Fizikçiler 100 dolara elde taşınan müon dedektörü üretti!

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 yüzwyini geçip buzun ve kayanın içinde birkaç kilometre yol alabiliyor. MIT'den fizikçiler bu hayalet parçacıkları saptamak için cepte taşınabilen bir kozmik ışın muon dedektörü geliştirdiler. Dedektör sıradan elektrikli bileşenler kullanarak inşa edilebiliyor ve çalıştırdığınızda ışıkları yanıp içinden geçen muonları sayıyor. Nispeten basit olan aygıtı yapmak yalnızca 100 dolara patladığından, günümüzdeki en makul fiyatlı dedektör bu. 

MIT Fizik Bölümünde lisansüstü öğrencisi olan Spencer Axani önderliğindeki araştırmacılar, saptayıcıyı öğrencileri düşünerek tasarlamışlar. Öncelikle satın alınacak parçaları listeleyen, bunların nasıl birleştirileceğini, kalibre edileceğini ve çalıştırılacağını gösteren bir web sitesi açıp CosmicWatch adında bir 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 taşımanız ve muon oranlarını ölçmeniz olanaklı. Ekip 100 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 dedektörüyle binince insanlar tuhaf tuhaf bakıyor, ona rağmen bunu Boston'da yaptık." diyor Axani. "Muon oranı 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, MIT'den 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 Kutbu'nun derinliklerinde, buzla sarmalanmış devasa bir parçacık dedektörü olan IceCube'a minyatür, elle taşınan bir eklenti yapmaktı. IceCube, nötrino adlı atomaltı parçacıkları saptamak üzere inşa edilmiş. Gözlemevindeki bilim insanları küçük bir muon dedektörünün PINGU'ya, yani dedektörün düşük enerjili nötrinoları saptama duyarlılığını artıracak olan, tasarım aşamasındaki diziye takılabileceğini söylediler. Böylesi bir diziye gömülü küçük muon saptayıcılar, muonların konumunu hassas biçimde ölçebilir, nötrino arayışındaki bilim insanlarının bu parçacıkları ayıklamasını sağlayabilirdi. 

Axani, PINGU'da kullanılmak üzere bir muon saptayıcı prototipi tasarlama işini üstlendi. Tipik muon dedektörleri bir sintilatörle, yani yüklü parçacık çarptığında ışık yayan maddeyle kaplı ışıltıcı çoğaltıcı tüplerden oluşuyor. Muon gibi bir parçacık saptayıcıya çarpınca, ışıl çoğaltıcı tüp yayılan ışığın ürettiği akımı çoğaltıyor. Böylece tek bir foton bile ölçülmesini sağlayacak kadar fazla akım üretebiliyor. Bu sayede bir muonun ya da başka bir parçacığın dedektörden 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. MIT'de çöpe atılmış elektronik aygıtları karıştırdıktan sonra, çok daha az güç gerektiren, daha ince bir aygıt yapmak için gereken tüm parçaları elde etti. Aynı zamanda dedektörden geçen muonların sayısını göstermek üzere basit elektronik ve yazılım bileşenleri tasarlayarak dedektörü kendi başına yeterli bir ölçüm ve görüntüleme aygıtına dönüştürdü. 

 Proje Kanatlanıyor

Axani'nin prototipini 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 Polonya'daki Ulusal Nükleer Araştırma Merkezi'ndeki meslektaşları K. Frankiewicz öğrencilerin monte edebileceği, irice bir cep telefonu büyüklüğünde dedektör kitleleri 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 kitleleri Polonya'daki VArşova Üniversitesi'ndeki ve ABD'de Missouri Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'ndeki öğrencilere dağıttı. Onlarda dedektör dizileri hazırlayıp meteoroloji balonlarıyla yüksek irtifaya yolladılar ve orada muon ölçümü yaptılar. Aralarından dedektörle 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 Üniversitesi'nden bir ekip de muon dedektörlerini yörünge altı roketlerine yerleştirip 30 kilometre yüksekliğe çıkarmayı planlıyor. "Yeterince yükseğe çıkarsanız kozmik ışınların muon üretim bölgesinin de dışına çıkıyor, orada bellir bir yükseklikte muonların arttığını, belli bir yüksekliği geçince de düştüğünü görüyorsunuz" diyor Conrad. 

Araştırmacılar cep dedektörünü, muonların 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 aygıtları gibi kullanarak jeolojik yapıların içini inceledi. Bu deneylerden en ünlüsü 1960'larda Gize'deki Kefren Piramidi'nde 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 CosmıcWatch sitesinden kitleri, montaj talimatlarını ve kullanım kılavuzlarını dağıtmaya devam ediyorlar. Ayrıca kitleri kullanmış olan eğitimcilerden ve öğrencilerden geri dönüş bekliyorlar.