KOZMİK IŞINLARLA RÖNTGEN ÇEKMEK: MÜON TOMOGRAFİSİ

Hepimiz her an şiddetli bir radyasyon bombardımanı altındayız. Her dakika binlerce atomaltı parçacık korkunç bir hızla vücudumuzu delip geçiyor. Bu “modern hayatın laneti” değil, doğadan uzak kaldığımız için başımıza gelen bir bela da değil. Şehirlerden uzaklaşıp, elektriksiz bir dağ köyüne yerleşseniz bile kurtulamazsınız bu saldırıdan — şiddeti artabilir bile. Çünkü bu radyasyon tamamen doğal!

Korkulacak bir şey yok ama. Çevremizdeki doğal radyasyon her zaman evrim sürecinin bir parçasıydı; hayat en başından beri onun verdiği zararı tamir etmeye adapte olarak gelişti. Doğal radyasyonun birkaç kaynağı var: Yeryüzündeki radyoaktif elementler, soluduğumuz havadaki radyoaktif elementler ve kozmik ışınlar. Yazımızın konusu bu son kaynağın yarattığı etkiler ve bunlardan faydalanma imkanları.

Kozmik ışınlar ve müon yağmurları

Uzay boşluğu der geçeriz, ama uzay tamamen boş değildir. Sert ve tehlikeli bir ortamdır. Güneş patlamalarının fışkırttığı elektron ve protonlardan başka, “kozmik ışınlar” tabir edilen, uzayın derinliklerinden gelen, çok yüksek enerjiye sahip parçacıklar doldurur uzayı. “Işın” kelimesi ışığı çağrıştırsa da, kozmik ışınlar elektromanyetik ışıma değildir. Yüzde doksan oranında proton, yüzde dokuz oranında alfa parçacığı (helyum çekirdeği), yüzde bir oranında ise elektronlardan ve helyumdan ağır atomların çekirdeklerinden oluşur.

Kozmik ışınlar birkaç milyar elektron-volt gibi, parçacıklar için olağanüstü yüksek sayılabilecek enerjilere sahiptir. (Karşılaştırma için, havadaki moleküllerin enerjisi 0.04 elektron-volt, tüplü TVlerdeki elektronların enerjisi 20 000 elektron-volt, radyoaktif çekirdeklerin bozunmasından çıkan bir alfa parçacığının enerjisi ise birkaç milyon elektron-volttur). Uzayın derinliklerindeki plazma bulutları içinde hızlandırılan parçacıklar, sürtünmeyle karşılaşmadıkları için enerjilerinden birşey kaybetmeden uzay boşluğunda ilerlerler. Dünya’ya denk gelenler atmosferin üst kısımlarındaki moleküllerle çarpışır. Bu çarpışmalar sonucu, atom çekirdekleri arasındaki reaksiyonlar yeni ve garip parçacıklar oluşturur.

Kozmik ışınların atmosfer atomlarına çarpmasının ilk ürünü, pion adı verilen parçacıklardır. Bunlar üç türdür, pozitif yüklü, negatif yüklü, ve yüksüz. Üç tür de çok kısa ömürlüdür. Yüklü olanlar saniyenin yüz milyonda birinden daha kısa sürede bozunarak iki ayrı parçacığa, müona ve müon nötrinosuna dönüşürler. Yüksüz pion ise önce iki gamma ışını fotonuna bozunur, onlar ise birer elektron ve pozitron doğurur. Bütün bu parçacıklar bir yağmur gibi yeryüzüne doğru düşerler.

Elektronları tanıyoruz; atomların temel bileşenlerinden. Pozitron da yabancı değil, elektronun antiparçacığı, pozitif yüklü elektron diyebiliriz. Nötrino da temel bir parçacık, ama maddeyle neredeyse hiç etkileşime girmediği için dünyanın bir tarafından girip öbür tarafından çıkar, hesaba katmaya gerek bile yok.

Buradaki asıl konumuz olan müonlar 1937’de kozmik ışın araştırmaları sırasında keşfedildiler. Manyetik alan içindeki sapmaları ölçüldüğünde elektrik yüklerinin elektron ile aynı miktarda olduğu, ama kütlelerinin elektrondan iki yüz kat daha fazla olduğu, protonun ise dokuzda biri olduğu anlaşıldı.

Müonlar, elektronlar gibi temel parçacıklardandır, yani bilindiği kadarıyla içlerinde onları oluşturan başka yapı taşları yoktur (proton ve nötronlar temel parçacık değildir, üçer kuarktan oluşurlar). Ancak, elektronların aksine, müonlar istikrarsız parçacıklardır. Ortalama ömürleri sadece 2.2 mikrosaniyedir (saniyenin milyonda biri). Bu istikrarsızlık yüzünden, ve yeni müonlar üretmek için çok yüksek enerji gerektiğinden, gündelik hayatımızın kimyasında rolleri yoktur.

Kısa ömürlerine bakarsak, müonları yeryüzünde tespit edebiliyor olmamız bile ilk bakışta şaşırtıcıdır. Saniyenin milyonda ikisi kadar bir süre yaşayan bir parçacığın, atmosferin üst kısımlarından yeryüzüne, 100 kilometre aşağıdaki deniz seviyesine inmeye vakti olmamalıdır. Yeterince hızlı olmadıkları için değil; bilakis enerjik kozmik ışınların ürettiği müonlar çok hızlıdırlar, neredeyse ışık hızında yol alırlar. Ama ışık hızında bile gitseler kısacık ömürleri, beş altı yüz metre mesafe katetmelerine zar zor yetecektir.

Burada bir çelişki yok elbette, sadece özel görelilik etkilerini hesaba katmadık. Işık hızına yakın giden bir cisim için zaman, bize göre daha yavaş işler. Bu sayede müonun ömrü bizim için uzar ve parçacığın yeryüzüne ulaşana kadar bozunmadan kalması mümkün olur. Müon açısından bir ömür uzaması sözkonusu değildir elbette, ama müonun “penceresinden” bakıldığında yeryüzüne kadar olan mesafe, Lorentz sıkışması sayesinde, parçacığın kısacık ömründe bile katedebileceği kadar daralmıştır. Nitekim müonların yeryüzünde tespit edilebiliyor olması, özel görelilik teorisinin deneysel ispatlarından biri olarak kabul edilir.

Piramitlerin sırları

Kozmik ışınların yarattığı müonların yeryüzüne yağışı, bir sağnaktan ziyade bir ahmakıslatan gibidir. Bir santimetrekareye ortalama olarak dakikada bir müon düşer; yani eliniz kadar bir alana düzenli olarak saniyede bir veya iki müon çarpmaktadır.

Müonlar elektrik yüklüdürler, bu yüzden, bir atom çekirdeğinin yakınından geçerken hissettikleri elektrik kuvveti yollarını saptırabilir. Çok hızlı oldukları için bu sapma pek fazla olmaz, ama yoğun bir maddenin içinden geçiyorlarsa arka arkaya sapmalarla zigzaglı bir yol izleyebilir, fazla ileri gidemeden bozunup yokolabilirler.

Luis Alvarez (1911-1988), bilimsel kariyerini parçacık dedektörlerini mükemmelleştirmeye adamış ve yaptığı yeni keşiflerin şerefine 1968’de Nobel fizik ödülü almış bir deneysel parçacık fizikçisi idi. Çok girişken bir zekâya sahipti ve fizik bilgisini disiplinlerarası problemlere uygulamayı severdi. Sözgelişi, Kennedy suikastini kaydeden Zapruder filminin fotoanalizini yapmış, sanılanın aksine ters yönden gelen bir kurşun olmaksızın da başın öne savrulabileceğini deneylerle göstermişti. Jeolog olan oğluyla beraber 1980’lerde yaptığı çalışmada dinozorların yokoluşunun sebebinin bir meteor olduğu hipotezini ortaya atmış ve ayrıntılı delillerle desteklemişti.

Alvarez 1960’larda, Mısır piramitlerinin içinde gizli odalar bulunup bulunmadığını tespit etmek için parçacık dedektörleri kullanmayı düşündü. Fikir basitti ve hastanede röntgen çektirmeyle aynı prensibe dayanıyordu: Göğün her yönünden üstümüze yağan müonlar, piramit duvarları gibi yoğun bir madde tarafından kısmen engellenebilirler. Duvarlar ne kadar kalınsa, engellenen parçacık sayısı o kadar fazla olacaktır. Piramidin içine konacak bir dedektörü çeşitli yönlere çevirerek müon sayılarını ölçersek ve bazı yönlerden beklenenden daha fazla müon geldiğini görürsek, o yönde yekpare kaya yerine bir boşluk olduğunu tahmin edebiliriz.

1967’de Alvarez, Amerikalı ve Mısırlı fizikçiler ve arkeologlarla işbirliği yaparak Kefren Piramidi’nin (Keops’dan sonra ikinci büyük piramit) içine bir müon dedektörü yerleştirdi. Deney çabucak bitirilemezdi, çünkü gerekli miktarda müon sayımı yapılabilmesi için düzeneğin aylar boyunca yerinde bırakılması gerekiyordu. Dedektörlerin bozulması gibi teknik sorunlar aşılsa da, tam deneye başlamışken Mısır ve İsrail arasında Altı Gün Savaşı patlak verdi, Mısır ve ABD arasında diplomatik ilişkiler kesildi ve Alvarez ile arkadaşları ülkelerine dönmek zorunda kaldılar. Neyse ki aylar sonra siyasi ortam kısmen normalleşti de geri dönüp deneyi devam ettirebildiler.

Bu ilginç hikaye bir film senaryosuna dönüştürülseydi, fizikçi Alvarez kağıt üzerindeki analizlere bakarak arkeologlara nereyi kazmaları gerektiğini söyler, arkeologlar önce ona dudak büker, ama sonra tam gösterilen yerde bir keşif yapılınca heyecana kapılırlar, fizikçi ise sakin bir tebessümle “şaşıracak ne var, biliyordum zaten” diye hava atarak yürür giderdi. Ama gerçekte böyle olmadı. Piramitte herhangi bir boşluk bulunamadı (veya Alvarez’in ifadesiyle “hayır, piramitte bir boşluk olmadığı bulundu”). Ancak bu deney müon geçişi tomografisi (muon transmission tomography) yönteminin başarıyla uygulandığı ilk örnek olarak kayda geçti. Fizikçi-arkeologlar, daha gelişkin dedektörler kullanarak aynı yöntemle Aztek ve Maya piramitlerinin röntgenini çekmeye devam ediyorlar.

Yanardağlardan Fukuşima’ya

Müonların en kullanışlı özelliği, yüksek enerjileri sayesinde çok kalın kaya tabakalarının içinden fazla kayıp vermeden geçebilmeleri. Böylelikle piramitlerden çok daha büyük yapıların, sözgelişi yanardağların iç yapısını da inceleme imkânı sağlıyorlar.

Aktif bir yanardağ püskürmeye hazırlanırken içindeki magma dağın içinde krater ağzına doğru yükselir. Bu yükselmeyi takip edebilirsek, patlamanın ne kadar yakın olduğunu tahmin etmek ve ona göre tahliye gibi tedbirler almak mümkün olur. Ama haliyle bu iş pek kolay değil, çünkü magma seviyesini görmek için yanardağın içine açılan bir pencere yok. Müonlar burada da imdada yetişiyor.

Piramitleri incelerken Luis Alvarez müon dedektörünü piramidin içine yerleştirmişti ama, bariz sebeplerle yanardağlarda böyle bir imkân yok. O yüzden dedektör yanardağın eteğine yerleştirilir ve neredeyse yatay şekilde yönlendirilir. Böylece ufka yakın yönden gelen müonlar dağı delip geçerek dedektöre ulaşacak ve sayılacaklardır. Yoğun magma dağın içinde yükselmişse dedektöre düşen müon sayısı azalır, böylelikle lav sütununun yüksekliği tahmin edilebilir.

Bu yöntem ilk olarak Tokyo Üniversitesi araştırmacıları tarafından geliştirildi ve 2007’de Japonya’daki Asama yanardağının tepesini görüntülemek için kullanıldı. Bu başarının ardından aynı yöntemle Fransa’nın Puy de Dome, Guadaloupe adasındaki La Soufriere, İtalya’da Etna ve Vezüv dağlarının iç yapısı da görüntülenebildi.

Müon tomografisinin nükleer santral güvenliği için de kullanılabileceği öngörülüyor. 2011’de bir tsunami sonucu tahrip olan Fukuşima Daiçi nükleer santralinin temizlenmesi hâlâ devam etmekte. Bu zahmetli işin en zor meselelerden biri, çekirdekteki erimiş radyoaktif maddenin sıvılaştıktan sonra nerede toplandığını belirlemek. Radyoaktivite çok yüksek seviyede olduğu için içeri girip bakmak mümkün değil; içeri bir robot bile gönderilemiyor çünkü açılacak bir kapıdan dışarıya radyasyon sızması tehlikesi var.

Fukuşima’da içeriye girmeden radyoaktif maddenin nerede olduğunu belirlemek için müon tomografisi tekniği imdada yetişiyor. ABD’nin en önemli araştırma laboratuarlarından biri olan Los Alamos National Laboratory (LANL), Toshiba şirketi ile işbirliği yaparak nükleer santrallerde kullanılabilecek bir müon dedektörü hazırlamakta. Böyle bir dedektörle ağır atomlardan oluşan radyoaktif maddenin nerelerde toplandığını tespit etmek mümkün olacak.

Bu dedektörün reaktör güvenliğinin yanı sıra, milli güvenlik alanında da önemli uygulamaları var.

Nükleer kaçakçılığı önlemek

ABD’nin Los Alamos laboratuarında, müon tomografisi üzerine çalışan bir araştırma grubu mevcut. Bu grup, büyük bir madde yığını içindeki küçük bir ağır metal öbeğini bulmak amacıyla müon tomografisini kullanmanın yollarını araştırıyor. Fukuşima’daki cihaz bu araştırmanın ürünü. Ama bu grubun öncelikli amacı milli güvenlik.

Sınır güvenliğindeki en büyük kâbus, bomba yapımında kullanılabilecek nükleer yakıtın gizlice içeri sokulması veya dışarı kaçırılmasıdır. Her ne kadar sınırlarda arama yapılıyor, kargolar çeşitli cihazla taranıyorsa da, kaçakçılar bu yöntemlere karşı tedbir almayı bilirler. Bir kamyon veya konteyner içinde büyükçe miktarda radyoaktif madde kaçırmak isteyenler, tespitini zorlaştırmak için görüntülemeyi engelleyecek metal cisimlerin arasına saklarlar. Kaçırılan madde, yaydığı nötron veya gamma ışınlarının tespit edilememesi için bir kurşun kutu içine konmuş olabilir.

Müon tomografisi bu soruna iyi bir çözüm sağlar. Her şeyden önce müonlar çok yüksek enerjilidir ve taranacak yükün derinine nüfuz edebilirler, kargodaki diğer malzeme onları engellemez. (3 milyar elektron-volt enerjili tipik bir müon, iki metre kalınlıkta yekpare kurşunun içinden geçebilir) İkincisi, müonlar doğal radyasyonun bir parçası olarak çevremizdeler. Böylece hem tarama sırasında çevredeki insanlar için fazladan sağlık riski yaratmazlar, hem de tarayıcı cihazların güç ihtiyacı az olur. Üçüncü avantajları da, izledikleri yolun içinden geçtikleri malzemenin atom ağırlığına hassas şekilde bağlı olmasıdır, böylece özellikle ağır radyoaktif atomları tespit etmekte kullanılabilirler.

Elektrik yüklü olan müonlar, atom çekirdeklerinin yakınından geçerken protonların elektrik kuvveti ile hafifçe saparlar. Çok hızlı oldukları için bu sapma çok azdır, ama maddenin içinden geçerken tekrar tekrar sapmalar birikir ve küçük de olsa algılanabilir bir açıya ulaşır (bir-iki derece kadar). Uranyum, plütonyum gibi ağır atomlarda daha fazla proton bulunduğu için, bu malzemeler müonların beklenenden fazla sapmasına yol açarlar.

Müon saçılma tomografisinin prensibi basitçe budur. Müonların beklenenden fazla saptığı görülürse, kargonun içinde ağır elementlerden oluşan bir cisim olduğundan şüphe edilebilir. O zaman istenirse taşınan malzeme elle teftiş edilebilir.

Saçılma tomografisi için gereken dedektör sistemi, geçiş tomografisinde kullanılana göre daha karmaşıktır. İncelenecek hacmin altı yüzünde ayrı ayrı parçacık dedektörleri bulunmalı, ve her yüzde ikişer dedektör plakası olmalıdır.

Yukarıdan aşağıya hızla inen bir müon, önce üstteki iki plakanın birincisinden geçer ve geçişi sırasında dedektörün malzemesi içinde iyonlaşmaya sebep olur. Bu iyonlaşma sayesinde, dedektörün elektronik aksamı belli bir pikselden bir müon geçtiğini tespit edebilir. Müon çok enerjik olduğu için aldırmadan yoluna devam eder ve üstteki ikinci plakadan geçer. İki plakadaki geçiş noktaları arasındaki fark, müonun gidiş yönünü belirlememizi sağlar.

Yoluna devam eden müon, bir mermi gibi malzemenin içinden geçip alttaki plakalara ulaşır ve aynı işlem orada tekrarlanır. Girişteki ve çıkıştaki yönler arasındaki açı farkına bakılır, ve matematiksel bağıntılar kullanılarak, bu miktardaki bir sapma sağlayacak malzemenin ne olduğu anlaşılabilir.

Bu prensip basittir ama pratikte pek çok zorluk barındırır. Her şeyden önce, bu küçük sapmayı algılayabilmek için dedektörlerin çözünürlükleri yüksek olmalıdır, yani pikseller mümkün olduğunca küçük olmalıdır. Bu yüzden, yüksek çözünürlük sağlayabilen yeni yarıiletken dedektörler tercih ediliyor.

Müonların yeryüzüne pek bol bol düşmemesi de başka bir sorun. Sınır kapısındaki kamyonu taramak için pek fazla vaktiniz yok, birkaç dakikada işi bitirebilmeniz lâzım, yoksa kuyrukların sonu gelmez. Birkaç dakikada kamyon yüzeyine düşen az sayıda müonun sağladığı bilgiyi mümkün olduğunca verimli kullanabilmek için karmaşık algoritmalar geliştirilmesi gerekiyor. İşin arka tarafında ciddi bir hesaplama yükü var.

Bütün bu zorluklar henüz tamamen aşılamadığı için, üzerinde on yıldan fazla zamandan beri çalışılmasına rağmen, kitlesel olarak üretilen bir müon tomografi cihazı henüz yok. Ancak Los Alamos laboratuarında ve İtalya’daki nükleer fizik araştırma enstitüsü INFN bünyesinde geliştirilmiş ve başarıyla kullanılan prototipler mevcut.

Ticarileştiği zaman bir milyon dolar gibi bir fiyat etiketi bulunacak bu cihaza birçok ülkenin nükleer güvenlik için ihtiyacı olacak. Henüz teknolojiye ve üretime dayalı sorunlar mevcut olsa da, bu sorunların çözülmesinin ardından pek çok gümrük kontrol noktasında kullanılacağı kesin. Türkiye’nin de sorunlu coğrafyasında nükleer güvenlik kontrollerinin sıkı tutulması şart. Deneysel parçacık fiziği alanında tecrübeli pek çok uzmanımızla bu konuya yatırım yaparak kendi müon dedektörlerimizi geliştirmemiz pekâlâ mümkün.

Kaynaklar

• Wikipedia, Muon Tomography. http://en.wikipedia.org/wiki/Muon_tomography Erişim: 30.1.2015
• Haley Bridger, Secrets of the Pyramids. Symmetry Magazine, Mart/Nisan 2008. http://www.symmetrymagazine.org/article/marchapril-2008/secrets-of-the-pyramids
• Charles G. Wohl, Scientist as detective: Luis Alvarez and the pyramid burial chambers, the JFK assassination, and the end of the dinosaurs . Am. J. Phys. 75, 968 (2007) http://dx.doi.org/10.1119/1.2772290
• Lesparre vd., Geophysical muon imaging: feasibility and limits. Geophys. J. Int. (2010) 183, 1348–1361 doi: 10.1111/j.1365-246X.2010.04790.x http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-246X.2010.04790.x/abstract
• Paolo Strolin, The secret life of volcanoes: using muon radiography. Science In School http://www.scienceinschool.org/2013/issue27/muons
• Probing Fukushima with cosmic rays should speed cleanup. Phys.Org, 18 Haziran 2014. http://phys.org/news/2014-06-probing-fukushima-cosmic-rays-cleanup.html
• Brian Fishbine, Muon Radiography: Detecting Nuclear Contraband. Los Alamos Research Quarterly, Bahar 2003. http://www.lanl.gov/quarterly/q_spring03/muon_text.shtml
• Konstantin N. Borozdin vd., Surveillance: Radiographic imaging with cosmic-ray muons. Nature 422, 277 (20 March 2003) http://www.nature.com/nature/journal/v422/n6929/full/422277a.html
• Tommaso Dorigo, Muon Tomography: Who Is Leading The Research? http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/muon_tomography_who_leading_research
• INFN, Cosmic Muon Tomography Project. http://mutomweb.pd.infn.it:5210/ (erişim: 31.1.2015)