile yönlerini kontrol eder. Sabit hedef deneyleri Çarpıştırıcı deneyleri

13 Cosmotron: İlk modern proton hızlandırıcısı Brookhaven Ulusal Laboratuvarı Ocak 1953, E = 3.3 GeV 1 sn’lik hızlandırma ile protonlar 135,000 defa dönerek 3.3 GeV’ye ulaşıyorlar. Sabit hedef deneyi. 1970‘lerden sonra kafa kafaya çarpışma deneyleri.

DENEY ‣ LHC Hızlandırıcılar NASIL?? :Parçacıkların yörüngesini belirliyoruz. Merkezkaç F = F Lorentz Dairesel Yörünge için Şart Dem et Kara rlılığı Magnetik(mıknatıssal) Alan Yarıçap Demet Enerjisi CERN, PS 1959

15 LHC Hakkında Bazı Teknik Bilgiler LHC'de kulanılan mıknatıslar ‣ 1911’de Kamerlingh Onnes 4 K’de civanın elektriksel direnç göstermediğini keşfetti. ‣ Süperiletken bir malzemede, belli bir sıcaklığın altında, elektriksel akımı oluşturan elektronlar çiftler halinde düzenlenmiş olarak hareket ederler. ‣ Sonuç olarak madde içinde elektriksel direnç ortadan kalkar. ‣ Isınmaya ile enerji kaybı ortadan kalkar. -- Yüksek magnetik alanlar oluşturabilmek için yüksek akımlar oluşturabilmemiz gerekiyor. -- Günümüzde bunu süperiletkenlik teknolojisinden yararlanarak yapıyoruz. ‣ Akım A Cooper Çiftleri

c =7000GeV 0.999c =25GeV Burada protonlarla başlıyoruz. 0.3c ‣ 8 yay şeklinde bölge ‣ 8 uzun düz bölge (herbiri 700 metre) ‣ 2 ayrı vakum odası ‣ Demetler 4 noktada birbirini kesiyor. LHC: Büyük Hadron Çarpıştırıcısı SPS: Süper Proton Synchrotron’u AD: Anti-proton Yavaşlatıcısı ISOLDE: Izotop Ayırıcı Online Aygıt PSB: Proton Synchrotron Öteleyici PS: Proton Synchrotron LINAC: Doğrusal Hızlandırıcı LEIR: Düşük Enerjili İyon Halkası CNGS: Gran Sasso’ya CERN Nötrinoları CERN Hızlandırıcıları IR5: CMS DENEYİ IR5: CMS DENEYİ IR8: LHCb DENEYİ IR8: LHCb DENEYİ IR1: ATLAS DENEYİ IR1: ATLAS DENEYİ IR2: ALICE DENEYİ IR2: ALICE DENEYİ IR3: Yönlendirme IR7: Yönlendirme IR6: Demet Durdurma Düzeneği IR4: Radyo Frekans Hızlandırma Başlangıç LHC Hakkında Teknik BilgilerLinacBooster PS SPS LHC c =450GeV

17 Large Hadron Collider 26,7 km uzunluğunda bir çember 9300 süpermıknatıs ton sıcaklık: 1,9K iç basınç: atm manyetik alan 8,33T proton-proton carpışmaları saniyede 600 milyon çarpışma proton enerjisi 7 TeV Mont Blanc tünelinin 2,5 katı Dünyanın en büyük makinesi yaklaşık 3,5 Eiffel kulesi −59 °C saf antifriz donar −89 °C Kutupla rda ölcülmü ş en düşük sıcaklık −18 3 °C Oksijen sıvıya döner −27 0,5 °C Dış uzayın sıcaklığı −27 1,3 °C 1,9 K dünyanın en büyük buzdolabı Güneş sistemin deki en boş yer Dün yanı n man yetik alanı nın 150 bin katı Concorde (15 Km) 1 yıllık LHC verisi (20 km) Mt. Blanc (4.8 Km) 1 yılda çıkan veriyi CD’lere yazsak, 20km’lik bir dağ olurdu… Çarpışmaların sıcaklığı: Güneşin merkezinden 100 bin kat fazla… Protonların hızı: ışık hızının % ’i. (Mont Blanc tünelini saniyede geçebilirler.)

18 s Hadron Çarpıştırıcıları ‣ Yüksek enerji sınırlarında keşif ‣ LHC, hadronlar için modern bir dairesel hızlandırıcı Hadron Çarpıştırıcıları ‣ Yüksek enerji sınırlarında keşif ‣ LHC, hadronlar için modern bir dairesel hızlandırıcı Lepton Çarpıştırıcıları ‣ Keşfedilen enerji aralıklarında hassas ölçümler ‣ CLIC, ILC leptonlar için modern hızlandırıcılar Lepton Çarpıştırıcıları ‣ Keşfedilen enerji aralıklarında hassas ölçümler ‣ CLIC, ILC leptonlar için modern hızlandırıcılar Hafif parçacıklar için doğrusal hızlandırıcılar kullanılarak synchrotron ışınımı ile enerji kaybının önüne geçilebilir... LHC (CERN) Synchrotron ışınımı parçacığın kütlesi ile ters orantılıdır. ATLAS Deneyi’nde iki protonun çarpışmasının bilgisayar ortamında oluşturulmuş resmi. OPAL Deneyi göstergesi. Bir Z bozununun, kuark- antiqkuark çiftinden türeyerek, iki parçacık jetinin bozunması. Hadron Çarpıstırıcıları (p, iyonlar): Protonlar birleşik nesnelerdir. Protonlar birleşik nesnelerdir. PDF’ten dolayı toplam kütle merkezi enerjisinin bir bölümünü kullanmak mümkün PDF’ten dolayı toplam kütle merkezi enerjisinin bir bölümünü kullanmak mümkün Lepton Çarpıstırıcıları Leptonlar temel parçacıklardır. Leptonlar temel parçacıklardır. Başlangıç durumları iyi tanımlanmıştır. Başlangıç durumları iyi tanımlanmıştır. Momentumun korunumundan bozunma ürünlerinin analizi kolaydır. Momentumun korunumundan bozunma ürünlerinin analizi kolaydır.

19 Hızlandırıcıların Kullanım Alanları Yüksek Enerji Fiziği Nükleer Fizik Endüstri Malzeme testleri Gıda sterilizasyonu X-ışınları ile radyografi... Radyoterapi ve Nükleer Tıp Jeoloji, Maden Sanayi, Kimya, Enerji Üretimi ve daha bir çok başka alanlarda.

20 Türkçe Kaynakça Turk Fizik Dernegi Uluslararasi Katilimli Parcacik Hizlandiricilari ve Detektorleri Yaz Okulu (I-VI) Ders Notlari

21 Tüm anlatılanları LHC hızlandırıcıları üzerinde gösteren bir video (1’ 35’’)