Türkiye’den yedi liseliden oluşan PionIST takımı, CERN’in düzenlediği Beamline for Schools yarışmasını kazandı ve tasarladığı deneyi CERN’de gerçekleştirdi. Ekiple, nötr pionları ölçmek için geliştirdikleri düzeneği ve CERN deneyimlerini konuştuk.
Türkiye’den yedi liseliden oluşan PionIST takımı, CERN’in her yıl dünya çapında düzenlediği Beamline for Schools yarışmasını kazandı ve deneyini bu yaz CERN’de, PS hızlandırıcısının T9 demet hattında gerçekleştirdi.
Deneyin konusu nötr pion üretimi. Nötr pion neredeyse anında iki fotona bozunduğu için doğrudan görülemiyor. Takım, bu iki fotonun kurşun cam kalorimetrede bıraktığı izden geriye doğru hesaplama yapıyor.
Deneyin özgün yanı dedektör yerleşimi. Kalorimetre tek parça halinde demetin önüne konmak yerine ikiye bölünüp demet ekseninin iki yanına yerleştirildi ve aralarında birkaç santimetre boşluk bırakıldı. Demet bu boşluktan geçiyor, dedektöre hiç girmiyor. Böylece demetin yarattığı yoğun gürültü devre dışı kalırken, nötr pionun iki yana giden fotonları iki ayrı kulede ayrı ayrı yakalanabiliyor.
Veri analizi sürüyor; sinyalin arka plandan ayrılmasında ve parçacık kimliklendirmede makine öğrenmesi kullanılıyor. Takım, 17 Ekim’de ODTÜ Homecoming Bilim Şenliği’nde deneyi anlattı. PionIST ekibiyle deneylerini ve CERN’de geçirdikleri günleri konuştuk.
PionIST nasıl bir araya geldi?
Ekip, Millî Eğitim Bakanlığı’na bağlı ARGEM Lisesi bünyesinde kuruldu. Aynı çatı altında üç ayrı takım oluştu ve her biri kendi deney önerisini geliştirdi. Üyeler tek bir okuldan değil, dört farklı liseden geliyor: Hüseyin Avni Sözen Anadolu Lisesi, Validebağ Fen Lisesi, ARGEM ve Doğan Cüceloğlu Fen Lisesi. Yarışmaya üç danışman öğretmenle birlikte hazırlandık.
Bir araya getiren şey yarışmanın kendisiydi. Beamline for Schools size çözülecek bir soru vermiyor, “demet hattımız şu, ne yapmak istersiniz” diye soruyor. Üç ayrı öneri aylar süren bir çalışmayla olgunlaştırıldı. Sonunda önerilerden biri dünya birincisi oldu, bir diğeri kısa listeye kaldı.
Nötr pion nedir, onu ölçmek neden önemli?
Nötr pion, protonları ve nötronları çekirdekte bir arada tutan kuvvetle ilişkili parçacıklardan biri. Hızlandırıcıda bir demet bir hedefe çarptığında bol miktarda üretiliyor, ama ömrü o kadar kısa ki hiçbir ölçüm aleti onu doğrudan göremiyor. Bozunurken geriye iki foton bırakıyor ve elinizde kalan tek şey bu.
Deneyimiz pion hakkında yeni bir şey keşfetme iddiasında değil. Cevap aradığı soru şu: bu kadar gürültülü bir ortamda, bu kadar zayıf bir sinyali temiz ölçmenin pratik bir yolu var mı. Yani sorumuz bir parçacık sorusundan çok bir ölçüm sorusu.
Deney önerinizin dayanağı neydi?
Dayanak basit bir gözlemdi. Nötr pionun iki fotonu birbirinden belli bir açıyla ayrılıyor, demet ise tek bir doğrultuda ilerliyor. Bu fark, dedektörü demetin yoluna koymadan fotonları yakalamayı mümkün kılıyor.
Kalorimetreyi ikiye bölüp demeti aradaki boşluktan geçirme fikri nasıl doğdu?
Fikir doğrudan problemin kendisinden çıktı. Demet saniyede binlerce parçacık taşıyor ve neredeyse tamamı aradığımız şey değil. Kalorimetreyi klasik şekilde demetin karşısına koyduğunuzda, aradığınız iki zayıf foton bu kalabalığın altında kalıyor. Hoparlörün hemen yanında fısıltı duymaya çalışmak gibi.
Bu noktada iki yol var: kaydedilen her şeyi sonradan yazılımla ayıklamak, ya da gürültünün dedektöre hiç girmemesini sağlamak. İkincisini denedik. Kalorimetreyi ikiye ayırıp iki kuleyi demet ekseninin sağına ve soluna yerleştirdik, aralarında birkaç santimetrelik bir boşluk bıraktık. Demet bu boşluktan geçip gidiyor ve dedektöre hiç girmiyor.
Bu yerleşimle neyi kazandınız, neyi göze aldınız?
Kazancımız, demetin yarattığı gürültünün ölçümün tamamen dışında kalması oldu. İkinci kazanç, iki fotonun birbirine karışmadan iki ayrı kulede bağımsız ölçülebilmesi.
Göze aldığımız şey veri kaybı. Boşluk ne kadar genişse pionların o kadar büyük kısmının fotonları oradan kaçıyor ve ölçecek olay kalmıyor. Daraltmak da riskli, çünkü bu sefer demetin kenarı dedektöre değiyor. Kazanç ile kayıp aynı parametreye bağlı.
Doğru aralığı bulmanın tek yolu deneyi önce bilgisayarda kurmaktı. GEANT4 ile farklı boşluk genişlikleri, farklı mesafeler ve farklı hedef malzemeleri için simülasyonlar koşturduk ve kurulumun ne olacağına oraya gitmeden karar verdik.
Deneyi CERN’de bizzat gerçekleştirmek nasıl bir deneyimdi?
Deneyi 11 ile 25 Ağustos arasında, on beş günlük bir programla T9 demet hattında gerçekleştirdik.
Kâğıt üzerinde bir deney tasarlamakla onu kurmak arasındaki fark, kabloların, hizalamanın ve zamanın gerçek olması. Simülasyonda bir parametreyi değiştirmek bir satır, demet hattında aynı şey saatler alıyor. Bir de ikinci deneme hakkınız yok, demet zamanı ölçülü ve geri gelmiyor.
CERN’deki günleriniz nasıl geçiyordu?
On beş gün boyunca sürecin tamamında yer aldık. Program kabaca üç aşamalıydı: düzeneğin kurulumu ve hizalanması, demetle veri alımı, bu sırada toplanan verinin ilk analizi.
Deneyi kuran, çalıştıran ve veriyi alan biz olduk. Bir lise ekibi için en değerli kısmı buydu.
Veri analizinde şimdiye kadar ne gördünüz?
Analiz hâlâ sürüyor, bu yüzden sayısal sonuçları henüz paylaşmıyoruz. Bulgular bir hocamızın incelemesinden geçiyor.
Makine öğrenmesini iki adımda kullanıyoruz. Birincisi sinyalin arka plandan ayrılması, yani bir olayın gerçekten aradığımız türden olup olmadığına karar vermek. İkincisi parçacık kimliklendirme, yani dedektöre düşen şeyin ne olduğunu ayırt etmek. Sonuçlar tamamlandığında paylaşmayı planlıyoruz.
Okulunuzun ve öğretmenlerinizin payı neydi, nerede kendi başınıza kaldınız?
Okulun payı en çok zaman ve çerçeve olarak oldu. Aylar süren bir proje çalışmasına yer açan bir yapı olmasaydı bu iş yürümezdi. Üç danışman öğretmenimiz süreç boyunca bizimle çalıştı.
Kendi başımıza kaldığımız yer işin teknik çekirdeğiydi. Nötr pionun nasıl ölçüldüğünü, kalorimetrenin nasıl çalıştığını, simülasyonun nasıl kurulduğunu yol boyunca kendimiz öğrendik.
Benzer bir deneyin Türkiye’de yapılabilmesi için ne gerekir?
Gereken şeylerin bir kısmı zaten var. GEANT4 gibi simülasyon araçları ücretsiz ve herkese açık, literatürün büyük kısmı erişilebilir. Asıl eksik olan genelde fiziksel imkân değil, aylar sürecek bir proje çalışmasına okul içinde yer açılması ve öğrencinin yanında duran bir danışman öğretmen. Bu ikisi olduğunda geri kalanı öğrenilebiliyor.
Benzer hayaller kuran gençlere neler tavsiye edersiniz?
Yarışmaya başvurduğumuzda parçacık fiziği bilen bir ekip değildik. Bu yüzden en yaygın hatanın “önce yeterince öğreneyim, sonra başvururum” diye beklemek olduğunu düşünüyoruz. Öğrenme başvurudan sonra başlıyor.
İkincisi, küçük ve net bir soru seçmek. Bizim deneyimiz evrenin tamamını açıklamıyor, tek bir parçacığı daha temiz görmenin bir yolunu deniyor. Büyük projeler genelde büyük sorulardan değil, iyi tanımlanmış küçük sorulardan çıkıyor.
Üçüncüsü, çalışmayan şeyleri saklamamak. Bilimsel sürecin büyük kısmı işe yaramayan denemelerden oluşuyor ve neden işe yaramadığını anlamak asıl ilerlemeyi sağlayan şey.
Beamline for Schools her yıl açılıyor ve başvuru ücretsiz. Gereken tek şey, sorulmaya değer bir soru bulmak.
