Parçacık hızlandırıcılar masaüstü boyutuna gelecek

ABD’li ve Alman bilim insanları, Gordon ve Betty Moore derneğinden alınan bağış kapsamında parçacık hızlandırıları ‘masaüstü boyutuna’ getirecek bir çalışmaya başladı. Stanford Üniversitesi ile Almanya’nın Friedrich-Alexander Üniversitesi tarafından ortak yürütülecek çalışmada, ‘işlemci üzerinde hızlandırıcı’ adı verilen teknoloji geliştirilmeye çalışılacak.

Hedefe ulaşılması halinde, bugün California’daki SLAC Ulusal Hızlandırıcı Merkezi veya İsviçre’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın (LHC) fonksiyonu, ayakkabı kutusu büyüklüğündeki cihazlarda gerçekleştirilebilecek.

Projenin başarılı bir prototip üretmesi halinde, tıbbi tedavilerden X-ray görüntülemeye ve güvenlik amaçlı tarama teknolojilerine kadar bilimsel ve tıbbi alanlarda devrim niteliği taşıyacak bir adım atılacağı düşünülüyor.

Günümüzde kullanılan parçacık hızlandırıcılar, Higgs bozonunun keşfedildiği 27 kilometre uzunluğundaki LHC gibi çok büyük enerji, maliyet ve zaman harcayan yapıları temsil ediyor. 3 kilometre uzunluğundaki SLAC Ulusal Hızlandırıcı Merkezi gibi bir tesisi bile inşa etmek yıllar süren bir çalışma ve yüksek bir bütçe gerektiriyor. Parçacık hızlandırıcılar ne kadar uzun olursa, atom altı parçacıkları birbirleriyle çarpıştırma hızları da o kadar artıyor.

Stanford ve Friedrich-Alexandar üniversiteleri, beş yıl sürecek çalışma sonucunda parçacık hızlandırıcıları ayakkabı kutusu boyutuna ve laboratuvarların standart bir donanımı haline getirmeyi planlıyor.

Parçacık hızlandırıcısından 100 kat hızlı olacak

ABD’li ve Alman bilim insanlarının ilk kez 2013’te başlattığı çalışmada, yüklü parçacıkların lazer ışını yardımıyla cam kanallar içinde hızlandırılabileceği anlaşılmıştı.

Yapılan deneylerde, duvarlarında mühendislik ürünü çıkıntılar yer alan mikroskobik tünellere sahip silika cam işlemciler kullanıldı. Lazer ışını işlemci üzerine tutulduğunda, tünellerdeki çıkıntılar ile etkileşime girerek bir elektrik alanı oluşturdu. Oluşturulan elektrik alanı, yüklü parçacıkların hızını artıran bir tetikleyici olarak belirdi.

Deney sonuçları, parçacıkların aynı mesafe içinde SLAC’a oranla 10 kat daha fazla hızlandırılabildiğini gösterdi. Araştırma ekibi, bu oranın 100 katına çıkabileceğine inanıyor.

SLAC ekibinde yer alan Joel England, ‘devrim niteliği taşıdığını’ söylediği yöntem sayesinde ‘birkaç milyon elektrik volt (meV) enerjiye sahip parçacıklar üretebileceklerini’ belirtti.

England’ın bahsettiği kapasite, bilim insanlarının ‘moleküler filmler’ elde edebilmelerini sağlayacak. Yani, saniyenin katrilyonda birinde gerçekleşen fiziksel ve biyolojik faaliyetler görüntülenebilecek.

Nasıl yapılıyor?

Gizmodo’ya yeni teknoloji hakkında bilgi veren England, ‘mikroişlemci sanayisinin bilgisayarlar için yaptığını parçacık hızlandırıcılar için yapmaya çalıştıklarını’ söyledi. England, transistörlerin icat edilmesiyle gelişen mikroişlemci teknolojisinin odaları kaplayan bilgisayarları masaüstüne taşıdığını, aynı sürecin şimdi parçacık hızlandırıcıları için yaşanacağını belirtti. England, “Bir gün elinizde tutabilecek boyuta bile gelebilirler ama saçacakları radyasyon nedeniyle bunu tavsiye etmezdim” ifadesini kullanıyor.

Masaüstü parçacık hızlandırıcısı yapmak için gerekenler ise yukarıda bahsedilenlerden çok daha fazla. Temel alınan konsept, kilometrelerce uzunluktaki parçacık hızlandırıcılara kıyasla birkaç santimetre içinde elektronları yüksek enerjiyle yükleyen ‘plazma girdabı hızlandırıcısına’ dayanıyor. İyonlaşmış gazı temsil eden plazmaya atılan yoğun ve kısa lazer atışları, plazmanın girdabında yüklü parçacıklar kalmasını sağlıyor. Ek lazer atışlarıyla parçacıkların hızı daha da artırılıyor.

‘İşlemci üzerinde hızlandırıcı’ yöntemi de lazer kullanıyor ancak yerçekimsiz ortamda çalışıyor. Ayrıca, plazma yerine yalıtkan bir optik materyal kullanılıyor. Nature dergisinde 2013’te yayımlanan araştırmada, ABD’li ve Alman bilim insanları bir pirinç tanesinden küçük silika cam işlemci kullanan 27 santimetrelik yapıda lazer ışını kullanarak elektronları hızlandırmayı başardıklarını açıkladı. Erişilen hız, yukarıda belirtildiği gibi SLAC’ın 10 katıydı.

İnsan saçının 200’de 1’i kalınlığındaki tünelde gerçekleşen deneyde, ileri geri sallanan elektrik alanı elektronların daha fazla enerjiyle karşılaşarak hızlanmalarını sağlıyor. Mikroskobik tüneldeki çıkıntılar, elektrik alanının bu aralıklarda yoğunlaşmasını, boşluklarda ise daha azalmasını sağlıyor. Elektronlar boşluklardan geçerken daha az enerji harcadıkları için giderek daha fazla hızlanıyor.

Alman fizikçi Peter Hommelhoff’un 2013’te gerçekleştirdiği benzer bir deneyde aynı sonuçları alması, masaüstü hızlandırıcıların geliştirilmesi adına doğru yöntemin benimsendiğini onaylamış oldu. Hommelhoff, “İşlemci en kritik parça ancak bir hızlandırıcı üzerinde çalışmak çok daha kapsamlı bir iş… En zorlu aşamaları biliyoruz ancak henüz bunları nasıl çözeceğimizi bilmiyoruz. Ancak bilim insanları olarak bu tür zorlukları aşmasını biliyoruz” ifadesini kullandı.

Stanford ve Friedrich-Alexander üniversiteleri tarafından beş yıl sürecek çalışma sonunda elde edilecek prototip, Dünya’nın geleceği için şu an tahmin edebileceğimizden çok daha büyük bir önem taşıyor. Moore Derneği’nin bağışıyla, bilim insanlarının belirlenen sürede hedefe ulaşacaklarını ümit edelim.