HIZLANDIRILAN PARÇACIKLAR

[aysien]

HIZLANDIRILAN PARÇACIKLAR

Hızlandırıcılar ve Çarpıştırıcılar

Maddenin temel yapı taşı olan parçacıkları araştırmak, atomdan milyonlarca defa daha küçük parçacıkları incelemekle mümkündür. Bu çok küçük parçacıkları incelemek ise ancak çok küçük ve karmaşık parçacık fiziği deney düzenekleriyle gerçekleşitirilebilir. Çok karmaşık deneyler ise, çok yönlü bilgisayar kullanımı ile kontrol edilebilir.

Yüksek enerji parçacık fiziği maddenin temelinde bulunan yapı taşlarını ve bunların birbirleri arasındaki etkileşimlerini inceleyen bilim dalıdır. Son yıllarda ileri teknoloji olanakları kullanan deneysel çalışmalar sayesinde maddenin yapısı hakkındaki bilgilerimiz hızla gelişmektedir. Parçacık fiziğinin araştırmaları kilometrelerce uzunluktaki parçacık hızlandırıcı laboratuarlarında yapılır. Parçacık hızlandırıcılarından yüklü parçacıklardan, çoğunlukla proton ve elektronlar, elektromanyetik alan içinde hızlandırılır ve yönlendirilir. Hızlandırılan parçacıklar ya sabit hedefler ile ya da birbirleri ile çarpıştırılır. Bu çarpışmalar sonucunda ortaya çıkan parçacıkların incelenmesi çeşitli detektör sistemleri ile gerçekleştirilir.

1950'li yıllardan başlayarak hızla gelişen hızlandırıcı ve detektör teknolojileri sayesinde çok yüksek enerjili çarpışmalar gerçekleştirmiş ve bu çarpışmaların gelişmiş detektör sistemlerinde incelenmesi ile maddenin temeli diyebildiğimiz proton ve nötronların kuark ismini verdiğimiz parçacıklardan oluşan bir alt yapısı olduğu anlaşılmıştır. Ulaşılan yüksek enerjilerde yapılan ölçümler protonun yarıçapının yüzde biri kadar olan uzaklıklarda maddenin yapısını araştırma olanağı sağlamıştır. Hızlandırıcı laboratuarları, kurulmaları ve çalıştırılmalarının çok masraflı oluşları nedeniyle dünyada sayılı birkaç merkezde de bulunmaktadır. En önemlileri Cern (Cenevre), DESY (Hamburg), Fermilab-FNAL (Chicago) ve SLC (California) olarak sayılabilir. Yüksek enerji fizikçileri bu merkezlerde büyük gruplar halinde deneysel çalışmalara katılmakta ve atomun sırlarını araştırmaktadırlar. Bu laboratuarlardan SLC'nin uzunluğu 3 km. CERN'in uzunluğu ise 27 km.dir. Ama devlik yarışında birincilik, ABD'nin Texas eyaletinin merkezinde kurulmakta ve çember çapı 85 kilometreyi bulacak olan Amerikan projesi SSC'ya aittir... Söz konusu makinelerin maliyet de (SSC için bu rakam toplam 6 milyar dolardır) boyutlarıyla birlikte doğal olarak artmaktadır.


CERN parçacık fiziği laboratuarı yer 100 metre altında ve 27 kilometre uzunluğunda inşa edilmiştir. Parçacıklar bu uzun tünelde önce hızlanıp, daha sonra birbirleriyle çarpıştırılırlar.

CERN parçacık fiziği laboratuarı İsviçre-Fransa sınırında kurulmuş, 19 Avrupa ülkesinin üyeliği ile oluşan uluslar arası nitelikte bir araştırma merkezidir. Türkiye'ni de gözlemci statüsünde bulunduğu bu laboratuarın temel araştırma konusu maddenin temel yapısı ve bu yapıyı oluşturan temel parçacıklardır. 3000'e yakın fizikçi, mühendis, teknisyen ve idari personelin çalıştığı laboratuarda 6000'in üstünde üye fizikçi laboratuara gelerek çalışmalar yapabilmektedir.




Elektronların Yörüngesi

En güçlü mikroskopların bile göremeyeceği kadar küçük bir alanda dönüp duran onlarca elektron, daha önce de belirtildiği gibi atomun içinde son derece karışık bir trafik yaratırlar. Ancak bu trafik, en sistemli şehir trafiğiyle bile kıyas edilemeyecek kadar düzenlidir ve elektronlar hiçbir şekilde birbirleriyle çarpışmazlar. Çünkü elektronların her birinin ayrı bir yörüngesi vardır ve bu yörüngeler hiçbir zaman birbiriyle çakışmaz.

Atom çekirdeğinin çevresinde 7 tane yörünge vardır. Asla değişmeyen bu 7 yörüngedeki elektron sayısı da bir matematiksel formülle belirlenmiştir: 2n2. Atomların tüm yörüngelerinde bulunabilecek en fazla elektron sayısı işte bu formülle sabitlenmiştir (formüldeki "n" harfi, yörünge numarasını belirtir).

Evreni oluşturan sınırsız sayıdaki atomun elektron yörüngelerinin asla şaşmadan 2n2 formülüne uyarak belirli bir sayıda kalmaları bir düzenin göstergesidir. Elektronlar inanılmaz hızlarda hareket etmelerine rağmen, atomun içinde herhangi bir kargaşanın çıkmaması da yine bu eşsiz düzenin bir devamıdır. Bu, tesadüflerin asla açıklayamayacağı bir düzendir.


Elektronlar atomun içinde son derece karmaşık bir yörünge izlerler. Bu küçük alanda şehir trafiğinden çok daha kalabalık bir ortam oluşmasına rağmen, en ufak bir düzensizlik yaşanmaz.


Doğa kendi içinde her şeyi kusursuz bir ölçü, hesap ve düzen içinde yaratandır. Bu ölçü ve hesap, atomun en küçük parçacığından uzaydaki devasa gök cisimlerine, güneş sistemlerine, galaksilere kadar, bunların arasındakiler de dahil, bütün varlıklar alemini içine alır. Bu da evrene ait bizim henüz keşfedemediğimiz bir temel bilincin sonsuz gücünün, ilminin, sanatının ve hikmetinin bir sonucudur. Bu evrensel zeka gücü, yarattığı varlıklardaki ve sistemlerdeki mükemmel ölçü, düzen, denge ve hesaplarla bu sıfatlarını insanlara tanıtır. Sonsuz kudretini gözler önüne serer. İşte bütün bilimsel araştırmaların, hesaplamaların insanı ulaştırması gereken asıl gerçek budur.

ATOMUN İÇİNDEKİ BOŞLUK


Daha önce de üzerinde durduğumuz gibi, bir atomun çok büyük bir bölümü boşluktan oluşmaktadır. Burada her insanın aklına aynı soru gelir: Böyle büyük bir boşluk neden vardır? Şimdi şöyle düşünelim: Atom, en basit anlatımla içinde bir çekirdek ve onun çevresinde dönen elektronlardan oluşmaktadır. Çekirdekle elektronlar arasında başka hiçbir şey yoktur. Bu, "hiçbir şey olmayan" mikroskobik büyüklük, aslında atom ölçeğine göre çok geniştir. Bu genişliği şöyle örneklendirebiliriz: Çapı 1 cm. olan küçük bir bilya, çekirdeğe en yakın elektronu temsil ederse, çekirdek bu bilyadan 1 km. ötede bulunacaktır.

Bu büyüklüğün kafamızda daha iyi canlanabilmesi için şöyle bir örnek verebiliriz:

"Temel parçacıklar arasında çok büyük bir boşluk egemendir. Eğer bir oksijen çekirdeğinin protonunu şu önümdeki masanın üstünde duran bir toplu iğnenin başı gibi düşünürsem, o zaman çevresinde dönen elektron Hollanda, Almanya ve İspanya'dan geçen bir çember çizer. (Bu satırların yazarı Fransa'da yaşamaktadır.) Onun için, bedenimi oluşturan tüm atomlar birbirlerine değecek kadar bir araya gelseydi, artık beni göremezdiniz. Zaten, artık beni çıplak gözle hiçbir zaman gözlemleyemezdiniz: Neredeyse milimetrenin birkaç binde biri boyutunda ufacık bir toz kadar olurdum."

İşte bu noktada evrende bilinen en büyük mekanla, en küçük mekan arasında bir benzerlik ortaya çıktığını fark ederiz. Öyle ki, gözlerimizi yıldızlara çevirirsek, orada da atomdakine benzer bir boşlukla karşılaşırız. Yıldızlar arasında da, galaksiler arasında da milyarlarca kilometrelik boşluklar mevcuttur. Ama bu boşlukların her ikisinde de insan aklını zorlayan, anlama kapasitesini aşan bir düzen hakimdir.

Proton ve Nötronlar

1932 yılına dek, çekirdeğin proton ve elektronlardan oluştuğu sanılıyordu. Çekirdeğin içinde protonla beraber elektronların değil =olduğu ancak o tarihte keşfedilebildi. (Ünlü bilim adamı Chadwick 1932 yılında çekirdeğin içinde nötronun varlığını ispatladı ve bu keşfiyle Nobel ödülü kazandı.) İşte insanoğlunun atomun gerçek yapısıyla tanışması bu kadar yakın tarihte gerçekleşti.

Atom çekirdeğinin ne kadar küçük boyutta olduğundan daha önce bahsetmiştik. Atom çekirdeğinin içine sığabilen bir protonun büyüklüğü ise 10-15 metredir.

Bu kadar küçük bir parçacığın insan hayatında pek bir önemi olamayacağını düşünebilirsiniz. Ancak, insan aklının kavramakta çok zorluk çektiği bir küçüklükte olan bu parçacıklar aslında çevrenizde gördüğünüz her şeyin temelini oluşturur.

Evrendeki Çeşitliliğin Kaynağı

Şu ana kadar tespit edilebilmiş 109 tane element vardır. Tüm evren, dünyamız, canlı-cansız bütün varlıklar, bu 109 elementin çeşitli biçimlerde birleşmeleriyle oluşmuştur. Buraya kadar tüm elementlerin birbirinin benzeri atomlardan oluştuğunu gördük; atomlar da birbirinin aynı parçacıklardan oluşuyordu. Peki madem elementleri oluşturan bütün atomlar aynı parçacıklardan oluşuyor, o halde elementleri farklı kılan, sınırsız çeşitlilikte maddeyi oluşturan nedir?


1- titanyum
2- sarı safir
3- pirit
4- topaz
5- mavi safir
6- kalsit 7- bakır
8- alçı taşı
9- flüorit
10- topaz
11- talk
12- demir 13- zımpara taşı
14- kömür
15- galen
16- quart
17- barit sülfüt
18- feldispat 19- elmas
20- apatit
21- altın
22- feldispat
23- kaya tuzu
24- quartz

Elementlerin temelde birbirlerinden farklı kılan şey atomlarının çekirdeklerindeki proton sayılarıdır. Burada görülen maddeleri birbirinden bu denli değişik kılan işte bu farklılıktır.



Elementleri temelde birbirlerinden farklı kılan şey, atomlarının çekirdeklerindeki proton sayılarıdır. En hafif element olan hidrojen atomunda bir proton, ikinci en hafif element olan helyum atomunda iki proton, altın atomunda 79 proton, oksijen atomunda 8 proton, demir atomunda 26 proton vardır. İşte altını demirden, demiri oksijenden ayıran özellik, yalnızca atomlarının proton sayılarındaki bu farklılıktır. Soluduğumuz hava, vücudumuz, herhangi bir bitki veya bir hayvan ya da uzaydaki bir gezegen, canlı-cansız, acı-tatlı, katı-sıvı her şey... Bunların hepsi sonuçta proton-nötron-elektronlardan meydana gelirler.

ATOMİK BAĞLAR ve UYUMLULUĞU
Atomları ve molekülleri bir arada tutan çeşitli kimyasal bağlar vardır. Bu bağlar iyonik, kovalent ve zayıf bağlar olarak üçe ayrılır. Bunlardan kovalent bağlar, proteinlerin yapı taşı olan amino asitlerdeki atomları bir arada tutarlar. Zayıf bağlar ise amino asit zincirini, katlanarak aldığı özel üç boyutlu biçimde sabit tutarlar . Yani eğer zayıf bağlar olmasa, amino asitlerin bir araya gelmesiyle oluşan proteinlerin üç boyutlu fonksiyonel biçimlerini almaları imkansızdır. Proteinlerin olmadığı bir ortamda ise canlılıktan söz edilemez.


iki su molekülü ve aralarındaki hidrojen bağları

İşin ilginç yanı ise, hem kovalent bağların hem de zayıf bağların ihtiyaç duydukları ısı aralığının yeryüzünde hüküm süren ısı aralığı oluşudur. Oysa zayıf bağlar ile kovalent bağların yapıları ve özellikleri birbirinden tamamen farklıdır, aynı ısıya ihtiyaç duymalarını gerektiren hiçbir doğal sebep yoktur.

Buna rağmen her iki kimyasal bağ da, ancak yeryüzündeki dar ısı aralığı içinde kurulabilir. Eğer kovalent bağlar ile zayıf bağlar farklı ısı aralıklarında işleselerdi, canlılardaki protein oluşumu yine imkansız hale gelirdi. Çünkü proteinlerin oluşumu bu iki kimyasal bağın da aynı anda birlikte kurulmasına bağlıdır. Yani amino asit dizilimini sağlayan kovalent bağların kurulabildiği ısı aralığı, zayıf bağlar için uygun olmasa, protein üç boyutlu son şeklini alamaz, anlamsız ve etkisiz bir zincir olarak kalırdı. Aynı şekilde, zayıf bağların kurulabildiği bir ısıda kovalent bağlar kurulamasa amino asitler birleşemeyeceği için daha ortaya bir protein zinciri bile çıkamazdı.

Bu bilgiler bize, yaşamın temel malzemesi olan atom ile yaşamın barınağı olan Dünya gezegeninin koşulları arasında çok büyük bir uyum olduğunu göstermektedir. Prof. Michael Denton, Nature's Destiny (Doğanın Kaderi) adlı kitabında bu gerçeği şöyle vurgular:

Evrendeki dev ısı yelpazesi içinde, tek ve daracık birısı aralığı vardır ki; bu aralıkta 1) sıvı suya, 2) metastabilite özelliğine sahip çok bol ve farklı organik bileşiklere ve 3) kompleks moleküllerin üç boyutlu şekillerini kararlı kılan zayıf bağlara sahibiz.

Denton'un da belirttiği gibi, canlılık için gereken her türlü fiziksel ve kimyasal bağlar, birlikte ve etkili olarak ancak tek bir ısı aralığı içinde işleyebilirler. Bu daracık ısı aralığı ise, az önce belirttiğimiz gibi, bilinen bütün gök cisimleri arasında sadece Dünya'da vardır.

FİZİKSEL VARLIĞIN SINIRI : KUARKLAR


Atomun çekirdeğindeki proton ve nötronlar kuark adı verilen daha küçük parçacıkların biraraya gelmesiyle oluşurlar. Günümüzden 20 yıl öncesine kadar atomları oluşturan en küçük parçacıkların protonlar ve nötronlar oldukları sanılıyordu. Ancak çok yakın bir tarihte, atomun içinde bu parçacıkları oluşturan çok daha küçük parçacıkların var olduğu keşfedildi.
Bu buluştan sonra, atomun içindeki "alt parçacıkları" ve onların kendilerine has hareketlerini incelemek üzere "Parçacık Fiziği" isimli bir fizik dalı ortaya çıkmıştır. Parçacık fiziğinin yaptığı araştırmalar şu gerçeği açığa çıkarmıştır: Atomu oluşturan proton ve nötronlar da aslında "kuark" adı verilen daha alt parçacıklardan oluşmaktadırlar.

İnsan aklının kavrama sınırlarını aşan küçüklükteki protonu oluşturan kuarkların boyutu ise daha da hayret vericidir: 10-18 (0,000000000000000001) metre.




Protonun içinde bulunan kuarklar hiçbir şekilde birbirlerinden çok fazla uzaklaştırılamazlar; çünkü, çekirdeğin içindeki parçacıkları bir arada tutmaya yarayan "güçlü nükleer kuvvet" burada da etki etmektedir. Bu kuvvet, kuarklar arasında adeta bir lastik bant gibi görev yapar. Kuarkların arası açıldıkça bu kuvvet büyür ve iki kuark birbirinden en fazla 1 metrenin katrilyonda biri kadar uzaklaşabilir. Kuarklar arasındaki bu lastik bağlar, güçlü nükleer kuvveti taşıyan gluonlar sayesinde oluşur. Kuarklarla gluonlar birbirleriyle son derece güçlü bir iletişim halindedir. Ancak, bilim adamları bu iletişimin nasıl gerçekleştiğini halen keşfedememişlerdir.

"Parçacık Fiziği" alanında hiç durmadan parçacıklar dünyasını aydınlatmak için araştırmalar yapılmaktadır. Fakat insanoğlu, sahip olduğu akıl, bilinç ve bilgiye rağmen kendisiyle birlikte her şeyi oluşturan özü ancak yeni yeni keşfedebilmektedir. Üstelik bu özün içine girdikçe konu daha da detaylanmakta, insan kuark ismini verdiği parçacığın 10 -18 m.lik sınırında takılmaktadır. Peki bu sınırın da altında ne vardır?


Atomun yapısından kurak'ın yapısına: Modern hızlandırıcılar kullanılarak, atomu oluşturan en küçük parçacıkları incelemek mümkündür. Üstteki resim bu ilişkiyi boyutuna göre gösteriyor.
Bugün bilim adamları bu konu ile ilgili çeşitli tezler öne sürerler, ama yukarıda da belirttiğimiz gibi bu sınır fiziksel evrenin son noktasıdır. Bunun altında bulunacak olan her şey madde ile değil, ancak enerji ile ifade edilebilir. Asıl önemli olan nokta ise, insanın tüm teknolojik imkanlarına rağmen yeni keşfedebildiği bir mekanda çok büyük dengelerin, fizik kanunlarının zaten bir saat gibi işliyor olmasıdır. Üstelik bu mekan evrendeki tüm maddenin ve insanın da yapı taşını oluşturan atomun içidir. İnsan ise kendi vücudundaki organlarda, sistemlerde her saniye işleyen bu kusursuz mekanizmadan yeni yeni haberdar olmaya başlamıştır. Bunları oluşturan hücrelerin mekanizmalarını öğrenmesi ise ancak son birkaç on yıla dayanır. Hücrenin temelindeki atomların, atomların içindeki proton ve nötronların, ve bunların da içindeki kuarkların mekanizmalarındaki üstün yaratılış ise, inançlı olsun ya da olmasın herkesi hayrete düşürecek bir mükemmelliktedir. Burada asıl üzerinde düşünülmesi gereken konu ise, tüm bu kusursuz mekanizmaların insan yaşamındaki her saniye boyunca, insanın herhangi bir müdahalesi olmadan, tamamen kontrolü dışında muntazam bir şekilde çalışmasıdır.