ARAŞTIRMA MAKALESİ /RESEARCH ARTICLE

Transkript

1 NDOLU ÜNİVRSİTSİ BİLİM V TKNOLOJİ DRGİSİ NDOLU UNIVRSITY JOURNL OF SCINC ND TCHNOLOGY Cilt/Vol.:8-Sayı/No: : (7) RŞTIRM MKLSİ /RSRCH RTICL SRBST LKTRON LZRİ ÇKİRDK ÇRPIŞTIRICILRININ NÜKLR SPKTROSKOPİ ÇISINDN ÖNMİ Ömer Yavaş ÖZ Nükleer Rezonans Floresans (NRF) yöntemlerinin nükleer spektroskopi açısından karşılaştığı bazı deneysel sorunlara çözüm getirecek şekilde son yıllarda araştırma grubumuzca gündeme taşınan Serbest lektron Lazeri (SL) Çekirdek çarpıştırıcılarının nükleer spektroskopi açısından getireceği yenilikler ve sağlayacağı avantajlar tartışılmıştır. Son yıllarda mevcut veya inşa halinde olan hadron hızlandırıcılarının ( RHIC, HR, LHC v.b.) iyon programlarıda dikkate alınarak yapılan ve C, Pb, Th, Ce, Sm gibi çekirdeklerin uyarılmalarının spektroskopik açıdan incelenmesinde SL-çekirdek çarpıştırıcılarının önemini irdeleyen çalışmalar yapılmıştır. Bu tür bir çarpıştırıcıda elde edilebilecek olay sayıları, kollektif uyarılmaların spektroskopisi için sağlanan avantajlar, bozunum genişliği, spin ve parite belirlenmesinde bu çarpıştırıcının araştırma potansiyeli örnek hesaplama ve incelemeler ile gösterilmiştir. Çarpıştırıcının ana parametreleri ve genel tasarımı verilmiş ayrıca hızlandırıcı, dedektör ve fizik açısından çözülmesi gereken problemlere dikkat çekilmiştir. Örnek bir SL-Çekirdek çarpıştırıcısı olarak CLIC ve LHC ye dayalı çarpıştırıcı ele alınmış ve kurşun çekirdeği için bazı sonuçlar verilmiştir. nahtar Kelimeler : Nükleer spektroskopi, Serbest elektron lazeri (SL), SL-Çekirdek çarpıştırıcısı, Spin, Parite TH IMPORTNC OF FL-NUCLUS COLLIDRS FROM TH POINT OF NUCLR SPCTROSCOPY BSTRCT In this paper, experimental problems of traditional Nuclear Resonance Floresance (NRF) methods are considered and the advantage of Free lectron Laser (FL) nucleus colliders to overcome of these problems are discussed. xisting hadron accelerators (RHIC, HR, LHC etc.) are considered to accelerate fully ionised nucleus beams. In recent years, some research results are published for the physics search potential of FL-nucleus colliders considering excitation levels of C, Pb, Th, Ce and Sm nucleus. In these studies, electron and ion beam parameters are given and event rates, luminosities and needed FL energies are calculated. Determination of unknown decay widths, spin and parity values of different excitation levels by this type collider are discussed. General design of such a collider is given and the open problems of design in view of accelerator and and detector are listed. s an example,, CLIC-LHC based FL-nucleus collider is considered and some results for Pb excitations are given. Keywords: Nuclear spectroscopy, Free electron laser (FL), FL-nucleus collider, Spin, Parity. GİRİŞ, nkara Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Fizik Mühendisliği Bölümü, 6, Tandoğan, nkara. --e-posta: yavas@eng.ankara.edu.tr Geliş: ralık 5; Düzeltme: 7 Mart 6; Kabul: ylül 6

2 nadolu 79 University Journal of Science and Technology, 8 () Nükleer fizik araştırmalarında en önemli konulardan birisi çekirdek sisteminin yapısını bozmadan sistemin özelliklerini inceleyebilmektir. Bunun için çeşitli deneysel yöntemler geliştirilmiş ve kullanılmıştır. Son zamanlarda deforme çift-çift çekirdeklerin spektrumlarında çeşitli deneysel yöntemlerle gözlenen yörüngesel ve spin karakterli magnetik dipol uyarılmaların mekanizmalarının belirlenmesi çekirdek fiziğinde ayrı yeri olan önemli problemlerden biri haline gelmiştir. Bu yüzden makas mod, spin titreşimleri ve bu gibi küçük multipollu kollektif uyarılmalar çekirdek yapısının incelenmesinde nükleon-nükleon etkileşmelerin yörünge ve spin momentlerine bağlı bileşenlerinin belirlenmesinde önemli bilgiler sağladığından teorik ve deneysel araştırmalar açısından dikkate alınan güncel konulardan biridir. Buna örnek olarak magnetik dipol uyarılmalarının düşük enerjili dalına artan ilgiyi göstermek mümkündür. Bundan başka yine son yıllarda deforme çekirdekler için yapılan deneysel çalışmalarda düşük enerjilerde bir-kaç elektrik dipol uyarılma seviyesinin varlığı gözlendi (Zilges, ). Dipol uyarılmalara artmış olan bu ilginin yanında hem teorik hem de deneysel gelişmeler hızlı ilerlemektedir. Teorik olarak bu sorunun başında seçilen ortalama alan potansiyeli ve bozulan invaryantlık (değişmezlikler) gelmektedir. Deneysel olarak başlıca zorluklar seviyelerin paritelerinin ve çok kutupluluğunun tayininde çıkmaktadır ki bu da kullanılan deneysel cihazların hassaslığı ve ideal foton kaynağı problemi ile ilişkilidir (Mohr, 999; Kneissl, 996). Teoride ortaya çıkan bu zorluklar şu veya bu şekilde teorilerin geliştirilmesi ile ortadan kaldırılmaya çalışılmaktadır (Kuliev vd., ). Deneysel zorlukların ortadan kaldırılması ise ya kullanılan deney tekniklerinin veya yeni cihazların geliştirilmesine bağlıdır. Rezonans deneyleri için enerjisi ayarlanabilen foton kaynakları için frenleme ışınımları, bremsstrahlung ışınımları ve sinkrotron ışınımları kullanılmaktadır. Fakat bu ışınımlar istenilen özellikleri (yüksek spektral şiddet (I= N /ev. s), iyi monokromatiklik, ayarlanabilir enerji ve yüksek oranlı kutuplanabilirlik (P %)) aynı anda sağlamadığından dolayı çalışmalardan istenilen verim alınamamıştır. Çekirdek seviyelerinin incelenmesinde çok önemli olan ışınım kaynaklarının bu özellikleri geleneksel yöntemler kullanılarak elde edilemediğinden çekirdek seviyeleri hakkında yapılan çalışmalar da genel olarak hep eksik bir yön kalmıştır. lde edilen ışınımların istenilen özellikleri tam olarak karşılamaması sonucu istenmeyen fon ışımaları elde edilen spektrumların değerlendirilmesini etkilerken enerji seviyelerinin belirlenmesine de zarar vermektedir. Teorik olarak enerjisi hesaplanan bir seviyenin doğrulanmasının sağlanması için ise enerjisi ayarlanabilen bir ışınım kaynağı kullanamamak ta deneysel çalışmaların yapılmasını zorlayıcı bir faktördür. yrıca kullanılacak ışınımın istenilen düzeyde kutuplanamaması da parite tayinleri açısından olumsuz yönde etkili bir faktördür. Nükleer fizik araştırmalarında karşılaşılan diğer sorunlar ise yeterince çözümleme gücüne sahip olan dedektörlerin mevcut olmamasıdır. Bu sorunların aşılması ancak teknolojik araştırma ve geliştirme (r- Ge) çalışmaları ile mümkün olacaktır. Işınım kaynağı konusunda son teknolojik gelişmeler Serbest lektron Lazerlerini (SL) gündeme getirmiş ve ihtiyaç duyulan özelliklerin tamamını taşıyan bir ışınım kaynağı olarak NRF deneyleri için ideal bir kaynak olacağı tartışılmaya ve hatta kullanılmaya başlanmıştır. yrıca nükleer spektroskopi çalışmaları için SL-çekirdek çarpıştırıcılarının bir çok açıdan deneysel ortamı sağlayacağı son yıllarda yoğun tartışılan bir konu haline gelmiştir..nüklr RZONNS FLORSNS (NRF) YÖNTMİ V FOTON KYNKLRI Çekirdeklerin elektrik dipol ve magnetik dipol uyarılma seviyeleri başta (e,e ), (p,p ) ve NRF deneyleri ile yapılmaktadır. Deneysel açıdan dipol uyarılmalarının kayda değer özellikleri, bunların foton saçılma reaksiyonlarında kolaylıkla uyarılmaları ve elde edilen verilerin çekirdek modellerinden bağımsız olmalarıdır. Son dönemlerde kararlı çekirdeklerin yapısının incelenmesinde NRF cihazlarının kullanılmasında büyük bir canlanma görülmektedir. NRF deney yönteminin çekirdek fiziğinde uygulanması ana fikri ve kavramları ilk defa Metzger (959) tarafından verilmiştir ve bu deney yönteminin çekirdeğin iç yapısının incelenmesi açısından çok önemli olduğu gösterilmiştir (Metzger, 959). Küçük çok kutuplu uyarılma seviyelerini incelemek için yaygın olarak kullanılan NRF deney düzenekleri, foton kaynağı olarak hızlandırıcılarda elde edilmiş elektronların ışınlayıcılarda frenlenmesi sonucu ortaya çıkan Bremsstrahlung fotonlarının kolimatörlerde odaklanarak çekirdekle çarpıştırılması ilkesine dayanmaktadır (Şekil ). Farklı açılarda konulan detektörlerle saçılan fotonlar algılanır. NRF düzeneği ve NRF deneylerinin yapıldığı laboratuvarlar hakkında geniş bilgi (Kneissl, 996 ve Metzger, 959) da bulunabilir. NRF yöntemi elektron ve proton saçılma reaksiyonlarından farklı olarak çekirdek seviyelerinin enerjisinin, spininin ve paritesinin belirlenmesinde daha hassas sonuçlar elde etme imkanı sağlamaktadır (Kneissl, 996). Son dönemlerde bu cihazlarda kullanılmaya başlanan yüksek verime ve yüksek saflığa sahip yeni uroball salkım detektörlerin kullanılması bu rezonans foton saçılması yöntemini düşük çok kutuplu seviyelerin incelenmesinde çok önemli bir konuma taşımıştır. Deforme çekirdek spektrumunun -5 MeV enerji bölgesi seviyelerin küçük yoğunluğundan dolayı NRF spektroskopi yöntemleriyle çok detaylı bir şekilde incelenebilmiştir (Pitz vd. 989). Fakat radyasyon genişlikleri için algılama sınırının >. mev olması spektrumun 5 MeV den yüksek enerji bölgesinde bir çok seviyenin gözlem dışı kalmasına sebep olmaktadır. Öyleki, spektrumun 5 MeV den yukarı bölgelerinde

3 nadolu University Journal of Science and Technology, 8 () 79 Şekil. NRF deney düzeneği enerji seviyelerin yüksek yoğunluğundan dolayı geleneksel deney yöntemleri uygulandığında foton kaynaklarından ve kullanılan cihazların hassaslığından dolayı ortaya bir çok problem çıkmaktadır. Ölçümleri zorlaştıran bir diğer sebep ise M rezonansının dev (giant) rezonansa göre zayıf olması ve bu rezonansın düşük enerjili kuyruk bölgesinde ayrışmasıdır. NRF deney düzeneklerinde yukarıda saydığımız eksikliklerden başka kullanılan foton kaynaklarının kalitesinin düşük olmasından kaynaklanan bazı dezavantajlarda mevcuttur. Düşük enerjili foton saçılma deneyleri için foton üretiminin birkaç yolu mevcuttur (Kneissl, 996 ve Metzger, 959). Bu düzeneklerde en yaygın kullanılan foton kaynaklarının başında Bremsstrahlung fotonları gelmektedir. Foton saçılma (, ) deneylerinde kullanılacak ideal foton demetleri aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdır (Kneissl, 996). - Yüksek spektral şiddet ( I=N / ev.s), - İyi monokromatiklik - Geniş enerji aralığında ayarlanabilirlik, - Yüksek dereceli kutuplanma (P %). Bu özelliklere aynı anda sahip olabilen ideal bir foton kaynağı geleneksel yöntemlerle ortaya konulamamıştır. Sonuç olarak foton kaynaklarının yetersizliği kendisini nükleer spektroskopide göstermektedir. Özellikle hassas çözümleme gerektiren kollektif çekirdek uyarılmalarının analizinde monokromatik ve ayarlanabilir foton kaynağı gerekmektedir. NRF deneylerinde kullanılan Bremsstrahlung fotonları diğer foton kaynaklarından üstün özelliklere sahip olmalarına rağmen enerjilerinin sürekli olmasından dolayı deneysel analiz açısından güçlükler içermektedir. Birinci güçlük fon ışınımının olmasıdır, yani, düşük enerjileri incelediğimizde geri foton ışımasından dolayı spektrum yoğunlaşır. İkinci zorluk Bremsstrahlung fotonlarının ışınlayıcıda oluşumu ve kolimatörde daraltılması sırasında çıkmaktadır. Işınlayıcı ve daraltıcı olarak Z atom numarası büyük metaller kullanılmaktadır bu metallerin de herbirinin nötron çıkış enerjisi 8- MeV bölgesinde olan izotopları mevcuttur. Şöyle ki nötron kaybetmiş element uyarılmış hale geçer ve sonra foton ışıması yaparak taban haline döner. Bu durum 9- MeV enerji bölgesinin incelenmesinde çok büyük fon ışımasına neden olarak seviyelerin yorumlanmasını zorlaştırmaktadır. Bir diğer zorluk seviyelerin paritesinin belirlenmesinde çıkmaktadır. Buna neden Bremsstrahlung fotonlarının iyi kutuplanamamasından kaynaklanmaktadır. Bu fotonların kutuplanma oranı %- civarındadır, Bu da seviyelerin paritesinin belirlenmesinde problem yaratmaktadır. Buna göre nötron eşik enerjisi bölgesinde yerleşen elektrik ve magnetik dipol seviyelerin ince yapısının detaylı olarak incelenmesi yalnız yeni nesil deneysel cihazların ve metodların geliştirilmesi ile mümkün olabilir. Bu yüzden daha monokromatik, yüksek güç, akı ve parlaklık değerlerine sahip dalga boyu ayarlanabilir fotonlar üreten ışık kaynaklarına, fon ışımasından yoksun nükleer spektroskopi cihazlarına ve hassas sistem detektörlerine büyük ihtiyaç duyulmaktadır. Bu bakımdan çekirdek uyarılma seviyelerini incelemek için fonksiyon olarak NRF düzeneğinde kullanılan foton demetiyle aynı fonksiyona sahip ancak nitelikleri daha üstün olan SL-Çekirdek çarpıştırıcıları daha üstün özellikli deneysel bir ortam sağlayacaktır (Sultan-soy, 998; ktaş vd., 999). Bir düzlemsel salındırıcıdan (çok kutuplu magnet, undulator) elde edilen SL in dalga boyu, u K SL () şeklinde tanımlanır. Burada u salındırıcı magnetin periyot uzunluğu, / mc elektron demetinin Lorentz faktörü ve K ebu u / mc salındırıcı parametresi, e elektronun yükü, m elektronun durgun kütlesi, c ışık hızı ve B u salındırıcı magnetin pik magnetik alan değeri olarak tanımlanmıştır. Son yıllarda SL-çekirdek çarpıştırıcılarının nükleer spektroskopi açısından avantajlarını tarışan ve ilgili çarpıştırııcların parametrelerini tartışan ve C, Pb, Sm, Ce, Th çekirdeklerini konu alan araştırma sonuçları araştırma grubumuzca değişik dergilerde yayınlanmıştır (ktaş vd., 999, Guliyev vd., ; Guliyev vd., ; Koru vd., 3). Bu çalışmada ise son araştırmalarımızdan birisi olan ve CRN deki LHC çarpıştırıcısının iyon programını dikkate alarak

4 8 nadolu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 8() Tablo. SL ve Farklı Foton Kaynaklarının Karakteristikleri Foton Kaynakları Spektral Şiddet P Hedef Kütle / [%] [ /s ev] [%] M [g] Compton Geri Saçılması (CB) Bremsstrahlung (polarize) Sürekli -3 5 Bremsstrahlung (polarize olmayan) + CB Sürekli - 5 Bremsstrahlung (polarize olmayan) Sürekli - Serbest lektron Lazeri (SL) > 6. - CLIC lineer elektron-pozitron çarpıştırıcısından elde edilecek SL demetinin LHC de hızlandırılacak kurşun (Pb) demeti ile çarpıştırılmasının nükleer spektroskopi açısından sağlayacağı avantajlar gösterilmiştir. 3. SL ÇKİRDK ÇRPIŞTIRICISI 4. nesil ışınım olarak ta bilinen serbest elektron lazerleri (SL) monokromatik, yüksek güç, akı ve parlaklık değerlerine sahip dalga boyu ayarlanabilir özellikli foton demetlerinden oluşur (Ciocci vd.,, Saldin vd., ). Bu bakımdan SL fotonları yukarıda tartışılan Bremsstrahlung fotonlarından ve nükler fizikte kullanılmakta olan diger foton kaynaklarından her bakımdan üstün özellikler sergilemektedir. Tablo den de görüldüğü gibi SL fotonları NRF deneylerinde kullanılan Compton Fotonlar (CF) ve Bremsstrahlung (BS) foton kaynaklarından daha üstün özelliklere sahipler. Fakat SL fotonlarının NRF deneylerinde şu ana kadar kullanılmamasının başlıca nedeni enerjilerinin kev mertebesinde olması ve başka bir deyişle kev enerjili fotonlarla MeV enerjili seviyelerin incelenmesinin mümkün olmamasıdır. veya gömülü uyarılma seviyelerini inceleme imkanı verecektir. SL-Çekirdek çarpıştırıcılarının nükleer spektroskopi açısından getirileri araştırma grubumuzca 4Ce, 54Sm ve 3Th çekirdekleri için daha önce incelenmiştir (ktaş vd., 999; Guliyev vd., ; Guliyev vd., ; Koru vd., 3). Çekirdeğin uyarılma seviyelerini incelemek için tasarlanacak SL-çekirdek çarpıştırıcılarında kullanılan çekirdeklerin Lorentz faktörü ve fotonların SL enerjisi sırasıyla, SL Z p uy Z uy p () (3) şekilde ifade edilir (Sultansoy, 998; ktaş vd., 999). Burada, uy. uyarılmış seviyenin enerjisi, Z ve sırasıyla çekirdeğin atom ve kütle numarası, p protonun Lorentz faktörüdür. Yüksek enerjili parçacık hızlandırıcılarında hızlandırma için zamanla değişen alanlar kullanıldığından demetler paketçikli yapıdadır. n ve n parçacık yoğunluğuna sahip iki paketçik f c frekansıyla çarpışır. Bu durumda ışınlık (luminosity) L 4 n n x y f c (4) Şekil. Çekirdek Çarpıştırıcısının Şematik Görünümü Önerilen SL-Çekirdek çarpıştırıcılarında yüksek yoğunluklu monokromatik fotonlar üretilir ve hızlandırılmış tam iyonize çekirdeklerle çarpıştırılır. SL-Çekirdek çarpıştırıcısının şematik görünümü Şekil de verilmiştir. Çekirdeklerin halka tipli hızlandırıcılarda büyük göreli hızlara ulaştırılarak SL fotonlarıyla kafa-kafaya çarpıştığını düşünürsek, fotonun enerjisi ( SL) çekirdeğin kendi durgun kütle çerçevesinde N SL gibi algılanacaktır [8,9] Burada N çekirdeğin Lorentz faktörüdür. SL fotonlarının çok iyi olan monoktromatikliğe ( /<- 3-4), yüksek foton yoğunluğuna (3 /demet) ve ayarlanabilirliğe (tunable) sahip olması bu lazerler yardımıyla büyük bir enerji aralığında iç içe girmiş şeklinde tanımlıdır. Burada x ve y, x ve y yönlerindeki enine demet yarıçapları, n b bir atmadaki paketcik sayısı ve f tek ise tekrarlanma frekansı olmak üzere çarpışma frekansı f c =n b f tek şeklinde tanımlanır. Günümüzde ışınlık değerleri 8-34 cm - s - arasında değişmektedir. Deneysel verilerin istatistiği açısından önemli parametrelerden biri olan olay sayısı, ışınlık ve ortalama tesir kesitine aşağıdaki şekilde bağlıdır. R L ort (5) Burada ort foton saçılma tesir kesitinin ortalama değeridir. Tesir kesitleri ve gereken istatistik dikkate alındığında SL-çekirdek çarpıştırıcıları için 8,9 cm - s - oranındaki ışınlık değerleri saniyede 5-6 dü

5 nadolu University Journal of Science and Technology, 8 () 8 Tablo. 8 Pb Çekirdeğinin Uyarılmalarının na Karakteristikleri. (MeV) (ev) J SL (kev) rez (cm ) ort (cm ) R/S zeyinde olay sayısı vermektedirler. Bu değerler deneysel açıdan avantajları açıkça göstermektedirler. 4. CLIC V LHC Y DYLI SL-ÇKİRDK ÇRPIŞTIRICISI Bu çalışmada çekirdek demetlerinin LHC den, SL demetinin ise CLIC sürücü (drive) demetinden elde edilmesi planlanmıştır (Yavas vd., 4). Nükleer spektroskopik açıdan uyarılma enerji düzeyleri, LHC çekirdek demeti enerjileri, ihtiyaç duyulan SL enerji aralığı ve bunun için gerekli elektron enerji aralığı ise aşağıdaki şekilde tespit edilmiştir. ve M dipol uyarılmalarının enerji aralığı: uy = - MeV LHC çekirdek demeti enerjisi: = m c, = p Z/, p ~ 746 Gerekli SL enerjileri: SL = kev ( 4.4 nm) LHC çekirdek demetleri için: uy = SL u =.5 cm ve Bu =.43 T olan CLIC sürücü demeti için gerekli enerji aralığı: elektron. 4 GeV Işınlık hedefleri için elektron demeti ve çekirdek demetlerinin paketçik ve atma (puls) yapısı mümkün olduğunca ayarlanmalıdır. Demet parametreleri ve paketçik yoğunlukları da dikkate alındığında ışınlık değeri olarak 9 cm - s - düzeyine ulaşılabileceği gösterilmiştir (Yavas vd., 4). 4.. SL PRMTRLRİ V IŞINLIK HSBI SL parametrelerinin optimizasyonu SL sürecinin üç boyutlu simülasyonunu gerektirir ve bu da başlangıç elektron demet parametrelerinin ayrıntılı olarak bilinmesi ile mümkündür. Fakat üç boyutlu etkilerin yarı analitik hesabı bir boyutlu basit bir model kullanılarak da yapılabilir. SL frekansı, salındırıcı magnet periyodu ve magnetik alanı sabit tutularak demet enerjisinin değiştirilmesi ile ayarlanır. 4 nm de. GeV demet enerjisini alırsak, salındırıcı magnet alanı ve periyodu sırasıyla.43 T ve.5 cm olur. Salındırıcılardaki ek odaklama ile elde edilen ortalama m fonksiyonu optimum değerdedir, m nin altında doyum uzunluğu elde edilebilir ve fotonların toplam sayısı n =.7 3 dür. Bu sonuçların kullanılması ile elde edilen ışınlık değeri, n b = alınması durumunda 4 nm dalgaboyunda L=.4 9 cm - s -. Bu ışınlık çok yüksek istatistik ve olay oranlarını verecektir. Tablo de CLIC*LHC ye dayalı SL-Çekirdek çarpıştırıcısında Pb çekirdeğinin bazı seviyeleri için olay sayıları, rezonans ve ortalama tesir kesitleri, parite değerleri ve gerekli SL enerjileri gösterilmektedir (Yavas vd., 5).

6 8 4.. FİZİK RŞTIRM POTNSİYLİ Uyarılma band genişlikleri, pek çok uyarılmış düzeylerin spin ve pariteleri NRF metodları ile belirlenememektedir. SL-Çekirdek çarpıştırıcısı bu niceliklerin belirlenmesine olanak sağlayacaktır. Farklı deneylerle çalışılan çekirdeklerin uyarılmalarının çoğu, reaksiyonu ile belirlenememiş uyarılmalardır. Bunun nedeni düşük istatistik, sınırlı enerji çözümlemesi ve benzeri problemlerdir. Bu problemlerin aşılması için önerilen en etkin deneysel araç SL Çekirdek çarpıştırıcısı olarak görülmektedir. Rezonans foton saçılmaları için tesir kesiti iyi bilinen Breit- Wigner formülü ile verilir. rez, J uy J B B g ç R (6) / 4 Burada gelen fotonun kütle merkezi enerjisi, J uy ve J sırasıyla uyarılmış ve temel seviyelerin spinleri, B g ve B ç uyarılmış seviyenin giriş ve çıkış kanallarındaki dallanma oranları, R rezonanstaki enerji ve uyarılmış seviyenin toplam genişliğidir. SL ve çekirdek demetlerinin enerji yayılmaları hesaba katılırsa( -4 ve -4 ), ortalama tesir kesitinin yaklaşık değeri bulunabilir ort rez (7) Burada -4 uy şeklinde tanımlanır. Saniyedeki olay sayısı, R / s L (8) ort Diğer deneylerde olay sayısı günde yüzlerle sınırlı iken, burada olay sayısı saniyede milyonlara ulaşmaktadır BİLİNMYN BOZUNUM GNİŞLİĞİNİN ÖLÇÜLMSİ Çekirdeklerin bazı uyarılma durumları için bozunum genişliği bilinirken bazı seviyelerin bozunum genişlikleri, reaksiyonlarında belirlenememiştir. SL-çekirdek çarpıştırıcıları bilinen bozunum genişlikleri kullanılarak bilinmeyen bozunum genişliklerini ölçme olanağı sağlar. Bilinmeyen genişlik aşağıdaki ifadeyi takip ederek bulunabilir. () () () N N () () () rez () rez () (9) Burada indisi bozunum genişliği bilinmeyen, indisi ise bozunum genişliği bilinen seviyeye aittir. nadolu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 8() 4.4. SPİNİN BLİRLNMSİ Uyarılmış çekirdeklerin spinleri durgun hedef deneylerinde yayılan ışınların açısal dağılımlarının kullanılması ile belirlenebilir. SL-Çekirdek çarpıştırıcısı durumunda laboratuvar ortamında açısal dağılımdan enerji dağılımına geçebiliriz. Spin ve spin durumunda açısal dağılım durgun çerçevede W = 3/4 ( + cos ) () W = 5/4 ( - 3cos + 4cos 4 ) () ifadeleriyle verilmektedir. Laboratuvar sisteminde ( ) bu dağılımlar dedektör tarafından enerji dağılımı olarak gözlenecektir: W (x) = 3/4 ( x -x+ ) () W (x) =5/4(4x 4-6x 3 +x x+) (3) burada x= / dır ve x: dan ye kadar değişir (x= için =8 o ve x= için = o dir). Spin ve spin uyarılmalardan yayınlanan fotonların normalize enerji dağılımları şekil 3 te verilmiştir PRİTNİN BLİRLNMSİ Parite ölçümü için prensipte iki yol vardır: Lineer polarize fotonlar giriş kanalında kullanılabilir veya saçılan fotonların lineer polarizasyonu ölçülebilir. SL demetinin yüksek derecede polarizasyona sahip olmasından dolayı SL-Çekirdek çarpıştırıcıları parite ölçümleri için ideal bir yöntem olarak değerlendirilebilir. Durgun çekirdek çerçevesinde, + temel düzeyine sahip çekirdeklerin spini olan dipol uyarılmalarının paritesi, lineer polarizasyona sahip SL demeti kullanılarak 9 9,, for for 9, 9, J J 9 9 (4) ölçümü ile belirlenebilir. Burada, çekirdeğin durgun çerçevesinde tanımlanan açısal dağılım fonksiyonudur KURŞUN (Pb) ÇKİRDĞİ İÇİN BZI SONUÇLR Pb çekirdeğinin bozunum genişliği =.783 ev, rezonans tesir kesiti rez= ve saniyede gözlenen olay sayısı N() = 6. 5 olay/saniye olarak belirlenen 4.85 MeV seviyesini bozunum genişliği bilinen seviye olarak alırsak bu seviyenin verilerinden hareketle bozunum genişliği belli olmayan aynı çekirdeğin rezonans tesir kesiti rez =.5 - ve spini

7 nadolu University Journal of Science and Technology, 8 () 83 Şekil 3. Spin ve spin uyarılmalarından yayınlanan fotonların normalize enerji dağılımları J= olan.45 MeV uyarılma seviyesinin bozunum genişliği için bir üst limit olarak = ev değerini belirleyebiliriz. Bu hesaplama için gözlenebilir sınır olarak saniyede olayın yeterli olacağı söylenebilir. Bu sonuç.45 MeV seviyesinin bozunum genişliğinin ev değerinden büyük olduğu durumlarda CLIC ve LHC`ye dayalı SL-Çekirdek çarpıştırıcısında gözlenebilir bir seviye olacağı şeklinde yorumlanabilir. Tablo de CLIC*LHC ye dayalı SL-Çekirdek çarpıştırıcısında Pb çekirdeğinin bazı seviyeleri için olay sayıları, rezonans ve ortalama tesir kesitleri, parite değerleri ve gerekli SL enerjileri gösterilmektedir (Yavas vd., 5). 5. TRTIŞM V SONUÇ 4. nesil ışınım kaynağı olarak son 5 yılda gelişen serbest elektron lazerinin (SL) dalga boyunun ayarlanabilir olması, monokromatik ve kohorent olması, % kutuplanabilir olması ve yüksek akı ve parlaklık değerlerine ulaşabilmesi nükleer spektroskopi açısından NRF yöntemlerinde kullanılabilecek ideal bir foton kaynağı olarak ortaya çıkmaktadır. Rölativistik çekirdek demetlerinin ortalama kev enerjiye sahip bu fotonları kendi durgun çerçevesinde MeV mertebesinde algılaması çekirdek uyarılma enerji bölgesini kapsadığı için SL-çekirdek çarpıştırıcıları özellikle deforme çekirdeklerin kolektif uyarılmalarını deneysel açıdan çalışabilmek, bilinmeyen spin ve parite değerlerini belirleyebilmek açısından çok avantajlı birer araç haline getirmektedir. Dünyada birkaç merkezde SL demeti nükleer spektroskopide kullanılmaya başlamıştır ancak bunlar çarpıştırıcı modunda değil saçılma deneylerinde kullanılmaktadırlar. SL-çekirdek çarpıştırıcılarının lu yıllarda deneysel nükleer fizik çalışmalarının güçlü araçları olarak ortaya çıkması beklenmelidir. TŞKKÜR: Bu çalışma DPT3K96-5 ve DPT3K6 No lu projelerden desteklenmiştir. KYNKLR Zilges,. et al. (). Concentration of electric dipole strength below the neutron seperation energy in N= 8 nuclei. Phys.Lett. 54(B), 43 Mohr, P. (999). Real photon scattering up to MeV: the improved facility at the Darmstadt electron accelerator S-DLINC. Nucl. Instr. and Meth. 43(), 48 Kneissl, U. et al. (996). Investigation of nuclear structure by resonance fluorescence scattering. Prog. Part. Nucl. Phys 37, Kuliev,.. et al. (). Rotational invariant model of the states with K = + and their contribution to the scissors mode. Int. J. of Mod. Phys. 9(), 49-6 Metzger, F. R. (959). Resonance fluorescence in nuclei. Prog. Part. Nucl. Phys. 7, Pitz, H. H. et al. (989). Systematic study of low lying dipol excittaion in 56,58,6 Gd. Nucl. Phys. 49, Sultansoy, S. (998). Four ways to TeV scale. Turk J. of Phys., ktaş, H., Büget, N., Çiftçi,. K., Meriç, N., Sultansoy, S. and Yavaş, Ö. (999). New tool for old nuclear physics: FL -nucleus colliders. Nucl. Instr. Meth. 48(), Guliyev,. and Yavaş, Ö. (). search for the collective I = + excitations in 4 Ce nucleus at FL -nucleus collider. Bulg. J. of Physcs 7, -4.

8 84 Guliyev,., Kuliev,.., Sultansoy, S. and Yavaş, Ö. (). Collective excitations of 54 Sm nucleus at FL -LHC collider. Int. J. of Mod. Phys. (), 5 nadolu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 8() Koru, H., Özcan,,, Sultansoy, S. and Yavaş, Ö. (3). Physics Potential of the e-rhic Based FL-Nucleus Collider. Int. J. of Mod. Phys. (), Ciocci, F. et al. (). Insertion Devices For Synchrotron Radiation and Free lectron Laser. World Scientific, Singapore. Saldin,. L., et al. (). The Physics of Free lectron Lasers. Springer, Berlin. Yavaş, Ö. t al. (4). CLIC-LHC based FLnucleus collider. Miniworkshop on Machine and Physics spects of CLIC based Future Collider Options. 3 ugust 4, CRN, CLIC Note 63. Yavaş Ö. et al. (5). CLIC-LHC based FLnucleus collider: Feasibility and physics search potential. Nucl. Instr. & Meth. 55(), Ömer Yavaş, 96 yılı ntal-ya- Korkuteli doğumlu. 98 de nkara Üniversitesinden Fizik Mühendis olarak mezun oldu. Doktora ve doçentliğini aynı üniversiteden aldı. Halen nkara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fizik Mühendisliği bölümünde Profesör olarak öğretim üyeliği yapmaktadır. Parçacık hızlandırıcıları ve ışınım kaynakları konusunda çalışmakta olup halen Türk Hızlandırıcı Merkezi konulu üniversitelerarası DPT projesinin yürütücülüğünü yapmaktadır.