PARÇAÇIK HIZLANDIRICILARI: DÜN, BUGÜN, YARIN

Transkript

1 PARÇAÇIK HIZLANDIRICILARI: DÜN, BUGÜN, YARIN S. Sultansoy Gazi Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, Teknikokullar, Ankara, Türkiye Azerbaycan Elmler Akademiyası, Fizika İnstitutu, H. Cavid prospekti 33, Bakı, Azerbaycan ÖZET 21.Yüzyılın ~10 jenerik teknolojisinden biri olan Parçacık Hızlandırıcıları, temel parçacık fiziğinden moleküler biyolojiye, nükleer fizikten tıpa, izotop üretiminden gıda sterilizasyonuna, enerji üretiminden anjiyografiye, malzeme biliminden savunma sanayiye, polimer kimyasından arkeolojiye kadar bilim ve teknolojinin yüzlerce alanında kullanılmaktadır. Temel parçacık fiziği araştırmaları bakımından hızlandırıcılar iki ana sınıfa ayrılıyor: TeV skalasının incelenmesine yönelik hızlandırıcılar ve parçacık fabrikaları. Birinci sınıfa ait hızlandırıcılar listesine hadron çarpıştırıcıları (Tevatron, LHC, VLHC), lineer elektron-pozitron çarpıştırıcıları (TESLA, JLC, CLIC), muon çarpıştırıcıları ve linak-halka tipli elektron-hadron çarpıştırıcıları dahildir. İkinci sınıf ise daha düşük enerjili B (KEK-B, PEP-B), c-τ ve ϕ (DAΦNE, TAC) fabrikalarını içeriyor. Uygulamalı araştırmalar bakımından da parçacık hızlandırıcılar iki ana sınıfa ayrılabilir. Birinci sınıf Sinkrotron Işınımı Kaynaklarını ve Serbest Elektron Lazerlerini içeriyor. İkinci sınıfa ise proton ve iyon hızlandırıcıları ile birlikte, hızlandırılmış protonların durgun hedef ile çarpıştırılması sonucu oluşan ikincil demetler dahildir. Bugün dünyada uygulamalı araştırmalara, teknolojik ve tıbbi uygulamalara yönelik den fazla hızlandırıcı çalışmaktadır. Son yıllarda geliştirilen hızlandırıcıya dayalı yeni tip nükleer reaktörler hem güvenlik (Çernobıl türü kazalar prensip olarak imkansızdır), hem de çok düşük radyasyon kirlilik (birim enerji üretiminde çevreye aktarılan radyasyon kömür santrallerinin altındadır) bakımından büyük öneme sahiptir. Ülkemiz açısından en önemli özellik ise nükleer yakıt olarak Toryumun kullanılabilirliğidir. 1. GİRİŞ Yüksek Enerji Fiziği (YEF) 21. yüzyılın ~15 öncelikli AR-GE alan listesinin ön sıralarında yer almaktadır. Parçacık Hızlandırıcıları ise 21. yüzyılın ~10 jenerik teknolojisinden biridir. Maalesef, ülkemiz bu alanlarda gerek yetişmiş insan gücü, gerekse bu alana ayrılan kaynaklar açısından gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerin çok gerisinde kalmıştır. Avrupa Birliği ortalaması göz önünde tutularak, 65 milyon nüfuslu Türkiye de, YEF in ana alanlarında olması gereken ve mevcut doktoralı eleman sayıları Tablo 1de verilmiştir. YEF ve Parçacık Hızlandırıcıları alanına ayrılması gereken kaynak miktarına gelince, gelişmiş ülkelerde oluşmuş standartlara göre toplam AR-GE harcamalarının: %7-20 si Temel Araştırmalara (bunun da %10 u YEF alanına), %20-40 ı Uygulamalı Araştırmalara (bunun da %10 u parçacık hızlandırıcılarına dayalı uygulama ve teknolojilere) ayrılmalıdır yılında OECD tarafından yayınlanan Türkiye de Bilim... raporuna göre, ülkemizde yıllık AR-GE harcamaları ~1.5 Milyar $ idi. Yukarıdaki oranlar dikkate alınırsa Türkiye 1993 yılında Yüksek Enerji Fiziğine ~15 Milyon $, Parçacık Hızlandırıcılarına ~30 Milyon $ harcamalı idi. Gerçekte ise bu alanlara harcanmış miktar ~150 bin $ olmuştur. Bu oranlar ve rakamlar göstermektedir ki ülkemiz bu stratejik alanlarda oluşan açığı kapatmak için daha fazla gecikmeden gereken adımları atmak zorundadır. Atılması gereken adımlarla ilgili görüşlerimiz bu konuda ülkemiz için ilk fizibilite çalışması olan Parçacık Hızlandırıcıları: Türkiye de Neler Yapılmalı isimli Devlet Planlama Teşkilatı projesinin Öneriler kısmında verilmiştir [1]. Proje çerçevesinde önerdiğimiz Ulusal Hızlandırıcı Kompleksinin (Turkic Accelerator Complex [2]) ana kısımları ve bu komplekste yürütülebilecek temel ve uygulamalı araştırmalar, Proje Sonuç Raporunun detayları, Dünyadaki büyük ve orta

2 çaplı hızlandırıcıların listesi ve hızlandırıcı fiziği ile ilgili çeşitli bilgiler grubumuzun Web sayfasında bulunmaktadır [3]. Kamuoyunda parçacık hızlandırıcıları daha çok CERN [4], FNAL[5], SLAC [6], DESY [7] ve KEK [8] gibi öncelikle temel araştırmalara yönelik olarak kurulmuş dev komplekslerle bağlanmaktadır. Oysa hızlandırıcıların büyük kısmı sınai, uygulamalı araştırmalar ve tıpta kullanmaktadır. Gerçek durum Profesör Ugo Amaldi nin EPAC2000 de (iki yılda bir yapılan ve binlerce katılımcısı olan Avrupa Parçacık Hızlandırıcıları Konferansları serisi) sunduğu açılış konuşmasından [9] aldığımız Tablo 2 den anlaşılabilir. Nükleer ve parçacık fiziğinde temel araştırmalar dışında parçacık hızlandırıcılarından alınan birincil ve ikincil demetlerin kullanımı iki ana hatta ayrılabilir: 1. Fiziksel, kimyasal ve biyolojik örneklerin parçacık demetlerini kullanarak incelenmesi. Örnek olarak µsr gösterilebilir. 2. Maddenin fiziksel, kimyasal ve biyolojik özelliklerinin modifikasyonu. Örnek olarak iyon implantasyonu gösterilebilir. Bir sonraki bölümde nükleer ve parçacık fiziğinde kullanılan hızlandırıcılar incelenecek ve önümüzdeki yıllarda kurulması planlanan çarpıştırıcılar tartışılacaktır. Üçüncü bölüm parçacık hızlandırıcıların diğer ana kullanım alanlarına ayrılmıştır. Bir sonraki bölümde Türk Hızlandırıcı Kompleksi tartışılmaktadır. Beşinci bölüm hızlandırıcıların enerji üretiminde kullanım imkanları ile ilgili son gelişmelere ayrılmıştır. Son olarak altıncı bölümde hızlandırıcı teknolojileri alanında Ulusal Program ile ilgili bazı öneriler sıralanmıştır. 2. TEMEL ARAŞTIRMALAR (PARÇACIK FİZİĞİ VE NÜKLEER FİZİK) İlk parçacık hızlandırıcılarının 1930 larda kurulmasına rağmen 1950 lere dek temel parçacıklarla ilgili önemli buluşlar kozmik ışın deneylerinde elde edilmiştir (örneğin, muonun ve acayip parçacıkların bulunması). Bunun ana nedeni o zamanki hızlandırıcılarda ulaşılabilen enerjilerin düşük olması idi. Bu enerjilerin yükselmesi ile (her on yılda yaklaşık on kat artış) ve özellikle çarpıştırıcıların kurulması sonucunda hızlandırıcılar maddenin yapıtaşlarını, onların özelliklerini ve etkileşmelerini inceleyen en önemli aygıtlar durumuna geldi. Bugüne dek hızlandırıcılar vasıtası ile elde edilen bulgulardan bazıları: BNL de elektron ve muon nötrinolarının farklı parçacık olduğunun ispatlanması, SLAC da hadronların kuark-parton yapısının bulunması, çeşitli hızlandırıcı merkezlerinde τ-leptonun, c ve b kuarklarının bulunması, CERN Spp(bar)S de zayıf etkileşmelerin taşıyıcısı olan W ve Z bozonlarının keşfi, DESY PETRA da kuvvetli etkileşmelerin taşıyıcısı gluonların doğada mevcut olduğunun ispatlanması, ve son olarak FNAL Tevatron da t kuarkın keşfi (ki bunun kütlesi Lutetium çekirdeğinin kütlesi mertebesindedir, yani 175 protonun toplam kütlesinden daha büyüktür!) Enerji Ön Cephesi (Energy Frontiers) Bugüne dek yapılmış olan yüzlerce deney Standart Modelin ( SM = kuantum renk dinamiği + elektrozayıf teori) 100 GeV skalasına dek geçerli olduğunu ispatlamıştır. Öte yandan SM düzeyinde temel parçacık sayısının çokluğu (6 lepton, 3 6 kuark, foton, W-bozon, Z-bozon, 8 gluon ve Higgs bozonu), çok sayıda serbest parametrenin mevcutluğu (kütleler ve karışımlar) ve diğer nedenlerden dolayı Standart Modelin son aşama olmadığı, en azından bir yeni yapı düzeyi (preonlar?) olması gerektiğini göstermektedir. Bu yeni düzeye ulaşabilmemiz için bugün elde ettiğimiz enerjilerin üzerine çıkmak zorundayız. Alt-süreç düzeyinde TeV skalasına ulaşmanın dört yolu mümkündür: i) Hadron çarpıştırıcıları ii) Lineer elektron-pozitron çarpıştırıcılar iii) Muon çarpıştırıcıları iv) Linac-halka tipli lepton-hadron çarpıştırıcıları. Hadron çarpıştırıcıları. Bugün ulaşılan en yüksek enerji FNAL (ABD) da çalıştırılan Tevatron da elde edilmiştir. Burada TeV enerjili protonlarla antiprotonlar çarpıştırılmaktadır: kütle merkezi enerjisi s = 2 TeV ve ışınlık L = cm -2 s -1 dir. Önümüzdeki senelerde ışınlık değerinin bir mertebe artırılması söz konusudur. Protonların kuark ve gluonlardan oluştuğunu göz önünde tutarsak alt süreçlerde ulaşılan etkin enerji GeV mertebesindedir. CERN de kurulmakta olan LHC de zıt yönde hızlandırılan iki proton demeti çarpıştırılacak: s = 14 TeV ve L = cm -2 s -1 dir yılında çalıştırılması planlanan LHC de çeşitli çekirdek demetlerinin de çarpıştırılması planlanmaktadır. LHC nin öncelikli amaçları arasında temel parçacıkların kütlesinden sorumlu Higgs parçacığının ve maddenin yeni durumu olan kuark-gluon plazmasının bulunması sayılabilir. Aynı zamanda LHC enerjilerinde çok sayıda yeni parçacık ve etkileşmenin keşif edilmesi de söz konusudur. Burada yapılacak dört büyük deneyin ikisinde (ATLAS ve CMS) Türk gruplarının da iştirak etmesi sevindiricidir. Daha yüksek enerjilere

3 gelince, YEF camiasında kütle merkezi enerjisi 100 TeV mertebesinde olacak VLHC projesi tartışılmaktadır. Lineer elektron-pozitron çarpıştırıcıları. Lepton çarpışmalarında en yüksek enerji ( s = 0.2 TeV) CERN LEP de elde edilmiştir. Aynı tünelde (uzunluğu 28 km) LHC çarpıştırıcısının kurulması nedeni ile LEP çarpıştırıcısı 2000 yılında de monte edilmiştir. Halka tipli elektron hızlandırıcılarında sinkrotron ışınımı nedeniyle oluşan büyük enerji kaybından dolayı yeni elektron-pozitron çarpıştırıcıları lineer şekilde tasarlanmaktadır. Bu projeler arasında en gelişmişi 2010 yılında DESY de kurulması planlanan TESLA dır: s = 0.5 TeV ve L = cm -2 s -1. Daha sonraki aşamada hem enerji hem de ışınlığın artırılması düşünülmektedir. Lineer lepton çarpıştırıcıların diğer önemli özelliği de onların bazında fotonlepton ve foton-foton kurulması imkanıdır. Sevindiricidir ki, TESLA nın foton çarpıştırıcısı opsiyonun ile ilgili çalışmalarda Türk bilim adamları da iştirak ediyor. Daha yüksek enerjilere gelince, CERN de CLIC ( s = 3 TeV ve L = cm -2 s -1 ) çarpıştırıcısı incelenmektedir ve bunun fizik araştırma programi ile ilgili çalışmalara Türk bilim adamları da katılmaktadır. Muon çarpıştırıcıları. Muonun yasama müddetinin nispeten uzun olması ( s) ve Lorentz uzama faktörü (1 TeV lik muonlar için yaklaşık 10 4 ) muon demetinin hızlandırılıp zıt yönde hızlandırılmış muon veya antimuon demeti ile çarpıştırılması imkanını sağlayabilir. Konu ile ilgili çok sayıda teknik problem çözülür ise (ki bunların bazıları, örneğin yeterli sayıda muon üretimi ve muon demetinin soğutulması, yeni teknolojik gelişme gerektiriyor) önümüzdeki yıllarda muon çarpıştırıcılarının kurulması ciddi şekilde gündeme gelebilir. Bugün gelinen noktada konu ile ilgili üç aşama düşünülmektedir: nötrino fabrikası (burada en zayıf nokta olan soğutma o kadar da kritik değil), GeV lik Higgs fabrikası ve 3 TeV lik HEMC (Yüksek Enerjili Muon Çarpıştırıcısı). Zamanlamaya gelince, ilk aşama bele 2010 yılından önce düşünülmüyor. Linac-halka tipli lepton-hadron çarpıştırıcıları. Lepton-hadron çarpışmalarında ulaşılan en yüksek enerji ( s = 0.3 TeV) DESY HERA da elde edilmiştir. Bugün bu çarpışmalarda TeV skalasına ulaşmanın en etkin yolu olarak lineer hızlandırıcılardan alınan elektronlarla halka tipli hızlandırıcılardaki hadronların çarpıştırılması gözüküyor (LEP in de monte edilmesi ile LEP*LHC gündemden düşmüştür). Türk bilim adamları linak-halka tipli çarpıştırıcılar konusunda yapılan araştırmalarda ön safhalarda yer almaktadır. Bunun bir göstergesi de bizim THERA projesinde yer almamızdır [10] yılında kurulması düşünülen THERA çarpıştırıcısı ep opsiyonu ( s = 1 TeV ve L = cm -2 s -1 ) ile birlikte, γp, ea ve γa opsiyonlarını da içermektedir. Bir sonraki aşama olarak CERN LHC ye teğet olarak lineer elektron hızlandırıcısının kurulması düşünülebilir. Bu konuda CERN hızlandırıcı fizikçileri ile ortak çalışmalarımız gündemdedir. Linac*LHC çarpıştırıcısı da ep opsiyonu ( s = 5 TeV ve L = cm -2 s -1 ) ile birlikte γp, ea ve γa opsiyonlarını da içermektedir Parçacık Fabrikaları (Particle Factories) Temel parçacıkların ve etlileşmelerin bazı özelliklerin incelenmesi nispeten düşük enerjili ama aynı zamanda yüksek ışınlığa sahip (incelenen olay sayısında yüksek istatistiklere ulaşmak için) tasarımların gerçekleştirilmesini gerektiriyor. Bu tasarımlara genelde parçacık fabrikaları deniyor ve bunları üç sınıfa ayırmak olur: i) halka-halka tipli lepton çarpıştırıcıları ii) linak-halka tipli lepton çarpıştırıcıları iii) proton demetinin durgun hedefle çarpıştırılması Halka-halka tipli çarpıştırıcılar. Bugün dünyada biri SLAC ta diğeri KEK de olmak üzere iki asimetrik (elektron ve pozitron enerjileri farklı olan) B fabrikası çalışmaktadır. Ana parametreleri s = 10 GeV ve L = cm -2 s -1 olan B fabrikalarının amacı B-mezonların bozunumunda CP simetrisinin kırılmasını incelemektir. Üçüncü parçacık fabrikası Fraskati (İtalya) da kurulmuş DAΦNE dir: s = 1 GeV ve L = cm -2 s -1. Halen tasarlanmış ışınlık değerine ulaşamayan DAΦNE de çok sayıda acayip parçacık üretilmektedir. Dünyanın çeşitli YEF merkezlerinde bir sıra yeni fabrikanın kurulması gündemdedir. Linak-halka tipli lepton çarpıştırıcıları. Bu konuda ilk örnek olan, SLAC ve CERN de geliştirilen linak-halka tipli B fabrikası projesi [11] bir önceki paragrafta belirttiğimiz halka-halka tipli B fabrikaların çalıştırılması ile güncelliğini kaybetmiş durumdadır. Daha düşük enerjili c-τ fabrikası [12] güncelliğini korurken, grubumuz araştırmalarını TAC projesinin [1-3] ilk aşaması olarak daha da düşük enerjiye sahip φ fabrikasına yöneltti. Proton demetinin durgun hedefle çarpıştırılması Burada öncelikle DESY de çalışmakta olan HERA- B ve CERN de yapılması planlanan LHC-B belirtilmelidir. Daha hafif parçacıkların üretimine örnek olarak Kanada da çalıştırılan TRIUMPH kompleksi gösterilebilir. Bu tür deneyler daha çok

4 temel parçacıkların nadir bozunumlarını incelemeye yöneliktir. Son yıllarda nötrino salınımlarını incelemek amacı ile yeni yoğun akılı proton hızlandırıcıları tasarlanmaktadır. 3. PARÇACIK HIZLANDIRICILARIN UYGULAMA ALANLARI Bu bölümde hızlandırıcıların nükleer ve parçacık fiziği dışında kullanım alanlarının bazılarını sıralayacağız. Tablo 1 den de gördüğümüz gibi bugün dünyada çalışan hızlandırıcının yarısı sanayide kullanılmaktadır. Bunların en yaygını mikro-elektronik alanında yarıiletken aletlerin yapımı için kullanılan iyon implantatorlardır. Bir diğer yaygın kullanım alanı da kimya sınaisinde polimerlerin modifikasyonudur. Burada yüzey modifikasyonu için kullanılan hızlandırıcılardan da bahis etmek gerekiyor ve s. Sayısal bakımdan ikinci sırada tıp alanında kullanılmakta olan hızlandırıcılar geliyor. Bunların en yaygını tümör tedavisinde kullanılan elektron linaklardır. İkinci ve üçüncü sırayı izotop üretimi için kurulmuş siklotronlar ve tümör tedavisinde kullanılan proton hızlandırıcıları tutuyor. Sonuncularla ilgili önümüzdeki yıllarda beklenen çok önemli bir gelişme olarak tümör tedavisinde kullanılacak hafif çekirdek hızlandırıcılarını belirtmemiz gerekiyor. Malzeme bilimi, kimya, biyoloji,... alanlarında temel ve uygulamalı araştırmalara yönelik hızlandırıcıları iki sınıfa ayırabiliriz: - sinkrotron ışınımı kaynakları ve serbest elektron lazerleri - hadron (proton ve çekirdek) hızlandırıcıları ve bunlardan alınan ikincil demetler (nötron, mezon, muon ve s.) Birinci sınıfla ilgili en önemli gelişme SASE SEL ile ilgilidir. DESY de kurulan TTF SEL önümüzdeki sene dünya bilim camiasının hizmetine sunulacaktır. Burada elde edilen pik parlaklık diğer yöntemlerle elde edilenin çok üzerindedir. Hem bançların hem de onların arasındaki mesafenin çok kısa olması (sırasıyla, 100 fs ve 10 ns) fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçlerin dinamiğini incelemeye imkan sağlayacaktır. İkinci sınıfla ilgili KEK de kurulmakta olan JHF (Japan Hadron Facility) hızlandırıcısını ve Avrupa da kurulması planlanan ESS (European Spallation Source) ve AUSTRON projelerini belirtebiliriz. 4. TAC: TÜRK HIZLANDIRICI KOMPLEKSİ Giriş kısmında belirttiğimiz gibi Türkiye ve Türk Dünyası parçacık hızlandırıcıları alanında çok geri kalmıştır ve gelişmiş ülkelerle oluşan açığı kapatmak için acil adımlar atmak zorundayız. Mevcut durumun nedenlerini belirlemek ne kadar önemli olsa da, atılması gereken adımları belirlemek bundan çok daha önemlidir. Elbette, TAEK in projeleri (alınmış elektron hızlandırıcısı ve ihale aşamasında olan siklotron) acil olarak gerçekleştirilmelidir. Ama Japonya ve Güney Kore gibi ülkelerin deneyimi göz önüne alınırsa bu hiç de yeterli değil. Mutlaka parçacık hızlandırıcıları alanında Ulusal Program hazırlanmalıdır ve Ulusal Hızlandırıcı Laboratuarı bu programın olmazsa olmaz kısmını oluşturuyor. Türk Hızlandırıcı Kompleksi [1-3] önerisini hazırlarken birkaç kriteri göz önünde tutuyorduk: - imkan dahilinde hızlandırıcı teknolojisinin en önemli kısımlarını kapsanmalıdır - hem uygulamalı hem de temel araştırmalar yapma imkanı sağlanmalıdır - kompleksin kurulmasının maliyeti yeterince düşük olmalıdır - araştırma potansiyeli bilim camiasının dikkatini çekecek düzeyde olmalıdır. Fizibilite çalışmasını 2000 yılında tamamladığımız TAC kompleksi iki ana kısımdan oluşacaktır: linakhalka tipli elektron-pozitron çarpıştırıcısı ve orta enerjili proton hızlandırıcısı. Birinci kısımda hem temel hem de uygulamalı araştırmaların yapılması öngörülmektedir. Temel araştırmalar halkada hızlandırılmış pozitronlarla linakta hızlandırılmış elektronların çarpıştırılacağı bölgede yerleştirilen detektör vasıtası ile yapılacaktır. Kütle merkezi enerjisi φ-mezonun kütlesine eşit olarak ayarlanmış ve ulaşılabilecek ışınlık değerinin cm -2 s -1 in üzerinde olduğu gösterilmiştir. Böylece burada elde edilecek K mezon istatistiği DAΦNE nin iki mertebe üzerinde olacaktır, diğer sözle sonuncunun 10 yılda elde ettiği sonuçları TAC φ fabrikası bir haftada elde edecektir. CP-kırınımının ve acayip parçacıkların nadir bozunumlarının incelenmesi konularında TAC φ-fabrikasının sunacağı imkanlar şimdiden YEF camiasının dikkatini çekmeye başlamıştır. Uygulamalı araştırmaların pozitron halkası bazında kurulacak sinkrotron ışınımı kaynakları ve elektron linakı bazında kurulacak serbest elektron lazeri kullanılarak yapılacağı düşünülmektedir. Elde edilecek parametreler moleküler biyoloji, kimya ve malzeme bilimi alanlarında önemli araştırmaların yapılabileceğini göstermektedir. İkinci kısımda hem doğrusal (linac) hem de halka tipli (sinkrotron) proton hızlandırıcılarının kurulması öngörülüyor. Bu kısmın araştırma

5 potansiyeli JHF nin 3 GeV lik kısmı ile kıyaslanabilir durumdadır. İkincil demetlerle ilgili ilk aşamada nötron ve muon bölgelerinin kurulması planlanmaktadır. Kompleksin maliyetine gelince, birinci kısmın 150 milyon ikinci kısmın 100 milyon dolara mal olacağı tahmin edilebilir. Kompleksin kurulmasının tahminen 10 yıl süreceği göz önünde tutulur ise, TAC ın kurulma aşamasında yıllık 25 milyon dolar kaynak gerekecektir (bu rakam giriş bölümünde Türkiye nin 1993 yılı AR-GE harcamaları baz alınarak hızlandırıcı konularına harcanması gereken miktarın bile altındadır). Kurulma aşamasından önce 2-3 yıllık genel tasarım çalışması (maliyeti 2-3 milyon dolar) ve 2-3 yıllık teknik tasarım çalışması (maliyeti 5-6 milyon dolar) yapılmalıdır. Böylece, eğer TAC projesi devletimiz tarafından kabul edilirse, 2015 yılında Türk Dünyası ileri düzey orta çaplı bir hızlandırıcı kompleksine sahip olacaktır. TAC ile ilgili çalışmalar dünyanın önde gelen hızlandırıcı laboratuarlarında çalışan bilim adamları ile sıkı bir işbirliği gerektiriyor. Bugün grubumuz DESY hızlandırıcı fizikçileri ile çeşitli konularda ortak çalışmalar yürütmektedir ve CERN hızlandırıcı fizikçileri ile (öncelikle Linac*LNC konusunda) ortak çalışmalara başlama aşamasındadır. Ciddi devlet desteği sağlanırsa, KEK, SLAC, FNAL, BESSY gibi laboratuarlarla da temas kurulabilir. 5. PARÇACIK HIZLANDIRICILARI, TORYUM VE TÜRKİYE NİN ENERJİ PROBLEMİ Bu bölümde hızlandırıcıların enerji üretiminde kullanımı ile ilgili son gelişmeler incelenecektir. Önceden belirtmeliyim ki tüm opsiyonlarda Toryum anahtar rol oynayacaktır Energy Amplifier Toryum Nobel ödülü sahibi Prof. Dr. C. Rubbia nın önderliğinde bir grup fizikçi 1993 yılından itibaren CERN de yeni tip Nükleer Reaktör ile ilgili Energy Amplifier isimli bir proje geliştirmektedir [13]. Yoğun akımlı proton hızlandırıcısına dayalı olan bu yeni nükleer teknolojinin iki çok önemli avantajı var: Toryum gibi maddelerin nükleer yakıt olarak kullanılması ve zararlı atıkların çok az olması. Projenin fizibilite çalışması 1998 yılında sonuçlanmış ve yeni tip reaktörün prototipinin kurulması için uluslararası işbirliğinin oluşturulması aşamasına gelinmiştir. Örneğin, LEP hızlandırma üniteleri kullanılarak 1.5 GW gücüne sahip bir reaktörün kurulabileceği gösterilmiştir. Bu reaktörde yakıt olarak beş yıllık bir süre için 30 ton %90 ThO 2 ile %10 U 233 O 2 karışımının kullanılması öngörülüyor. Deneme reaktörünün 2005 yılına dek kurulması planlanmaktadır. Ülkemizde zengin Toryum yataklarının bulunduğunu göz önünde tutarak Türkiye nin bu çalışmalara katılmasının 21. yüzyılda enerji problemimizin çözülmesi yönünde önemli bir yatırım olacağını düşünmekteyiz. Projenin içeriği üç ana hattan oluşuyor: yoğun akımlı proton hızlandırıcısı, reaktör yapısı ve nükleer yakıt. i) Hızlandırıcı. Projenin hızlandırıcı kısmı üç parçadan oluşuyor: proton kaynağı, hızlandırma ve 18 hedef. Bugün 100 ma ( 10 p/s) civarında akımı olan proton kaynakları yapılabilir. Protonlar iki veya üç aşamada hızlandırılıyor. Ana hızlandırıcı olarak Linak veya Siklotron kullanılabilir. Gereken akı 30 ma, enerji 1 GeV civarındadır. Hızlı nötronların oluşumu hızlandırılmış protonların ağır nükleer hedef ile (örneğin Kurşun) çarpışması sonucu elde edilir. ii) Reaktör. Yeni tip nükleer reaktörün yapısı alışılmıştan çok farklı olacaktır. Hızlandırılmış proton demeti yaklaşık 30 m derinlikte yerleşen hedefle çarpıştırılarak hızlı nötronlar oluşturulacaktır. Bu nötronlar ise hedefin etrafına yerleştirilmiş Toryum yakıtı ile etkileşme sonucu enerji üretecektir. Böylece zincirleme reaksiyonu kullanan günümüzdeki reaktörlerden farklı olarak Çernobil türü kazalar prensip olarak imkansızdır: proton hızlandırıcısının durdurulmasından çok küçük bir süre sonra nükleer çevrim süreci bitmiş olacak. iii) Yakıt. Halen dünyamızda sadece Toryum için işletilen bir yatak yoktur. Yıllık 700 ton ThO 2 civarında olan dünya üretiminin tamamı monazit mineralinden yan ürün olarak elde edilmektedir. Ülkemizde Toryumun Eskişehir-Sivrihisar- Kızılcaören yöresindeki nadir toprak elementleri ve Toryum kompleks cevher yatağında bulunduğu bilinmektedir. Bu yatakta 380 bin ton görünür ThO 2 rezervi belirlenmiş olup, tenör %0.21 ThO 2 dir. MTA Genel Müdürlüğünün başlangıç çalışmalarına dayanan bu rakamların daha detaylı araştırmalarla iki katına çıkarılabileceği de tahmin edilmektedir. Konuyla ilgili son duruma gelince: Japonya lider olarak gözüküyor [8], onu ABD izliyor ve ardınca

6 Avrupa geliyor. Böylece, 2005 yılında üç prototip reaktörün kurulması ve 2010 yılından itibaren seri üretime geçilmesi öngörülebilir. Gelişmiş ülkelerin öncelikli amacı birikmiş nükleer atıkların ve Plutonyumun yakılmasıdır ve araştırmalar bu konuda yoğunlaşmıştır. Ayni teknoloji belli bir modifikasyon ile Toryumu nükleer yakıt olarak kullanma imkanı sağlayacaktır. Bu konuda araştırma yapmak dünyadaki Toryum rezervinin yaklaşık dörtte birini barındıran ülkemizde çalışan fizikçilerinin görevidir Muon Katalizorlü Füzyon Toryum Muonun kütlesi elektron kütlesinin yaklaşık 200 katı olduğu için µdt molekülünde döteryum ve trityum çekirdekleri arasındaki mesafe elektronlu moleküle nazaran 200 kat daha küçük olacak. Bunun sonucunda oda sıcaklıklarında bile döteryum-trityum füzyonu elde edilebilir [14]. Bir muonun katalize ettiği füzyon reaksiyonu sayısı muonun yaşam sureci (~2µs) ile sınırlıdır ve deneysel olarak ~150 civarındadır. Bir d+t füzyonunda oluşan enerji 17.6 MeV olduğundan, bir muonun katalize ettiği reaksiyonlarda ortaya çıkan toplam enerji 2640 MeV dir. İlk bakışta bu çok iyi bir sonuç gibi gözükse de, muon üretimi için gereken enerji göz önüne alındığında durum değişiyor. Bilindiği gibi muonlar π-mezonların bozunumundan elde ediliyor. Muon katalizörlü füzyonda negatif muonlar gerektiği için negatif π- mezon demeti oluşturulmalıdır, bunun da en etkin yolu GeV enerjisine dek hızlandırılmış döteryum demetinin durgun çekirdeklerden saçılma süreçleridir. Böylece muon elde etmek için sarf edilen enerji muon katalizörlü füzyondan elde ettiğimiz enerji ile kıyaslanabilir düzeydedir. Problem hibrid (füzyon-fizyon) reaktörler vasıtasıyla çözülebilir. Bu tür reaktörler ilk olarak manyetik füzyonu kullanılabilir hale getirmek için önerilmişti (bu konuda son durum için bak [15]). Döteryum-Trityum füzyonunda ortaya çıkan 14.1 MeV enerjili nötronlar 232 Th ve 238 U gibi çekirdekleri parçalayabiliyor ve bu fizyon süreçleri sonucunda çok sayıda ikincil nötronlar oluşuyor. Böylece hibrid reaktörler füzyon kısmında oluşan enerjinin katını üretmeye imkan sağlayabilir. Ülkemiz açısından önemli olan hibrid reaktör tipinin Muon Katalizörlü Füzyon Toryum Yakıtlı Fizyon olduğunu düşünüyorum. Muon katalizörlü füzyon ile ilgili son buluşlar [16] bu konuda önümüzdeki yıllarda epeyce canlanma olacağının bir göstergesidir Hızlandırılmış Döteron Demeti ile Füzyon Toryum Füzyon süreçlerini engelleyen en önemli faktör iki pozitif yüklü çekirdek arasında mevcut olan Coulomb itme kuvvetini aşma gereksinimidir. Bu problem Manyetik Füzyon reaktörlerinde çok yüksek sıcaklıklara ulaşılarak çözülmeye çalışılıyor, Muon Katalizörlü Füzyon yönteminde ise muonun ağır olması kullanılıyor. Bir başka çözüm olarak Döteron demetini ~MeV enerjisine dek hızlandırılarak Trityum hedefi ile çarpıştırılması düşünülebilir. Bu konuda çalışmalar AÜ-GÜ hızlandırıcı grubunda başlatılmıştır. İlk bulgular bu yöntemin de etkin olabilmesi için Toryumu fizyon yakıtı olarak kullanan hibrid reaktörün tasarlanması gerektiğini göstermektedir. Son teknolojik gelişmeler 2010 lu yıllardan itibaren hızlandırıcılara dayalı yeni nesil nükleer reaktörlerin geniş çapta kullanılacağını göstermektedir. Ülkemizde bulunan Toryum rezervi enerji üretimi bakımından trilyonlarca ton petrol rezervine eşdeğerdir. Bu nedenle Türk bilim adamlarının Japonya, ABD ve Avrupa da konu ile ilgili araştırmalara en kısa zamanda etkin bir şekilde katılması stratejik bir öneme sahiptir. 6. HIZLANDIRICI TEKNOLOJİLERİ ALANINDA ULUSAL PROGRAM Bu alanda ülkemizde gerçekleştirilecek faaliyetlerin kısa, orta ve uzun vadeli hedefleri de gözeterek bir ulusal program dahilinde gerçekleştirilmesi kaçınılmazdır. Örneğin, İspanya nın 80 li yıllarda Avrupa Birliği ne ve CERN e üyelik aşamasında uyguladığı ulusal YEF programı gibi. Böyle bir ulusal program, öncelikle bu alanda ihtiyaç duyulan bilgi birikimini sağlamaya, yetişmiş insan gücü açığını kapatmaya, bu alandaki deneysel ve uygulamalı araştırmaların ülkemizde de yapılmasını sağlayacak Ulusal Hızlandırıcı Kompleksinin [1-3] kurulmasına, dünyadaki ileri hızlandırıcı laboratuarları ile işbirliğini kurmaya ve etkin yürütmeye yönelik hedefleri içermelidir. Böyle bir programın uygulanmasının zorunluluğu, sadece hızlandırıcılar alanında 2010 yılında ihtiyaç duyulacak ~300 doktoralı, ~600 Mastırlı eleman yetiştirilmesi gereği dikkate alındığında kendiliğinden görülmektedir. Bu hedefe yönelik adımlardan biri olan Hızlandırıcı Fiziği Ana Bilim dallarının Fizik Mühendisliği ve altyapısı uygun Fizik Bölümlerinde oluşturulması ile ilgili öneri tarafımızdan 1998 yılında hazırlanmıştır. Ulusal programda, önümüzdeki yıllık süre içerisinde hayata geçirilecek tüm uygulamalar, bu uygulamaların ihtiyaç duyacağı mali yük ve bu yükün kaynağı detaylı bir şekilde yer almalıdır.

7 7. SONUÇ Gelişmiş ülkelerin deneyimi gösteriyor ki hızlandırıcı teknolojilerinde elde edilen başarılar bilim ve teknolojinin bir çok alanını etkilemekle birlikte sanayide de önemli atılımlara önayak olmaktadır. Cumhuriyetimizin 100. yılında muasır medeniyet seviyesinin üzerine çıkmak amacına gerçekten ulaşmak istiyorsak, hızlandırıcılar ve diğer jenerik teknolojiler ile ilgili etkin ulusal programlar hazırlayıp hayata geçirmek zorundayız. Benzer programlar temel araştırmaları kapsayan Yüksek Enerji Fiziği dahil çeşitli öncelikli AR-GE alanlarında da gerçekleştirilmelidir. Japon modelinin başarısı göz önünde tutularak tüm bu alanlarda kurulacak Ulusal Araştırama Enstitüleri ve Laboratuarların Ankara yakınlarında kurulacak bir Bilim Şehrinde yerleştirilmesi yatırımların en etkin şekilde kullanılmasına yol açacaktır. Gereken, 1995 Mevcut, 1995 Gereken, 2010 Fenomenoloji+Teorik YEF ~250 ~50 ~300 Deneysel YEF+Dedektör Fiziği ~450 ~30 ~600 Hızlandırıcı Fizikçisi ~200 ~0 ~300 Tablo 1. Avrupa standartları göz önünde tutularak 90 lı yıllarda Türkiye de YEF in ana alanlarında çalışması gereken Doktoralı eleman sayısı, gerçek sayılar ve 2010 yılında gereken sayıların tahmini. Çeşit Sayı İyon implantasyonu ve yüzey modifikasyonu 7000 Sanayide hızlandırıcılar 1500 Radyoterapi 5000 Tıbbi izotop üretimi 200 Hadronterapi 20 Sinkrotron ışınımı kaynakları 70 Nükleer ve parçacık fiziği 110 Diğer 1000 Toplam Tablo 2. Dünyadaki hızlandırıcılar. EPAC2000 de sunulan rakamlar. KAYNAKLAR 1. DPT-97K Parçacık Hızlandırıcılar: Türkiye de Neler Yapılmalı, Proje Sonuç Raporu, Aralık 2000, Ankara. 2. Ö. Yavaş, A.K. Çiftçi and S. Sultansoy, TAC Proposal for Fundamental and Applied Research, Proc. of the Seventh European Particle Accelerator Conference, EPAC 2000, June 2000, Austria Center, Vienna, p

8 U. Amaldi, The Importance of Particle Accelerators, Proc. of the Seventh European Particle Accelerator Conference, EPAC 2000, June 2000, Austria Center, Vienna, p P. Grosse-Wiesmann, Nucl. Instum. Meth. A 274 (1989) S. Sultansoy, Turkish J. Of Physics 17 (1993) 591; 19 (1995) C. Rubbia ve J.A. Rubio, CERN/LHC/96-11 (1996). 14. L.I. Ponomarev, Contemporary Physics 31 (1990) S. Şahin, A. Sözen ve S. Yılmaz, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 11 (1998) M.C. Fujiwara et al., Phys. Rev. Lett. 85 (2000) EK 1. KEK VE JAPON MÜCİZESİ Japonya da Yüksek Enerji Fiziği alanında gelişmelerin ülkenin genel kalkınma atılımının ayrılmaz parçası ve itici kuvveti olduğu aşağıda verilen kısa tarihçeden açık şekilde görülmektedir: Mayıs 1962 Japonya Bilim Konseyi yüksek enerjili proton hızlandırıcısının kurulmasını içeren ulusal yüksek enerji ve nükleer fizik programlarını desteklemeği hükümete önerdi Eylül 1963 Hükümet Tsukuba da 4000 ha arazisi olan Bilim Şehrinin kurulmasını karara bağladı Nisan 1964 Hükümet yüksek enerjili hızlandırıcılar ile ilgili temel araştırmalara bütçe ayırdı Nisan 1971 Ulusal Yüksek Enerji Fiziği Laboratuarı (KEK) ilk Üniversitelerarası Araştırma Enstitüsü olarak kuruldu Ağustos 1974 Enjektör Linak ta protonlar 20 MeV e kadar hızlandırıldı Aralık 1974 Booster Sinkrotron da protonlar 500 MeV e kadar hızlandırıldı Mart 1976 Ana Sinkrotron da protonlar 8 GeV e kadar hızlandırıldı Aralık 1976 Ana Sinkrotron da protonlar 12 GeV e kadar hızlandırıldı 1970 lerin sonu Japon Mücizesi Son yirmi yılda kurulmuş yeni hızlandırıcıları ile bugün KEK dünyanın en ileri 5 hızlandırıcı merkezi arasında yer almaktadır yılında Güney Kore (Japon modelini baz alarak) Bilim Kenti kurmayı karara aldı lerin sonu Kore Mücizesi. EK 2. DPT-97K : SONUÇ VE ÖNERİLER Projede ulaşılan sonuçlara göre orta çaplı bir yatırım ile bilim ve teknolojinin çeşitli alanlarına hitap edebilecek bir ulusal hızlandırıcı kompleksinin ana kısımları ve ulaşılması beklenen hedefler aşağıda sıralanmıştır: Linak-Halka tipli φ Fabrikası Asimetrik (linak-halka) bir elektron-pozitron çarpıştırıcısına dayalı olarak kurulacak φ fabrikasında L = cm -2 s -1 ışınlık değeri ile bir çalışma yılında K + K mezon çifti ve K 0 0 L K S çifti üretilerek yük-parite simetrisinin kırılması ve K mezonların nadir bozunumları gibi problemler dünyadaki mevcut tek φ fabrikası olan DAΦNE ye (Fraskati-İtalya) göre 100 kat daha zengin olay sayısı ile çalışılabilecektir ve TAC φ fabrikası ülkemizde kurulu ilk deneysel parçacık fiziği laboratuarı olacaktır. Sinkrotron Işınımı Laboratuarı 1 (2) GeV lik pozitron halkası üzerinde yerleştirilen uygun zigzaglayıcı (wiggler) magnetler kullanılarak elde edilecek sinkrotron ışınımı 3. nesil ışınım özelliklerine sahip olarak, başta fizik olmak üzere biyoloji, tıp, kimya, jeoloji v. b. alanlarda araştırma ve uygulama imkanları sunacaktır ve ülkemizdeki ilk sinkrotron ışınımı kaynağı olacaktır. Serbest Elektron Lazeri Laboratuarı 260 (130) MeV lik elektron demetinin uygun salındırıcı (undulator) magnetlerden geçirilmesi ile elde edilecek olan dalgaboyu ayarlanabilir, yüksek güç ve akı değerlerine sahip serbest elektron lazeri özellikle monokromatik ışınımların gerektiği geniş bir araştırma ve uygulama alanında kullanılacak ve ülkemizdeki ilk serbest elektron lazeri olacaktır. Proton Sinkrotronu 1 5 GeV enerjili olarak planlanan proton sinkrotronu MeV lik doğrusal bir ön hızlandırıcıdan ve ana sinkrotrondan oluşacaktır. İki noktadan elde edilecek proton demetleri ile nötron ve muon demetlerinin kullanıldığı deneysel bölgeler oluşturularak temel ve uygulamalı bilimlerin değişik alanlarında araştırmalar yapılacak ve ülkemizdeki ilk proton sinkrotronu olacaktır. Hızlandırıcılara dayalı yüzlerce teknolojik uygulamayı halkımızın hizmetine sunabilmenin, globalleşme ve çağdaşlaşmanın ön plana çıktığı 21. yüzyıl dünyasında saygın bir yer edinebilmenin,

9 beyin göçünü tersine çevirebilmenin, ilgili konulardaki gelişmeleri takip ederek bu alanda dünyaca muhatap kabul edilebilmenin olmazsa olmaz koşullarından birisi olarak kabul edilmesi gereken ve somut bir kalkınmışlık göstergesi sayılacak olan Ulusal Hızlandırıcı Laboratuarı kompleksine kavuşabilmek için aşağıdaki önerilerin süratle hayata geçirilmesi gerekir: Bilim ve Teknoloji Bakanlığı kuruluncaya kadar Başbakanlığa bağlı olacak olan Ulusal Hızlandırıcı Merkezi (UMH) kurulmalıdır. Bu merkezde yapılacak çalışmalarda diğer Türk Cumhuriyetlerinin birikiminden aktif olarak yararlanmalıdır. Ülkemizdeki tüm Fizik Mühendisliği ve altyapısı uygun bulunacak bazı Fizik Bölümlerinde Hızlandırıcı Fiziği Anabilim Dalı açılarak konunun eğitimine ortam hazırlanmalıdır. Lisansüstü düzeyde Hızlandırıcı Fizikçisi yetiştirilmesi için TAEK-Üniversite işbirliği sağlanmalıdır. Kurulacak Ulusal Hızlandırıcı merkezi (Turkic Accelerator Center, TAC) gelişmiş hızlandırıcı laboratuarları (CERN, DESY, KEK, FNAL, SLAC v. b.) ile sıkı bir işbirliğine girmelidir. Bu projeyi hayata geçirmek için ikinci ve üçüncü adımı oluşturacak olan Ulusal Hızlandırıcı Merkezi Tasarım Projesi aşamaları (CDR ve TDR) için gerekli destek UHM kurulana kadar ülkemizin mevcut bilim ve planlama kuruluşları (TÜBİTAK, TAEK, DPT) tarafından sağlanmalıdır. Ülkemizce ilgi gösterilmiş ancak henuz hayata geçirilme çalışmaları süren SESAME (Ürdün) ve AUSTRON (Avusturya) projelerine aktif katılım sağlanarak bilgi ve beceri birikimi arttırılmalıdır. TAEK, TÜBİTAK ve DPT nin ortak desteği ile her yıl en az bir olmak üzere (ülkemizde bu alana destek sağlayabilecek sanayi kurumlarını da haberdar ederek), ulusal düzeyde ve bölgesel (uluslararası) düzeyde Parçacık Hızlandırıcıları Kongreleri düzenlenmeli ve gelişmeler değerlendirilmelidir. Türkiye Atom Enerji Kurumu (TAEK) tarafından gerçekleştirilecek küçük ölçekli Electron Beam ve Cyclotron projeleri hızlandırıcılar konusunda atılacak bir ilk adım olarak bir an evvel hayata geçirilmelidir. Ülkemiz gerekli altyapıyı oluşturarak mutlaka en yakın zamanda dünyadaki en büyük hızlandırıcı merkezi olan CERN e üye olmalıdır yılından itibaren DESY (Hamburg, Almanya) hızlandırıcı merkezi ile Ankara ve Gazi Üniversitelerinin Fizik bölümlerince yapılan ortak araştırmalara gereken destek verilmeli ve bilgi ve teknoloji transferi için somut adımlar atılmalıdır. Saygılarımızla sunulur, Proje Ekibi, Aralık 2000, Ankara Proje Ekibi: Yürütücü Üye Üye Üye Danışman : Doç. Dr. Ömer YAVAŞ : Doç. Dr. A. Kenen ÇİFTÇİ : Yrd. Doç. Dr. Metin YILMAZ : Araş. Gör. Erdal RECEPOĞLU : Prof. Dr. Saleh SULTANSOY