Fizikçiler 100 dolara elde taşınan muon dedektörü ürettiler
MIT’den fizikçiler hayalet parçacıklara saptamak için cebe sığabilen bir kozmik ışın muon dedektörü yaptılar.
DÜNYA’NIN ATMOSFERİ HER AN SÜPERNOVALARDAN VE GÜNEŞ SİSTEMİ ÖTESİNDEKİ DİĞER ASTROFİZİK OLGULARDAN YAYILAN YÜKSEK ENERJİLİ KOZMİK IŞINLARIN BOMBARDIMANINA maruz kaliyor. Kozmik ışınlar Dünya atmosferine çarptıklarında bozunarak muonlara, yani elektrondan biraz daha ağır, yüklü parçacıklara dönüşüyor.
Muonların ömrü saniyenin küçük bir parçası kadar sürüyor ve bu kısacık ömürlerinde Dünya atmosferinin her katmanında bulunuyor, etrafımızdaki havada dolaşıyor ve hafif bir çiselemeyi andıran bir hızla yere yağıyor. Muonların küçük bir kısmı Dünya yüzeyini geçip buzun ve kayanın içinde birkaç kilometre yol alabiliyor.
MITden fizikçiler bu hayalet parçacıklan saptamak için cepte taşınabilen bir kozmik ışın muon dedektörü geliştirdiler. Dedektör sıradan elektrikli bileşenler kullanarak inşa edilebiliyor ve çalıştırdığınızda ışıklan yanıp içinden geçen muonları sayıyor. Nispeten basit olan aygıtı yapmak yalnızca ıoo dolara patladığından, günümüzdeki en makul fiyatlı muon dedektörü bu.
MIT Fizik Bölümünde lisansüstü öğrencisi olan Spencer Axani önderliğindeki araştırmacılar, saptayıcıyı öğrencileri düşünerek tasarlamışlar. Öncelikle satın alınacak parçalan listeleyen bunların nasıl birleştirileceğini kalibre edileceğini ve çalıştırılacağım gösteren bir web sitesi açıp CosmicWatch adında bir de proje başlatmışlar. Ekip, sıradan bir lise öğrencisinin dedektörü ilk defasında dört saatte, ikinci defasında ise bir saatte monte edebileceğini tahmin ediyor.
Çalışır hale geldikten sonra dedektörleri hemen her ortamda yanınızda taşımamz ve muon oranlarım ölçmeniz olanaklı. Ekip ıoo civarı dedektörü lise ve üniversite öğrencilerine göndermiş ve onlar da uçaklardan meteoroloji balonlarına kadar birçok yöntemle yüksek irtifada muon oranlarını ölçmüşler. Axani’nin yaptığı gibi, dedektörleri yer altında kullanan öğrenciler de olmuş.
“Metroya parçacık de-dektörüyle binince insanlar tuhaf tuhaf bakıyor, ona rağmen bunu Bostonda yaptık” diyor Axani “Muon oram yer altına indikçe azalıyor, o yüzden yerin ne kadar altında olduğumuzu ölçmek için bir metro istasyonuna dedektör yerleştirdik.” Araştırmacılar dedektörün tasarımının ilk sürümünü American Journal of Physics dergisinde yayımladılar. Axani’nin birlikte çalıştığı, MITden fizik profesörü Janet Conrad ve öğrencilerden Conor Kirby. CosmicWatch web sitesinde aygıtın en son sürümüne ilişkin bilgiyi bulabilirsiniz.
Çöpteki hazine Axani’nin asıl amacı, Güney Kutbunun derinliklerinde, buzla sarmalanmış devasa bir parçacık dedektörü olan IceCube’a minyatür, elle taşınan bir eklenti yapmaktı Ice-Cube, nötrino adlı atomaltı parçacıklan saptamak üzere inşa edilmiş. Gözlemevinde-ki bilim insanları küçük bir muon dedektörünün PIN-GU ya, yani dedektörün düşük eneıjili nötrinoları saptama duyarlılığım artıracak olan, tasarım aşamasındaki diziye (Duyarlıklı IceCube Yeni Nesil Terfii) takılabileceğini söylediler. Böylesi bir diziye gömülü küçük muon saptayıcılar, muonlann konumunu hassas biçimde ölçebilir, nötrino arayışındaki bilim insanlarının bu parçacıkları ayıklamasını sağlayabilirdi
Axani PINGUda kullanılmak üzere bir muon saptayıcı prototipi tasarlama işini üstlendi. Tipik muon dedektörleri bir sintilatörle, yani yüklü parçacık çarptığında ışık yayan maddeyle kaplı ışıl çoğaltıcı (fotomultiplikatör) tüplerden oluşuyor. Muon gibi bir parçacık saptayıcıya çarpınca, ışıl çoğalüa tüp yayılan ışığın ürettiği akımı çoğaltıyor. Böylece tekbir foton bile ölçülmesini sağlayacak kadar fazla akım üretebiliyor. Bu sayede bir muonun ya da başka bir parçacığın dedek-törden geçip geçmediğini anlamak olanaklı oluyor.
Laboratuvar ölçeğindeki çoğu muon dedektörü büyük hantal ışıl çoğaltıcılar ve daha bile büyük bataryalar kullansa da, Axani tasarımı küçültmeyi aklına koydu. MITde çöpe atılmış elektronik aygıt-lan karıştırdıktan sonra, çok daha az güç gerektiren, daha ince bir aygıt yapmak için gereken tüm parçalan elde etti Aynı zamanda dedektörden geçen muonlann sayısını göstermek üzere basit elektronik ve yazılım bileşenleri tasarlayarak dedektörü kendi başına yeterli bir ölçüm ve görüntüleme aygıtına dönüştürdü.
Proje kanatlanıyor Axani’nin prototipim tasarlamasından bu yana, proje bir sosyal destek projesi olup çıktı zira bilim insanı, dedektörü inşa ederken kullandığı bileşenlerin kolayca erişilebilen, gayet yaygın ve zahmetsizce birleştirilebilen parçalar olduğunu kavradı. Bunların tümü de öğrencilere parçacık fiziğini uygulamalı olarak öğretmek için biçilmiş kaftan.
O, Conrad ve Polonyadaki Ulusal Nükleer Araştırma Merkezindeki meslektaşlan K. Frankiewicz öğrencilerin monte edebileceği, irice bir cep telefonu büyüklüğünde dedektör kitleri hazırladılar. Her kitte bir plastik sintilatör, bir SensL silikon ışıl çoğaltıcı, bir Arduino Nano, bir ekran, özel tasarım baskılı devre kartı ve gökkuşağının her renginde 3B kasa var.
Ekip bu kitleri Polonyadaki Varşova Üniversitesindeki ve ABDde Missouri Bilim ve Teknoloji Üniversitesindeki öğrencilere dağıttı. Onlar da dedektör dizileri hazırlayıp meteoroloji balonlanyla yüksek irtifaya yolladılar ve orada muon ölçümü yaptılar. Aralarından dedektörlerle uçağa binip farklı irtifalarda muon sayımı yapan da oldu.
“Deniz seviyesinde neredeyse her iki saniyede bir muon saptıyorsunuz. Ancak seyir irtifasındaki bir uçakta bu rakam %50 artıyor ki bu da büyük bir değişim” diyor Axani. “Ölçülen muon sayısından, uçağın irtifasını tam olarak hesaplayabilirsiniz.” Boston Üniversitesinden bir ekip de muon dedektörle-rini yörünge altı roketlerine yerleştirip 30 km yükseğe çıkarmayı planlıyor. “Yeterince yükseğe çıkarsanız kozmik ışınların muon üretim bölgesinin de dışına çıkıyor, orada belli bir yükseklikte muon-ların arttığını, belli bir yüksekliği geçince de düştüğünü görüyorsunuz” diyor Conrad Araştırmacılar cep dedek-törünü, muonlann dağılımını ölçerek, dedektörün etrafındaki materyalin üç boyutlu görüntüsünü elde eden muon tomografisi için kullanmayı planlıyor. Bilim insanları geçmişte de muon tomografi aygıtlarını tıpkı Röntgen ya da bilgisayarlı tomografi (CT) aygıtları gibi kullanarak jeolojik yapıların içini inceledi Bu deneylerden en ünlüsü l96o’larda Gizetie-ki Kefren Piramidinde gizli odalar aramak için yapıldı. “Bir noktada benim de denemek istediğim bir şey, belki de üst kattaki ofisin haritasını çıkarırım” diyor Axani. Şimdilik çantama koyup yolculuk sırasında muon sayımı yapmayı tercih ediyorum” diyor Axani. Araştırmacılar CosmicWatch sitesinden kitleri, montaj talimatlarım ve kullanım kılavuzlarını dağıtmaya devam ediyorlar. Aynca kitleri kullanmış olan eğitimcilerden ve öğrencilerden geri dönüş bekliyorlar.
