PARÇACIK FİZİĞİ, HIZLANDIRICILAR ve DEDEKTÖRLER

PARÇACIK FİZİĞİ,
HIZLANDIRICILAR ve
DEDEKTÖRLER
Dr. İlkay TÜRK ÇAKIR
TAEK
Sarayköy Nükleer Araştırma ve Eğitim
Merkezi
Ar-Ge Bölümü
Füzyon Birimi - Hızlandırıcı Fiziği Birimi
24/09/07
III. UPHDYO
1
İÇERİK
• PARÇACIK FİZİĞİNİN STANDART MODELİ
– Kuarklar, Yüklü Leptonlar, Nötrinolar
– Baryonlar ve Mezonlar
– SM’nin Eksiklikleri
• YENİ FİZİK
• DÜNYADAKİ HIZLANDIRICI MERKEZLERİ
• HIZLANDIRICILAR
• DEDEKTÖRLER
• LHC VERİLERİ
24/09/07
III. UPHDYO
2
PARÇACIK FİZİĞİNİN STANDART
MODELİ(SM)
Fizikçiler, evrendeki bütün madde ve kuvvetleri tanımlamak için (yerçekimi
hariç) Standart Model adlı bir teori geliştirmişlerdir. Bu modelin özelliği,
yüzlerce parçacığı ve karmaşık etkileşmeleri bir kaç temel parçacık ve
etkileşme ile açıklayabilmesidir.
Standart Model Temel Parçacıkları
1- Kuarklar
6 tane kuark çeşidi vardır.
2- Leptons
6 tane lepton çeşiti vardır.
3- Ara Parçacıklar:
Kuark ve leptonlar arası bilgi taşıyıcıdırlar. Elektrozayıf etkileşmeler için 3
çeşit ara parçacık vardır; W bozon, Z bozon, foton. Güçlü etkileşmeler için 8
gluon bulunmaktadır.
24/09/07
III. UPHDYO
3
PARÇACIK FİZİĞİNİN STANDART MODELİ
(SM)
Bütün parçacıklar (yada maddeler) için,
benzer
antiparçacıklar
(yada
antimaddeler)
vardır.
Parçacık
ve
antiparçacıklar
işaretleri
dışında
tamamen benzerdirler. Örneğin bir
proton elektriksel olarak pozitif, ancak
antiproton elektriksel olarak negatifdir.
Her
ikiside
aynı
kütleye
sahip
olduklarından, kütle çekiminden benzer
şekilde etkileşirler. Bir parçacık ve
antiparçacık karşılaştıklarında yok olurlar
ve foton, Z bozon yada gluonlar gibi
yüksüz
kuvvet
taşıyıcıları
ortaya
çıkarırlar.
24/09/07
III. UPHDYO
4
KUARKLAR-I
Kuark, Parçacık Fiziğinde Standart Modele göre
maddenin en küçük iki yapıtaşından biridir (diğerleri
Leptonlardır). Kuarkların karşıt parçacıklarına ise
karşıt kuark adı verilir. Standart Modele göre üç
farklı nesilde toplam 6 çeşit kuark vardır. Yukarı/Aşağı,
Tılsımlı/Acayip, ve Üst/Alt. Her kuark için karşı gelen bir
antimadde-kuark (anti-kuark) vardır.
• Kuarklar, elektron yükünden yada proton yükünden farklı
olarak 2/3 yada -1/3 kesirli yüklere sahiptirler. Kuarklar
ayrıca renk yükü olarak adlandırılan başka bir yük çeşidine
de sahiptirler.
• Kuarklar asla serbest halde bulunamazlar. Sadece, daha
sonra
göreceğimiz,
"hadronlar"
olarak
adlandırılan
bileşimlerde bulunurlar.
24/09/07
III. UPHDYO
5
KUARKLAR-II
Çeşit
24/09/07
Kütle
u (yukarı) 0.005
Elektrik
Yükü
2/3
d (aşağı)
-1/3
0.01
c (tılsımlı) 1.5
2/3
s (acayip) 0.2
-1/3
t (üst)
175
2/3
b (alt)
4.7
-1/3
III. UPHDYO
6
KUARKLAR-III
• Kuark ve leptonların 3 ayrı aile olarak
bulunurlar. Her aile önceki aileden daha
ağır olma eğilimindedir.
• Evrendeki görünen bütün madde, ilk aile
parçacıklarından meydana gelir: alt, üst
kuark ve elektronlar. İkinci ve üçüncü
aileden parçacıklar kararsızdırlar, ve ilk
aileden
parçacıklara
bozunurlar.
Bu
yüzden evrendeki bütün kararlı maddeler
ilk aile parçacıklarından meydana gelir.
24/09/07
III. UPHDYO
7
HADRONLAR
Tek kuark kesirli elektrik yüküne sahiptir. Ancak bu kesirli yükler
direkt olarak elde edilemezler. Çünkü kuarklar tek olarak
bulunamazlar; Bunun yerine, kuarklar hadronlar
olarak
adlandırılan bileşik parçacıkları oluştururlar. Bir hadrondaki
kuarkların elektrik yüklerinin toplamı ise her zaman bir tam sayıdır.
Tek başına kuarklar renk yükü taşırlarken, hadronlar renknötrdürler.
Hadronların iki sınıfı vardır:
1-Baryonlar:
– Baryonlar
üç
kuarkın
birleşimidir
(qqq).
örneğin, protonlar iki üst ve bir alt kuark (uud), nötronlarda bir
üst ve iki alt kuarkdan oluşmuştur (udd).
2-Mezonlar:
– Mezonlar, bir kuark ve bir anti kuark'ın birleşimidirler.
örneğin, bir negatif pion bir üst (u) ve bir anti-üst kuarkdan
oluşur.
24/09/07
III. UPHDYO
8
BARYONLAR
• Baryonlar her zaman 3 tane kuark içerirler. Ayrıca
bir miktar gluon ve kuark-antikuark çiftleride
içerebilirler. proton= uud ve nötron=udd
• Baryonlar sıfır renk yüküne sahip olup, serbest
gözlenebilirler.
• Baryonların spinleri 1/2, 3/2, ... dir yani fermiyon
durlar.
• Her baryon için, 3 uygun antikuarktan oluşan bir
antibaryon vardır.
24/09/07
III. UPHDYO
9
MEZONLAR-I
• Bir mezon, kuark, antikuark ve bağlayıcı
gluonların birleşmesinden oluşur.
Örneğin, bir üst kuark ve bir anti-alt
kuarkdan oluşmuş parçacık +1 yüklü
piondur.
• Bir mezon renksiz bir nesnedir. Çünkü
kuark ve antikuarkları zıt renk yüklerine
sahiptir. Dolayısıyla, mezon bağımsız
olarak
bulunabilir.
Bütün
mezonlar
kararsızdırlar.
• Mezonlar tamsayı spine sahip oldukları için
bozondurlar.
24/09/07
III. UPHDYO
10
MEZONLAR-II
24/09/07
III. UPHDYO
11
LEPTONLAR-I
• Leptonlar,
inceleyeceğimiz
ilk
madde
parçacıkları çeşididir . Altı çeşit lepton vardır.
Bunlardan üç tanesi elektrik yüküne sahipken,
diğer üçü sahip değildir. En iyi bilinen yüklü
lepton elektron (e) dur. Diğer iki yüklü lepton
muon (µ) ve tau (τ) dur. Yüklü leptonların hepsi
negatif yüke sahiptirler.
• Diğer üç lepton ise algılanması güç olan
nötrinolardır (ν). Yüksüz (nötr) olup, sıfır veya çok
küçük kütleye sahiptirler. Elektriksel olarak yüklü
her lepton için karşı gelen bir nötrino vardır.
• Altı leptonun herbiri için, eşit kütleleli ve zıt yüklü
antimadde -lepton (antilepton)
vardır.
24/09/07
III. UPHDYO
12
LEPTONLAR-II
24/09/07
III. UPHDYO
13
LEPTON BOZUNUMLARI
• Ağır lepton çeşitleri (müon ve tau) sıradan maddelerde
bulunmazlar. Çünkü hemen daha hafif leptonlara ve
bazende kuark ve antikuarklara bozunurlar. Yanlızca
elektron ve nötrino kararlı yapıya sahip leptonlardır.
• Ağır bir lepton bozunduğunda oluşan parçacıklar her zaman
ona denk nötrinolardır. Diğer oluşan parçacıklar ise
herhangi bir lepton vede onun antinötrinosu
yada
alternatif olarak herhangi bir kuark ile onun antikuarkı
olabilir.
• Eğer elektron ve elektron tipi nötrinolara +1 elektron
sayısını, pozitronlara ve elektron tipi antinötrinolara -1
elektron sayısını, diğer bütün parçacıklara da sıfır elektron
sayısını verirsek bütün olaylar da elektron sayısı korunur.
Benzer şekilde müon ve tau sayıları da tanımlanabilir.
24/09/07
III. UPHDYO
14
Örnek olarak müon bozunmasını ele
alalım:
24/09/07
III. UPHDYO
15
NÖTRİNOLAR
• Nötrinolar leptondur. Yüksüz (nötr) ve sıfır veya çok küçük
kütleye sahiptirler. Bu yüzden diğer parçacıklarla neredeyse
hiç etkileşmezler. Bir çok nötrino, bir kere bile etkileşmeden
yeryüzünün içinden geçerler.
• Nötrinolar değişik bozunma ve etkileşmeler ile üretilir.
Örneğin, bir nötron, bir protona, bir elektrona ve bir antinötrinoya bozunur. Aslında, fizikçiler nötrinoların, radyoaktif
bozunmaların dikkatli gözlemleri sounucu varolduklarını
varsaymışlardır.
• Örneğin, bir nötron, bir elektrona ve bir protona
bozunduğunda, elektron ve protonun momentumları toplamı
başlangıçtaki nötronunkine eşit değildir. Bu yüzden, kayıp
momentuma karşı gelecek başka bir parçacık olmalıdır: yani,
nötrino.
24/09/07
III. UPHDYO
16
EKÖrnek 1
24/09/07
FEYNMAN DIYAGRAMLARININ KULLANIMINA YÖNELİK
ÖRNEKLER
Örnek 2
III. UPHDYO
17
Örnek 3
24/09/07
Örnek 4
III. UPHDYO
18
STANDART MODEL
PARÇACIKLARI ÖZETİ
24/09/07
III. UPHDYO
19
SM'in EKSİKLİKLERİ-I
• Serbest Parametreler:
Standart Model’i oluştururken, temel
parçacıkların, kütlelerinin, etkileşme şiddetlerinin
ve bunlar gibi en az 19 kadar parametrenin
bilinmesi
gerekir.
Standart
Model
bu
parametrelerin
değerleri
hakkında
bir
şey
söyleyemez. Niye μ leptonun kütlesi, elektronun
kütlesinin
yaklaşık
200
katı?
Niye
bütün
nötrinolarin kütlesi bu kadar küçük? Bu soruların
cevapları SM’de yer almaz.
• Hiyerarşi problemi:
Bu problemi kısaca “kütleçekim kuvveti” niye bu
kadar zayıf” diye de sorabiliriz. Kütleçekimi,
elektromanyetik kuvvetten 1040 kat daha zayıftır.
Eğer bir şekilde hem kütle çekimini hem de
Standart Model’i içine alacak şekilde bir kuram
yazmayı başlatırsak, buIII.kadar
24/09/07
UPHDYO fark doğal bir şekilde
nasıl ortaya çıkabilir?
20
SM'in EKSİKLİKLERİ-II
• Aile Problemi:
Doğa niye kendini aileler şeklinde tekrarlamıştır? Doğal
olarak bulunan bütün parçacıklar, sadece u ve d kuarklarla
elektron ve onun nötrinosundan oluşmaktayken, niye iki tane daha
kuark ve lepton ailesi var. Farklı ailelerin kütleleri niye birbirinden
farklı. Lepton ve kuark aile sayıları niye birbirine eşit? Sadece bir
raslantı mı? Bu son soruya verebileceğimiz kuramsal bir cevap
vardır: Eğer her bir kuark ailesine bir lepton ailesi eşllik etmezse,
kuram kendi içerisinde çelişkiler içerir.
• Üç Farklı Kuvvet:
Her ne kadar Standart Model, üç farklı kuvveti de içinde
barındırsa da, bu üç farklı kuvvet tam anlamıyla birbirleri ile
karışımlarıdır. Her birinin kendi kuvvet taşıyıcı bozonlar ve her
birinin şiddetini belirleyen kendi etkileşme sabiti vardır. Kuvvetler
arasındaki bu fark nereden gelmektedir? Bilim tarihinde, Maxwell
denklemlerini yazmadan önce elektrik ve manyetik kuvvetin farklı
kuvvetler olduğu düşünülüyordu. Oysa, Maxwell göstermiştir ki,
bu iki kuvvet de aslında aynı kuvvetin farklı iki yüzüdür, ve ikisi de
aynı etkileşme sabitiyle açıklanabilir. Aynı bütünleşmeyi Standart
Model için yapabilir miyiz?
24/09/07
III. UPHDYO
21
24/09/07
III. UPHDYO
22
SÜPERSİMETRİ
•
Süpersimetri parçacık fiziğinde geçen Standart Model in karşılaştığı
sorunları çözmek için 1970 lerde ortaya atılan bir teoridir. SUSY olarak
kısaltılır. Temel fikir, bilinen her fermiyona yeni bir bozon ve aynı şekilde
bilinen her bozona da yeni bir fermiyon parçacığın varlığını öne sürerek,
tesir kesiti hesaplamalarında sonsuz çıkan integralleri sonlu hale
getirmektir. Süpersimetri aslında bir modeller ailesi olarak düşünülebilir:
Varlığı iddia edilen yeni parçacıkların kütleleri, bilinen parçacıklarla
etkileşmeleri teori tarafından verilmediği için bu parametrelerin her ilginç
sonuç veren değeri bir yeni model gibi düşünülebilir.
Q|bozon,fermiyon>=|fermiyon,bozon>
•
•
Bu modeller ailesinde en basit olanına Minimal Süpersimetri Modeli
(MSSM) ismi verilir, bağımsız parametre sayısı 150 den fazladır.
Hesaplanabilir bir teori olarak ilgi çekmesinin yanı sıra, farklı kuvvetlerin
etkileşim katsayılarını da yüksek enerjilerde aynı değere taşıdığı için en
olası modellerden biri olarak kabul edilmektedir.
24/09/07
III. UPHDYO
23
Süpersimetri 1973 yılında Julies Wess ve Bruno Zumino tarafından ortaya
atılmıştır.
Süpersimetri teorisi, gözlemlediğimiz her parçacığın, bir
"gölge"parçacık eşi olduğunu varsayar. Örneğin, her kuark
için, ona eşlik eden bir “skuark” olmalıdır.
24/09/07
III. UPHDYO
24
ARA BOZONLARIN SÜPER EŞLERİ
Adı
Spin
Süpereşi
Spin
Graviton
2
Gravitino
3/2
Foton
1
Fotino
1/2
Gluon
1
Gluino
1/2
W+,-
1
Wino+,-
1/2
Z0
1
Zino
1/2
Higgs
0
Higgsino
1/2
PARÇACIKLARIN SÜPER EŞLERİ
24/09/07
Adı
Spin
Süpereşi
Spin
Elektron
1/2
Selektron
0
Müon
1/2
Smüon
0
Tau
1/2
Stau
0
Nötrino
1/2
Snötrino
0
kuark
1/2
III. UPHDYO
Skuark
0
25
HIGGS PARÇACIĞI
• Standart Model’i tutarlı bir kuram olarak yazabilmek için fizikçiler,
Higgs parçacığı adı verilen, spini olmayan bir parçacığın daha
olduğunu varsaymak zorundalar. Bu parçacık olmasaydı,
gözlemlediğimiz hiçbir parçacığın kütlesi olamazdı. Bunun bizim
için önemli sonuçlarından birisi de, elektronun kütlesi olmayacağı
için, atomlar oluşamayacaktı ve bildiğimiz anlamda bir hayattan
bahsedemeyecektik. SM bakımındansa bu parçacık, bulmacayı
tamamlayan son parçadır; şayet bu parçacık bulunamazsa, SM’de
köklü değişiklikler yapmak zorunda kalınacaktır.
24/09/07
III. UPHDYO
26
24/09/07
III. UPHDYO
27
CERN
(European Organization for Nuclear Research)
•
CERN, İkinci Dünya Savaşı’ndan sonra Avrupa’nın fizik alanında
ABD’den geri kalmaması için 12 Avrupa ülkesinin işbirliği ile 1954
yılında kurulmuştur.
•
CERN maddenin yapı-taşlarını ve onları bir arada tutan kuvvetleri
araştırmak için bilim insanlarını bir araya getiren bir dev
laboratuvardır. CERN bu insanlara çalışmaları için gerekli bütün
araç-gereçleri sağlamaktadır. Bunlardan başlıcaları hızlandırıcılar
(yüklü parçacıkları yaklaşık ışık hızına kadar hızlandırır) ve
dedektörlerdir (parçacıkları algılar).
•
CERN, fizikçiler, mühendisler, teknisyenler, uzmanlar, yöneticiler,
sekreterler, işçiler...olmak üzere 3000 civarında kişiye çalışma
ortamı sağlamaktadır.
•
•
•
Bilimsel ve teknik personel laboratuvarın makine kısmının
tasarımında ve kurulmasında görev almaktadır ve düzgün
çalışmasını sağlamaktadır.
CERN karmaşık bilimsel deneylerin hazırlanması, çalıştırılması,
analiz edilmesi ve yorumlanmasına imkan sağlamaktadır.
24/09/07
III. UPHDYO
6500 civarında ziyaretçi bilim insanı (Dünyadaki parçacık fizikçisi
sayısının yarısı) CERN’e gelerek kendi araştırmalarını
28
CERN bilim adamlarının prestijli ödüller ve Nobel Ödülünü
aldıkları bir çok önemli keşfe ev sahipliği yapmıştır.
Bunlardan çok kullanışlı olan birisi World Wide Web (www)’dir.
Bütün dünya üzerinde farklı üniversiteler ve enstitülerde
çalışan fizikçiler arasında paylaşılan bilgiyi artırmak ve bunu
hızlı bir şekilde yapmak için geliştirilmiştir.
• 1989, Tim Berners-Lee
24/09/07
III. UPHDYO
29
24/09/07
III. UPHDYO
30
SABİT HEDEF DENEYLERİ
Sabit hedef deneyleri bir parçacık demetinin, bir hedefin atomlarına
çarptığında olup bitenleri araştırır. Bu konfigurasyonda, demet
enerjisinin çoğu hedefin geri tepmesinde harcanır ve sadece küçük
bir kısmı yeni bir parçacıkları üretmek için kullanır. Sabit hedef
konfigurasyonunda, üretilen parçacıklar genellikle ileriye doğru
hareket ederler, bu yüzden genellikle bu deneylerde koni biçimli
dedektörler vardır ve demet hattının önüne yerleştirilir.
24/09/07
III. UPHDYO
31
ÇARPIŞAN DEMET DENEYLERİ
Zıt yönlerde hareket eden iki parçacık demetinin kafa kafaya
çarpışmasını inceler. Bu konfigurasyonda, geri tepme enerjisi
harcanmaz ve bütün enerji yeni parçacıkların üretimi için
kullanılır.
Bu tip olaylarda, yeni üretilen parçacıklar çarpışma
noktasından bütün yönlerde ışıma yapar, bu nedenle
dedektörler, küresel veya daha genel olarak silindir biçimlidir.
24/09/07
III. UPHDYO
32
24/09/07
III. UPHDYO
33
24/09/07
III. UPHDYO
34
OLAY
• Bir hızlandırıcı parçacıklara yeteri kadar enerji verdikten
sonra, bu parçacıklar ya bir hedefle yada birbirleriyle
çarpıştırılırlar. Bu çarpışmaların her biri , olay olarak
adlandırılır. Bir fizikçinin amacı, her bir olayı ayıklayıp, bu
tek olaydaki verileri toplayıp, bu olaydaki parçacık sürecinin
test ettikleri teori ile uyuşup uyuşmadığını incelemektir.
• Her olay, bir çok parçacık üretildiğinden çok karmaşıktır. Bu
parçacıkların çoğunun ömürleri çok kısadır. Dolayısıyla,
başka parçacıklara bozunmadan önce çok kısa mesafeler
gittiklerinden gözlenebilir izler bırakmazlar. Dedektörler bu
izleri ve sinyalleri algılayan aygıtlardır.
24/09/07
III. UPHDYO
35
24/09/07
III. UPHDYO
36
LHC VERİLERİ
1 Gigabit (1GB)
= 1000MB
Bir DVD filmi
40 milyon/s olay, 1 megabitlik dijital
veri/olay = 0.1 Gigabit/s’lik veri kayıt
1 Terabit (1TB)
hızı, yılda 1010 olay kaydı = 10
= 1000GB
Petabit/yıllık veri üretimi
Dünyanın yıllık kitap
LHC verileri yılda yaklaşık 20 milyon
CDyi dolduracak!
LHC verilerinin çözümlenmesi için
günümüzün en hızlı PC işlemcilerinden ~
100,000 tanesine ihtiyaç var.
üretimi
1 Petabit (1PB)
= 1000TB
Bir LHC deneyinin
yıllık veri üretimi
1 Exabit (1EB)
= 1000 PB
Dünyanın yıllık bilgi
üretimi
ÇÖZÜM: Dünyada GRID sistemi oluşturulmuştur. Türkiye’de ise
ULAKBİM tarafından Tr-GRID sistemi oluşturulmuştur.
24/09/07
III. UPHDYO
37
KAYNAKLAR
1-
Gregor Herten- Universität Freiburg
Experimental Challenges in Particle Physics and Their
Applications
2http
://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2002/feynman/index.html
3-
Bilim Teknik – Yeni Ufuklar – Nisan sayısı
4-
http://fizik.mu.edu.tr/kerem/ders/pphysics/pphysics.html
5-
2005 Türk Fizik Derneği (TFD) I. Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları Yaz Okulu
6-
http://bilge.science.ankara.edu.tr/Atilla/icindekiler.html
7-
2. Ulusal GRID Çalıştayı Seminerleri
24/09/07
http://www.cern.ch
8-
III. UPHDYO
38
R
E
RL
E
EN
H
ES
K
ER
KÜ
K
E
Ş
TE
Ç
Ğ
E
M
E
G
İ
E
24/09/07
III. UPHDYO
39