Parçacık Detektörleri
Prof. Dr. Engin Arık
Boğaziçi Üniversitesi
Fizik Bölümü
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Cenevre’de yarım asır önce kurulmuş olan
Avrupa Parçacık Fiziği Araştırmaları ve Hızlandırıcıları Merkezi
CERN Laboratuarı’nın bahçesini süsleyen eski detektörler
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
TEMEL PARÇACIKLAR ve ETKİLEŞMELERİ
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Her element değişik bir atomdur. Atom temel parçacık değildir.
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Element
Atom
Z: çekirdeğindeki proton sayısı = atomun elektron sayısı ; A: atom ağırlığı = Z + nötron sayısı
Boyut
Atom
Çekirdek: proton (p)
ve nötron (n) kümesi
proton
nötron
kuark (q)
Kütle: mp = 1.6 x 10-27 kg ≅ mn
elektron (e)
me = 9.1 x 10-31 kg
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
~ 5x10-6
[m]
~ 2x10-9
[m]
~ 2x10-10
[m]
~ 5x10-15
[m]
~ 1.5x10-15
[m]
< 1x10-18
[m]
hücre
DNA
atom
çekirdek
q
proton
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
e
Temel
parçacıklar
Fotonlar (γ)
γ)
mγ = 0 kg
1 nm = 10-9 m
dalga boyu
700 nm
frekans
Işık (foton) hızı: c = 3 x 108 m/s = λ x f
Foton enerjisi: Eγ = h x f
h: Planck sabiti
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
1 eV = 1.6 x 10-19 J
h = 6.6 x 10-34 J s
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Kuantum teorisi
E: toplam enerji, p: momentum, m: kütle, v: hız, c: ışık hızı
Kütle enerjisi = mc2
E2 = (pc)2 + (mc2)2
Kinetik enerji = E – mc2
mec2 = 511 keV
mpc2 = 938 MeV
mnc2 = 939 MeV
β = v/c, γ2 = 1/(1-β
β 2)
E = γ mc2
p = γ mv
Fotonlar için m = 0 ⇒
E = pc = hf = hc/λ ⇒ λ = h/p
Fotonlar gibi
tüm parçacıklar aynı zamanda dalga özelliği de taşır
m > 0 olan parçacıklar için dalga boyu : λ
= h/p
(de Broglie dalga boyu)
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
1015 kat
Gördüğümüz bu noktanın boyutu ~ 10-3 m
kuark veya elektronun boyutu ~ 10-18 m
1015 kat
Gözlenebilen evrenin boyutu ~ 1026 m
Dünya yörüngesinin boyutu ~ 1011 m
~ 10-4 m den büyük boyutları gözlerimizle inceleyebiliriz
~ 10-6 m ye kadar olan boyutları optik mikroskoplarla,
~ 10-10 m ye kadar olan boyutları elektron mikroskoplarıyla inceleyebiliriz
λ = h/p
~ 10-10 m den küçük boyutları inceleyebilmemiz için Hızlandırıcılar gerekir
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
galaksi
hücre
çekirdek
en önemli detektör
kaynak
hedef
detektör
Elektron
mikroskopu
metre
Hızlandırıcı
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Dünya yüzeyindeki kozmik parçacıkların çoğu,
uzaydan gelen protonların (Hidrojen çekirdeği)
atmosferdeki atomlarla çarpışmasından oluşur
Bunların dışında güneşten gelen nötrinolar vardır
pion (π), kaon (K), nötron (n), proton,
elektron (e), foton (γ), müon (µ), nötrino (ν)...
Atmosferdeki çarpışmalarda yaratılan
elektronlar ve fotonlar
elektromagnetik (EM) “shower”lar oluşturur
nötronlar, protonlar, ...
hadronik “shower”lar oluşturur
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Bazı durumlarda, Atmosfer
“shower” ları gözle algılamamızı
sağlayarak bir detektör rolü oynar
“shower”
Yeryüzüne ulaşan parçacıkların
hemen hepsi müon’lar (µ)
ve nötrino’lardır (ν)
Deniz seviyesinde:
her 1 m2 lik alandan
saniyede ~ 200 müon,
her 1 cm2 lik alandan
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
milyarlarca nötrino geçer
Aurora Australis
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Uzaydan görünüş
Aurora Australis
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Aurora Borealis
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Aurora Borealis
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Aurora Borealis (Kuzey ışıkları)
Uyarılmış azot molekülleri
mavi ve kırmızı ışık yayar
Güçlü bir aurora fırtınası
1012 Watt elektrik gücü
ve
106 Amper elektrik akımı
oluşturabilir
Yeşil ışık
λ= 557.7 nm
uyarılmış oksijen molekülleri
Aurora
Australis (Güney ışıkları)
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA
2005
tarafından yayılır
Van Allen magnetik kuşakları ve Aurora oluşması
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Solar flare
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Proton çarpışmalarında
pion (π) ve kaon (K) tipi mezonların oluşması
ve onların bozunmaları
pp→ppKK
pp→ppπ
pn→pnKK
pn→pnπ
K → π π (π)
π → µ νµ
µ → e νe νµ
νe : elektron tipi nötrino
νµ : müon tipi nötrino
nötrinoların etkileşmeleri
νe e → νe e
νµ e → νµ e
νe p → νe p
νe n → νe n
νµ p → νµ p
νµ n → νµ n
νe n → e p
νe p → e n
νµ p → µ n
νµ n → µ p
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
elektron
pozitron müon
ve daha bir çok parçacık
nötrino
Hızlandırıcılar ile yapılan deneylerde bulunan parçacık sayısı zamanla çok artınca
bunların çoğunun temel parçacık olmadığı anlaşıldı
Bildiğimiz her parçacığın bir antiparçacığı vardır
(bazı parçacıkların antiparçacığı kendisidir, foton gibi)
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Elektrik yük taşıyan parçacıklar
Serbest olarak gözlemlediğimiz
elektronun yükü:
p± , e ± , µ ±, τ ±, π ± , K ±, ...
parçacıklar için
-e = -1.6 x 10-19 Coulomb
elektrik yük sadece
Elektrik yük taşımayan parçacıklar
elektronun taşıdığı yükün
tam katları olabilir
γ , n , ν , π0 , K0, ...
Serbest n (nötron) bozunur, ortalama ömrü ≅ 887 s
n → p e- ν’e (ν’e: elektron tipi anti nötrino)
e (elektron) , p (proton), γ (foton), ν (nötrino) → bozunmayan parçacıklar
Proton, nötron ve diğer bir çok parçacığı oluşturan
temel parçacıklar Kuarklardır
Kuarklardan oluşmuş parçacıklar (Hadronlar)
ya kuark-antikuark (qq’) bağlı durumlarıdır (Mezonlar)
veya kuark-kuark-kuark (qqq) bağlı durumlarıdır (Baryonlar)
e, µ, ν temel parçacıklardır ve Leptonlar olarak adlandırılır
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Bugün bildiğimiz temel parçacık grupları
Ayar Bozonları
foton
Kuarklar
gluon
Z0 ve W±
Leptonlar
Serbest olarak gözlediğimiz
parçacıklar renksiz olmalıdır
Kuarkların elektrik yükü
Baryonları (qqq) oluşturan üç kuark
elektron yükünün
her an değişik renkte olup, baryonlar
2/3 veya 1/3 katıdır,
net olarak renksizdir
bu nedenle serbest olarak
gözlenemezler
Kuarklar “renk” denen bir tip yük daha taşırlar
3 cins renk yükü vardır: kırmızı, mavi, yeşil
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Mezonları (qq’) oluşturan kuark ve antikuark
her an değişik bir renk ve onun antirenginde olduklarından,
mezonlar net olarak renksizdir
Ayar bozonlarından olan gluonlar da renk ve antirenk taşıdıklarından
serbest olarak gözlenemezler
Spin : açısal momentum (Plank sabiti h/2π cinsinden)
Fermionlar için ½ veya katları
Bozonlar için tam sayı
Temel etkileşmeler
Etkileşmenin adı:
Kütle çekimi, Zayıf,
Elektromagnetik, Kuvvetli
Etkileşmenin ayar bozonu:
Graviton, Z0 ve W±, foton, gluon
Hangi temel parçacıkları etkilediği:
Hepsi, kuarklar ve leptonlar,
kuarklar ve W±, kuarklar ve gluonlar
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Özet Tablolar
Temel parçacıklar
(kuarklar , leptonlar)
ve
Etkileşmelerini
sağlayan ayar bozonları
Hadronların
(baryonlar ve mezonlar)
gruplandırılması
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
1.5 x 1010 yıl
5 x 109 yıl
109 yıl
Parçacıkları ve etkileşmelerini
anlamak için yaptığımız
deneylerde kullandığımız
Hızlandırıcılar,
evrenin oluşumundaki
sırları keşfetmemiz
için elzemdir
1013 s
102 s
10-10 s
10-34 s
10-43 s
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
PARÇACIKLARI GÖZLEMLEME TEKNİKLERİ
ve
DETEKTÖRLER
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Sadece elektrik yükü olan parçacıkları doğrudan gözlemleyebiliriz
Yüksüz parçacıklar, etkileşmelerinde yüklü parçacıklar yaratırsa,
dolaylı olarak gözlemlenebilir
Parçacıkları gözlemleyebilmek için kullanılan bütün teknikler
sadece elektromagnetik etkileşmelerini kullanır
Magnetik alanda sapmalarından hem elektrik yükünün + veya – olduğu hem de
momentumları belirlenebilir: p⊥ (GeV/c) = 0.3 z B(T) R(m)
İyonizasyon/Uyarma:
Elektrik yüklü parçacıkların bir madde içinden geçerken
atomlarla çarpıştıklarında
enerji kaybetmelerine sebep olan bir mekanizmadır
Bethe-Bloch
formula:
κ ~ 0.3 MeV cm2/g
Kozmik ışınlar ve radyoaktivite yarattıkları iyonizasyon dolayısıyla keşfedildiler
Madde içinde yavaşlayarak duran bir parçacığın
kaybettiği enerji miktarı kinetik enerjisi kadardır
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
İyonizasyon miktarı parçacık
kimliği tesbitinde kullanılabilir
PEP-4 TPC
β = v/c, γ2 = 1/(1-β2)
dE/dx ~ 1/β2
(dE/dx)min ~ 2 MeV cm2/g (He, D2, polietilen plastikler)
(dE/dx)min ~ 4 MeV cm2/g (sıvı H2)
(dE/dx)min ~ 1 MeV cm2/g (U)
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Bragg eğrisi
x
Elektrik yüklü hadronların bir ortamda ilerlerken kaybettikleri enerji
durmalarına yakın bir maksimum gösterir
Durdukları mesafe ise ilk enerjilerine bağlıdır
Tıpta hadron terapi uygulamalarının esası buna dayanır
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Yüksek enerjili (E) elektronlar veya fotonlar
Z protonlu atomlardan oluşmuş bir ortam içinden geçerken
E >> Kritik enerji: Ec ise,
enerjilerinin büyük kısmını elektromagnetik (EM) “shower” oluşturarak harcarlar
EM “shower” oluşumunda küçük bir miktar enerji
nötron, proton ve pion çıkmasına da yol açar
X0 : Radyasyon uzunluğu (“radiation length”) E nin 1/e kadar azaldığı mesafe
E ~ Ec olunca iyonizasyon/uyarma ile kaybedilen ortalama enerji, “shower”ın bir
adımında kaybedilen ortalama enerji ile aynıdır.
Deneyle uyumlu olan basit bir modellemede şunları kabul edebiliriz:
Her X0 mesafesi sonunda parçacık sayısı (e+, e-, γ) iki kat artar
Başlangıçtan itiberen n tane X0 mesafesi katedildiğinde parçacık sayısı 2n olur
Parçacık başına ortalama enerji E/2n = Ec olunca “shower” durur
⇒ “shower” derinliği en fazla n = ln(E/ Ec )/ln2 tane X0 mesafesi kadardır
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
elektron
foton
pozitron
•Elektron veya pozitron EM alanda Coulomb saçılması ile ve
ivmelenmeye tepki olarak foton (Bremsstrahlung) atıp
yavaşlarlar, Elektron tüm kinetik enerjisini
kaybettikten sonra durur
•Pozitron, ya durmadan veya durduktan sonra,
ortamdaki bir elektron ile birleşir,
toplam enerji ile 2 foton yaratılır
elektromagnetik (EM)
“shower” oluşumu
•Foton, EM alan ile etkileşip elektron-pozitron çiftleri
yaratarak ve defalarca Compton saçılması yaparak, sonunda
fotoelektrik yutulma ile tüm enerjisini bir elektrona verir
Yüksüz olan fotonları dolaylı olarak gözleyebiliriz:
Fotonların madde ile etkileşmeleri:
• Fotoelektrik olay ile yutulma
• Compton saçılması
• Elektron-Pozitron çifti yaratılması
(enerjileri yeterli ise µ± veya τ± yaratabilirler)
eee- e+
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Düşük enerjilerde
Elektron, Pozitron ve Foton etkileşmelerinin özeti
Coulomb saçılması:
e p →e p
Möller saçılması:
ee→ ee
Bhabba saçılması:
e- e+ → e- e+
Yok olma (annihilation): e- e+ → γ γ
Bremmstrahlung:
e (EM alan) → γ e
(sinkrotron ışınımı:
e→ γe
magnetik alanda sapmaya tepki)
Compton saçılması:
Çift yaratma:
Fotoelektrik yutulma:
γ e- → γ eγ (EM alan) → e- e+
γ e- → e-
Hadronlar da bir ortamda ilerlerken atom çekirdekleri ile kuvvetli etkileşerek
hadronik “shower” yaratırlar
Radyasyon uzunluğu yerine nükleer etkileşme uzunluğu (“interaction length”)
ile parametrize edilirler
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Fotoğraf plakası
cam üzerine sıvanmış, ışığa duyarlı, gümüş tuzları
En eski detektör:
Floresan Ekran
(sintilasyon ekranı)
elektrik yüklü bir parçacık bu
tip bir ekrana çarpınca
gözümüz çarpma noktasında bir
ışık flaşı görür
(örneğin ZnS)
H. Becquerel, uranyum örneklerinin siyah kağıda sarılmış
fotoğraf plakasını etkilediğini gözleyerek
doğal radyoaktiviteyi buldu (1896)
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Çok düşük basınçta çeşitli gazlar ile doldurulan
Crookes tüpleri (CRT) ile, anot-katot arasına
yüksek voltaj uygulayarak elde edilen katot ışınlarının,
magnetik alanda sapmalarından e/m oranları ölçüldü ve
bu parçacıkların aslında elektronlar olduğu anlaşıldı
J.J. Thomson (1897)
Katot ışınları keşfedildi
Crookes (1879)
Röntgen, Crookes tüpleri yakınındaki fotoğraf plakalarının
karardığını görerek x-ışınlarını keşfetti (1895)
Geiger-Marsden-Rutherford deneyi ile atom çekirdeğinin varlığı kanıtlandı (1911)
ZnS
(en basit detektör)
detektör
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Rutherford saçılması:
Elektrik yükü z olan bir parçacığın Z yüklü bir çekirdekten saçılma
tesir kesidinin (σ) saçılma açısına (Θ) bağlılığı
dΩ = 2π cosΘ dΘ
me : elektron kütlesi
re : klasik elektron yarıçapı= 2.8 x 10-15 m
Alfa (α) parçacığı için z = 2e
Altın (Au) çekirdeği için Z = 79e
“Multiple Coulomb Scattering”: Elektrik yüklü parçacıklar bir ortamdan
ortamdan geçerken ortamdaki
atom çekirdeklerinden defalarca elastik olarak saçılırak yollarından
yollarından saparlar ~ Rutherford saçılması
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Kanal ışınları
E. Golstein (1886)
Elektronlar
(katot ışınları)
anoda giderken,
iyonize olmuş gaz
molekülleri katoda
giderler ve
kanal ışınları
oluşur
Görünen renklenme
kanal ışınları ve
katot ışınlarının gaz
moleküllerini
uyarması sonucu
çıkan fotonlardır
Hidrojen gazı kullanıldığında çıkan kanal ışınlarının protonlar olduğu keşfedildi
J.J. Thompson
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
TV
En bildiğimiz Hızlandırıcı-detektör sistemi
-20 kV
e-
0 kV
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Elektronların
Kinetik enerjisi
E – mc2 = 20 keV
Kütle enerjisi
mc2 = 511 keV
pc = 144 keV
Dalga boyu
λ = h/p ~ 10-2 nm
“Emulsion”
π
µ
e
~ 600 micron
En eski detektörlerden biri olan “Emulsion” ile tesbit edilmiş π → µ → e
bozunması,
π → µ νµ
µ → e νe νµ 3 nötrino elektrik yüksüz olduklarından ve
sadece zayıf etkileştiklerinden gözlenememiştir (1947)
50 micron
Nükleer fotoğraf emülsiyonu,
elektrik yüklü bir parçacık geçince, normal fotoğraf filmi gibi,
parçacığın geçtiği yolun izini kaydeder
Fark sadece “emulsion”ın daha kalın olmasıdır (~ 1 mm)
Fotoğraf filminde noktasal olacak izi bir çizgi olarak kaydeder
Develop edilince parçacığın izi kalıcı olarak kaydedilmiş olur
Fakat hiç bir şekilde zaman bilgisi taşımaz, yani
izlerin integralini alan bir detektördür
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Elektroskop
T. Wulf (1907)
Statik elektrik yüklenince yapraklar açılır
İçindeki havayı iyonize eden bir unsur olursa yük boşalır, yapraklar kapanır
Yaprakların kapanma hızı iyonizasyon miktarını ölçer
V.F. Hess kozmik ışınları keşfetti (1912)
Balon ile atmosferde yükseldikçe elektroskop boşalıyordu
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Gazlı detektörlerin genel prensibi
Elektrik yüklü parçacık
geçtiği yol boyunca
Gazı iyonize eder
Elektrik yüklü
parçacık
+Pozitif iyonlar katoda,
negatif iyonlar (elektronlar)
anoda doğru hızlanırlar
anod ve/veya katod’da
toplanan elektrik yük
bir sinyal oluşturur
+++-
+-
Yüksek voltaj
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Gieger-Müller detektörü
(1929)
Metal bir silindir ve
ekseni boyunca gerilmiş bir telden
oluşan, içi gaz dolu (Ar) bir odacık
Ortadaki tel ~ +2 kV, metal kap
topraklanmış olarak tutulur
µ
Elektrik yüklü bir parçacık içinden geçince
gazı ionize eder,
anot-katot arasında bir akım oluşur
Bu sinyali, duyulan bir klik sesine dönüştürür
Parçacığın kimliğini belirleyemez
Saniyede kaç parçacık geçtiğini sayarak
radyasyon şiddeti
hakkında fikir sahibi olunur
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Kozmik ışınlarla
bir deney şeması
Sis odası (Cloud chamber)
C.T.R. Wilson (1911)
Odacığın içinde bulunan su buharına
doymuş hava aniden genişletildiğinde soğur
Buhar yoğunlaşmaya hazır duruma gelir
İlk
model geçen bir
Bu durumda,
parçacığın yarattığı
iyonlar etrafında su
damlacıkları oluşur,
parçacığın izi görülür
Sis odası içine
konmuş Pb levha ile
oluşturulmuş
bir “shower”
Geliştirilmiş sis odası etrafına magnetik alan
uygulanarak, parçacıkların sapmalarından
elektrik yükleri belirlenmiştir
Parçacıkların izlerini gözleyebildiğimiz
en temel detektördür
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Kozmik ışınlarda Pozitron’un keşfedilmesi
C.D. Anderson (1932)
Antimaddenin ilk kanıtı
⊗B
Parçacık izinin eğriliği
kurşun levhadan sonra
artmış yani levhadan
geçerken enerji kaybettiği
için yavaşlamış
Magnetik alanda sola
sapması pozitif yük
taşıdığını gösteriyor
e+
Proton olsaydı
etkileşmeden bu
kadar uzun yol
gidemezdi
pozitron elektronun anti parçacığıdır
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Ardarda konulmuş Pb levhalar içeren
Wilson sis odasında
görüntülenmiş birkaç “shower”
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Sis odasından geçen bir parçacığın
oluşturduğu iyonların üzerinde meydana
gelen yoğunlaşmanın elektrik alanda
ayrışması ve difüzyonu
Magnetik alanda helix çizen
bir parçacık izi
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Kabarcık odası (Bubble chamber)
D. Glaser (1952)
Glaser ve
sıvı Xe
kabarcık odası
(Brookhaven
National Lab)
İçindeki sıvı (örneğin sıvı H2) basınç altında kaynama noktasının üzerine ısıtılmıştır
Ani bir genişleme ile basınç azalırsa, geçen elektrik yüklü parçacıkların oluşturduğu
iyonlar civarında sıvı kaynayarak kabarcıklar oluşturur ve
bunun fotoğrafı çekilerek analiz edilebilir
Çok detaylı ve hassas olarak izleri belirleyebilir ama saniyede ancak bir kaç olay
kaydedebildiğinden, bugün arzu edilen istatistikler için yeterli değildir
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Kabarcık odası resimleri
Kabarcık odasını, penceresi olan bir
düdüklü tencereye benzetebiliriz
Antiproton etkileşmesi
p’ p → 4π+ 4πPion bozunumu
π+ → µ+ νµ
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Ω-
K- demetinin
Kabarcık
odasındaki
izleri ve
etkileşmesi
parçacığının bulunması
N. Samios (1963)
K- p → Ω- K+ K0
K0 → π- π+
Ω- → Λ0 KΛ0 → p πK- → π− π0
π0 → γ γ
⊗B
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Pozitif yük
saatin ters yönünde,
Negatif yük
saat yönünde
sapmış
Kabarcık odası resimlerinin
taranıp ölçümlerin
kaydedildiği düzenek
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Fototüp
PMT (Photo Multiplier Tube)
PMT ’ ler çeşitli boyda
ve şekilde olabilir
Fotokatot
üzerine düşen fotonlar
fotoelektrik olay
ile elektronların çıkmasını sağlar
QE: Kuatum verimi = alınan sinyal sayısı/gelen foton sayısı
PMT’ler için QE ~ %20
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Penceresi (fotokatot) yandan olan bir PMT’nin çalışması
fotoelektrik olay ile yaratılan her elektron
anoda doğru hızlanırken bir dizi
metalik yüzey (dynode)
ile çarpıştıkça bir elektron “shower” oluşur
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Çeşitli PMT’ler
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Sintilatörlü detektörlerin genel prensibi
Elektrik yüklü
parçacık
(özel hazırlanmış plastik,
sıvı veya kristal madde)
Sintilatör
γ
PMT (Photo Multiplier Tube)
γ
Yüksek voltaj
Sinyal (hızlı: ~ ns)
Sintilatörden (levha, fiber vb. şekillerde) geçen elektrik yüklü parçacık,
yolu üzerindeki atomları uyarılmış seviyelere geçirir.
Bu atomlar normal seviyelerine dönerken
sintilasyon ışıması (fotonlar) yayarlar (λ ~ 400 nm)
Sintilasyon fotonları PMT penceresine doğru yönlendirilir.
PMT penceresine çarpan fotonlar fotoelektronların çıkmasına sebep olur.
PMT içinde bu elektronların sayısı çoğaltılarak bir sinyal oluşturulur.
Yaratılan fotoelektron sayısı (yani sinyalin büyüklüğü)
parçacığın sintilatörden geçerken kaybettiği enerji ile orantılıdır.
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Işık yönlendiriciler
“Light guide”
Sintilatör ile PMT arasındaki bağlantı ünitesi
Çeşitli plastik levha, optik fiber, vb.
PbWO4 kristali (sintilatör)
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Nötrinoların etkileşmesini gözleyerek varlıklarını kanıtlayan ilk deney
F. Reines, C. Cowan (1956)
İçi su ve suda erimiş bir miktar CdCl2 dolu
tankın etrafını çevreleyen PMT’lerden oluşan
detektör
Savannah River nükleer reaktöründen
11 m mesafede, yerin 12 m altında
antinötrino etkileşmelerini gözledi
ν′e p → e+ n
e+ e- yokolması ile yaratılan sırtsırta γγ
γ←
1m
→γ
tankın üst ve altında bulunan
sıvı sintilatör-PMT sistemleri ile eşzamanlı
olarak algılanır
Mikrosaniyeler sonra nötron Cd tarafından
yutulur ve yeni çekirdek fotonlar çıkarır
Bu fotonlar da sintilatör-PMT sistemi ile
gözlenir
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Bir nükleer reaktörden
saniyede 1 cm2 ye ~ 1013
nötrino yayılır
Kıvılcım odası
(Spark chamber)
Büyük bir potansiyel farkı uygulanmış anot-katot arasındaki gazdan geçen bir
parçacığın oluşturduğu iyonlar boyunca bir akım (“discharge”) meydana gelir
Anot olarak paralel teller kullanılır
Parçacığın izi olan bu kıvılcımlar gözle görülebildiği gibi
x-y koordinatları elektronik olarak algılanarak kaydedilebilir
Demir levhada etkileşen nötrinonun
yarattığı µ‘ un kıvılcım odalarındaki
izleri
Müon tipi nötrinonun (νµ)
varlığının kanıtlanması
L. Lederman,
M. Schwartz,
J. Steinberger
(1962)
Detektör paketi: Demir levha
ve kıvılcım odası dizisi
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
µ
Kıvılcım odalarından oluşmuş bir
detektör sisteminin tetiklenme prensibi
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Brookhaven National Laboratory (BNL)
30 yıl önce...
Kıvılcım odası (spark chamber)
Hyperon rezonanslarını (Y*) aramak için
23 GeV/c momentumlu Σ− (Ξ −) demeti
değişik hedeflere (A = H2, Al, Cu, W, Pb)
çarptırıldı ve Λ0 π− son durumlarına bakıldı
Σ− A →Y*− X
−
0 −
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA Y*
2005 → Λ π
“Multi Wire Proportional Chamber (MWPC)”
G. Charpak (1968)
Paralel tellerden oluşmuş iki ayrı düzlem
x-y koordinatlarını belirlemede kullanılabilir
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Kalorimetre
Hadronik ve EM “shower” oluşumunu sağlayarak
parçacıkların tüm kinetik enerjilerini tutar
Genelde metal ve sintilatör katmanları şeklindedir
Sintilatörlerden fototüplerle algılanan enerjilerin toplamı ölçülür
Ayrıca koordinat belirleme görevi de yapabilir
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Cherenkov detektörü
(1937)
Şeffaf bir ortamda, ışık hızından
daha hızlı hareket eden bir parçacığın
v > c/n
yavaşlamak için yaydığı enerji
Mavi-ultraviole dalga boylarında fotonlar
şeklinde olup bir koni ile sınırlıdır
Koni açısı Θ ölçülerek parçacığın hızının,
Magnetik alandaki sapmasından
parçacığın momentumunun belirlenmesi,
Parçacığın kütlesinin yani hangi parçacık
olduğunun (kimliğinin) bilinmesi demektir
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Kırmızı nokta: Gözlemci
v > c/n
Mavi nokta: Cherenkov ışınımı yapan parçacık
v = c/n
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
v < c/n
“Transition radiation” (TR) detektörü
Parçacıkların geçtiği ortamın dielektrik sabiti değişiyorsa bu
TR yaparak bir miktar enerji azaltmalarına neden olur
TR fotonları x-ışını dalgaboylarındadır
Örneğin elektronlar’ın TR yapma olasılığı pionlar’a nazaran çok daha fazladır
Bu özellik yine parçacığın cinsini belirlemekte kullanılır
Çok yüksek enerjili parçacıkların kimliğini tesbit etmek için en uygun detektördür
Elektronların gazlar içindeki
“drift” hızı ~ 104 – 105 m/s
“Drift” tübü kesiti
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
“Drift Chamber”
Düzlemsel, silindirik veya tüp geometrisinde olabilir
E
gas
cathode
Ethreshold
b
a
1/r
anode
a
r
Elektrik alanın şekillendirilmesi
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
DELAY
Stop
TDC
Start
scintillator
drift
low field region
drift
anode
high field region
gas amplification
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
“Thin Gap chambers (TGC)”
cathode pads
ground plane
graphite
3.2 mm
G10 (support)
50 µm
4kV
2 mm
Gaz:
CO2/n-pentane
(≈ 50/50)
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
“Resistive plate chambers (RPC)”
10 kV
2 mm
spacer
bakelite
(melamine
phenolic laminate)
pickup strips
Gaz:
C2F4H2, (C2F5H) + isobutane
15 kV
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
TPC (Time Projection Chamber)
PEP-4 TPC
Parçacıkların izleri 3-boyutlu olarak inşa edilebilir
x-y koordinatları tellerden belirlenir
z koordinatı “drift” zamanından belirlenir
Ayrıca dE/dx bilgisi de verir
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Hadronik “shower”
EM “shower”
ICARUS detektörü
sıvı Ar TPC
Dijital kabarcık odası
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Telli odacıklar (“wire chambers”)
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Katıhal detektörleri
elektron-”hole” çiftleri yaratılır
CCD
Sıralar ve sütunlar halinde dizilmiş
Pixel’lerden oluşur
Her pixelin sinyali ayrı ayrı algılanır
koordinat belirlemede en hassas
detektörlerdendir
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
15 cm CCD’ler
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Silikon “strip” detektörleri
mikrometrik Silikon şeritler (“strips”)
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
“Microstrip” gaz odaları
Gaz: Ar-Ne
drift electrode (ca. -3.5 kV)
C (-700V)
10 µm
100 µm
A
substrate
backplane
Au şeritler (“strip”)
A
ions
C
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
300 µm
80 µm
3 mm
gas volume
quark-antiquark quark-antiquark
jetleri
gluon jetleri
e+ e-
µ+ µ-
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
τ+ τ-
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
ALEPH detektörü
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
BaBaR detektörü
SLAC
e+e- → bb’
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
b-kuark’ın varlığının kanıtlanmsı
E288 deneyi L. Lederman (1977)
Upsilon parçacığı (bb’)
t-kuark’ın varlığının kanıtlanması
CDF ve D0 deneyleri (1995)
t-t’
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Super-Kamiokande detektörü
~ 1 km yeraltında
~ 50 000 ton su dolu silindirik bir tank
~ 11 000 adet 50 cm yarıçaplı fototüp
νµ veya νe etkileşmelerinde yaratılan
müon veya elektronun
Cherenkov ışınımını gözlenir
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
CHARM II nötrino detektörü
CERN nötrino demetinin etkileşmeleri
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
C. Rubbia
CERN UA1 deneyi
W+ W- Z0
parçacıklarının gözlenmesi
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
ντ nın varlığının kanıtlanması
DONUT deneyi – FNAL
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
DONUT detektörü
Muon ID
Calorimeter
Drift Chambers
Magnet
Emulsion and
Sci-Fi Planes
ν
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Hızlandırılmış çekirdek çarpışmaları
Au-Au BNL
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Gravitational Waves
Gravitasyon dalgalarının
aranması için tasarlanan ve
inşa edilen bir
çok detektör sistemi vardır
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Graviton
varlığı henüz kanıtlanmamış
temel parçacık
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Higgs
Henüz varlığı kanıtlanmamış temel parçacık
Tüm parçacıkların kütle kazanmasını sağlayan parçacık
ATLAS deneyi Higgs parçacığını arayacak
2007 yılından itibaren LHC hızlandırıcısında data almaya başlayacak
LHC (Large Hadron Collider)
CERN laboratuarı
proton-proton çarpıştırıcısı
7 TeV – 7 TeV → 14 TeV toplam enerji
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
ATLAS detektör sisteminin şeması
Yaklaşık 45 m x 24 m
Soledoid magnet
Toroid magnet
p
p
Elektromagnetik
kalorimetre
Müon detektörleri
RPC’ler, TGC’ler
Müon drift tüpleri
İç detektör:
Silikon Pixel detektörü
Silikon Strip detektörü
“Transition Radiation” detektörü (TRT)
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU
- ANKARA
2005
Solenoid
magnet
Hadronik kalorimetre
ATLAS detektörü
Her proton demeti
1011 proton içeriyor
p
p
Karşılıklı iki proton demeti
her 25 nanosaniyede bir
detektörün ortasında
buluşunca yaklaşık
20 proton – proton
çarpışması olacak
Bu da her saniyede
800 milyon proton – proton
çarpışması demek
Trigger – DAQ
Her saniye, yeni fizikle ilgili 10 – 100 olay ayıklanıp kaydedilecek
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Bu olayların içinden yeni
fizik ile ilgili olanlarını
seçip ayıklamak işi
Cockroft-Walton Yüksek Voltaj Jeneratörü
(CERN Laboratuarı)
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Elektron veya proton demetini hızlandırmada ilk adım
CERN Laboratuarında
yapılmış ilk kabarcık odası
GARGAMEL
adlı kabarcık odası
(CERN Laboratuarı)
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
BEBC
(Big European Bubble Chamber)
Adlı kabarcık odası ve pistonu
(CERN Laboratuarı)
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
RF Cavity
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Parçacık Hızlandırıcıları Laboratuarları Listesi
TAC: Turkish Accelerator Complex
Gerçekleşince
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
CERN Laboratuarı girişinde dalgalanan üye ülkelerin bayrakları
Türkiye AB nin üyesi olmuş demektir
1. ULUSAL HIZLANDIRICI YAZ OKULU - ANKARA 2005
Gerçekleşince
Download

Parçacık Detektörleri