İsa DUMANOĞLU - Enerji Ölçümü

PARÇACIK FİZİĞİNDE
KALORİMETRELER
İsa DUMANOĞLU
ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ
ADANA/TURKİYE
•
İçerik
– Büyük Hadron Çarpıştırıcısı
– BHÇ Dedektörleri
• CMS
• ATLAS
– Soğansı Dedektörler
– Duşlar
• EM Duşlar
• Hadronik Duşlar
– Kalorimetreler
• EM Kalorimetre
• Hadronik Kalorimetre
– Enerji Ölçümü
• Enerji Doğrusallığı
• Enerji Çözünürlüğü
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
2
BÜYÜK HADRON ÇARPIŞTIRICISI
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
3
BHÇ
27 km’lik tünelin ~ 65%’i 1232 süper iletken dipol mıknatısla kaplıdır.
Bunların uzunluğu 14.3m, çalışma sıcaklığı 1.9 oK ve manyetik alanı B = 8.3T
500 tane kuadrapol mıknatıs 215T/m,
1200 ton süper-iletken kablo ve 40.000 ton materyal 1.9 oK’deki süper-sıvı He
sıcaklığında tutuluyor.
Tevatron p-p 2.000 GeV 3*1032 cm-2 s-1
TOTE
M
LHC
LHC
pp 14.000 GeV
1034 cm-2 s-1
pp 7.000 GeV
~1032 cm-2 s-1
in 2011
~ 3x1033 cm-2 s-1
in 2012 8.000 GeV ~ 7x1033 cm-2 s-1
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
4
CERN HIZLANDIRICI ZİNCİRİ
Protonun hızı
V = 0.999999 c
0.999999c
Protonlar 450 GeV/c’ye
kadar hızlandırılır.
Protonlar 26 GeV/c’ye
kadar hızlandırılır.
Protonlar hızlandırılmaya
buradan başlar.
0.3c
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
0.87c
5
CMS
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
6
ATLAS
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
7
SOĞANSI DEDEKTÖRLER
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
8
SOĞANSI DEDEKTÖRLER
Materials with high number of
protons + Active material
Hermetic calorimetry
• Missing Et measurements
Heavy materials
Electromagnetic
and Hadron
calorimeters
• Particle identification
(e, Jets, Missing E T)
• Energy measurement
µ
e

Muon detector
n
• µ identification
p

Heavy materials
(Iron or Copper + Active material)
Light materials
Central detector
• Tracking, p T, MIP
• Em. shower position
• Topology
• Vertex
Each layer identifies and enables the measurement of the
momentum or energy of the particles produced in a collision
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
9
CMS DEDEKTÖRÜ
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
10
CMS
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
PARÇACIKLARIN CMS
DEDEKTÖRÜYLE ETKİLEŞMESİ
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
12
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
13
LHC-B
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
15
ALGILAMA MEKANİZMASI
Sıcaklık ölçümü?
106 tane 100 GeV’lik proton 1Ton demirin sıcaklığını ne kadar değiştirir?
9
19
10
1
.
6

10
J 1Kal
106 100GeV 


 3.81103 Kal
1GeV
1eV
4,19 J
Q
3.81103 Kal
T 

 33 109 0C  33n0C
mc 106 g  0.115 Kal
g 0C
• Parçacıklar maddeyle etkileştiği zaman algılanabilecek
sinyal üretebilirler.
– Sintilasyon
– İyonizasyon
– Çerenkov Işıması
• Dedektörlerde üretilen sinyalin gelen parçacığın
enerjisiyle orantılı olması önemlidir.
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
16
ELEKTROMANYETİK(EM) DUŞ
•
•
•
•
•
Kalın bir soğurucu üzerine
düştüklerinde yüksek enerjili
elektronlar/fotonlar bir EM duş(çığ)
oluştururlar.
Duş frenleme ışıması
(bremsstrahlung) ve çift
oluşumuyla gerçekleşir.
Duşun gelişimi esnasında derinlik
arttıkça ikincil parçacıkların sayısı
artarken ortalama enerji azalır.
Enerji kritik değere ulaşınca yeni
parçacık üretimi durur ve duş
gelişimi sönmeye başlar.
Bu durumda parçacıklar iyonizyon
ve uyarma yoluyla enerji
kaybetmeye başlar.
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
17
EM DUŞLAR-TEMEL KAVRAMLAR
Kritik Enerji= Radyasyonla olan enerji kaybının iyonizasyonla olan enerji
kaybına eşit olduğu enerji değeri.
Parçacığın enerjisi kritik enerji değerine düştüğünde duş gelişimi durur.
Katı ve sıvılar için
610 MeV

Z  1.24
e için kritik
enerji
710MeV

Z  0.92
Gazlar için
Radyasyon uzunluğu=Elektronun 1/e dışında bütün enerjisini kaybettiği uzunluktur.
X0 
716 gcm 2 A
Z ( Z  1) ln( 287 / Z )
 180 gcm  2 A / Z 2
Fotonlar için önemli nicelik ise ortalama serbest yoldur. Bu, enerjisi bir elektron-pozitron çifti
yaratmaya yetecek bir fotonun çift yaratmadan önce gidebileceği ortalama yoldur ve
L.çift=9X0/7
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
18
EM DUŞLAR-TEMEL KAVRAMLAR
Elektronlar için enerji kaybı
Fotonlar için tesir kesiti
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
19
EM DUŞLAR-TEMEL KAVRAMLAR
Moliere yarıçapı= Kritik enerjideki bir elektronun bir radyasyon uzunluğu yol
kat ettikten sonraki ortalama sapmasının ölçüsüdür.
RM
21MeV

X0
 ( MeV )
1 RM  90% enerji
3RM  99% enerji
Malzeme
Enine duş gelişimi
Fe
Cu
U
Pb
Ar
Kritik Enerji(MeV)
Moliere yarıçapı(cm)
22
20
6.5
7.3
38
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
1.68
1.5
1.03
1.61
7.7
20
EM DUŞLAR-TEMEL KAVRAMLAR
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
21
EM DUŞLAR
100 GeV’lik elektronların NA48 sıvı Kripton
kalorimetresinde ürettiği duşun GENAT4
simülasyonu.
Solda duştaki fotonlar, sağda elektronlar.
Kabarcık odasında ölçülen elektromanyetik duş.
Ara bölmeler kurşun plakalardan oluşuyor.
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
22
EM DUŞLAR
10 GeV’lik elektronları değişik soğuruculardaki EM çığ gelişiminin EGS4 paket
programıyla yapılan benzetimi.
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
23
EM DUŞLAR
Değişik enerjili pionların kurşunda oluşturdukları çığın benzetimi
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
24
EM DUŞLAR-PARAMETRİZASYON
t  x / X0
y  E /
t95%  t max  0.08 Z  9.6
dE
(bt ) a 1 e bt
 E0b
dt
( a )
a ve b sabitleri parçacığın
doğasıyla ilgili sabitlerdir
Gelen Elektron
Gelen Foton
Çığın tepesi, tmax
ln(y1)
lny0.5
Ağırlık merkezi, tmed
tmax +1.4
tmax+1.7
Tepede e ve e+ sayısı
0.3y(lny0.37)1/2
0.3y(lny0.31)1/2
Toplam iz uzunluğu T
y =E/
y
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
25
HADRONİK DUŞLAR
2
  35A gcm
1/ 3
Nükleer Etkileşim Uzunluğu=Enerjitik bir hadronun bir
nükleer etkileşime girmeden gidebileceği serbest yol.
• Hadronik duşların ölçümü EM duşlara benzerdir.
• Hadronik duşlar EM duşlardan oldukça uzun ve
geniştir.
• Oldukça değişik ve karmaşıktırlar.
• EM ve hadronik olmak üzere iki bileşeni vardır.
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
26
HADRONİK DUŞLAR
Maviler yüklü hadronlar kırmızılar em bileşenler
Hadronik duşlar elektromanyetik duşun aksine düzgün enerji birikimi göstermezler.
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
27
KALORİMETRELER
• Kalorimetreler parçacıkların enerjisini elektromanyetik
ve/veya hadronik duşlar aracılığıyla ölçer.
• Ölçüm sırasında genellikle ölçülen parçacık soğrulur.
• Kalorimetreleri geçebilecek tek yüklü parçacıklar
muonlardır.
• Parçacığın enerjisinin sadece küçük bir kesri ölçülebilir bir
sinyale dönüştürülür. (sintilasyon, iyonizasyon,…)
• Enerjinin büyük bir kısmı ısıya dönüşür. Fakat sıcaklık
artışı ölçülebilir değildir. (1 ton materyalde 107 TeV’lik
enerji sıcaklığı sadece birkaç piko Kelvin değiştirir)
• Kalorimetreler duşun tamamını içerecek kadar büyük
olmalıdır.
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
28
KALORİMETRELER
•
Kalorimetreler hem yüklü hem de nötr parçacıklara duyarlıdırlar.
–
•
Kalorimetrelerin boyutları enerjiyle logaritmik olarak değişir.
Spektrometrelerin boyutlarıyla momentumun kareköküyle değişir.
–
•
•
•
•
•
Nötral parçacıklar madde ile etkileşir ve yüklü parçacık yaratırlar.
Bu aynı mertebedeki ölçümler için kalorimetrelerin daha küçük olarak yapılmasını sağlar.
Bölümlendirilmiş kalorimetreler duş hakkında daha çok bilgi verebilir.
Böylece gelen parçacığın konumu ve açısı daha hassas ölçülebilir.
Elektron, muon, hadron, … parçacıklara verdiği tepkinin farklı olması
parçacığın kimliğinin tanınması için kullanılabilir.
Hızlı yanıt zamanları ile yüksek parçacık oranlarında kullanılmalarına izin
verir. LHC’de protonlar her 25ns’de bir kesişiyor.
Enerjinin kalorimetredeki dağılım deseni hızlı online olay seçimi için
kullanılabilir.
Kayıp enerji ölçülebilir( Eğer detektör hermetikse). Bu ölçüm nötrino ve
zayıf etkileşen parçacıklar için ipucu oluşturur.
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
29
HOMOJEN KALORİMETRELER
• Tüm dedektör aynı materyaldan yapılır.
Örneğin NaI, BGO, CsI
• En büyük avantajları mükemmel enerji
çözünürlüğüdür. Çünkü gelen parçacığın
bütün enerjisi aktif ortamda depolanır.
• Boyuna ve enine şekillendirilmeleri çok kolay
değildir. Bu da parçacık tanımlaması ve
konum ölçümüne ihtiyaç duyulduğunda
dezavantajdır.
• Telafi edici değildirler ve uygun materyallerin
çoğu büyük etkileşim uzunluğuna sahip
olduğundan çok nadir olarak hadron
kalorimetresi olarak kullanılırlar.
e= saf EM tepki
h=saf hadronik tepki
e / h  1 Telafi edici
e / h  1 Telafi etmeyici
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
30
HOMOJEN KALORİMETRELER
•
Yarıiletken kalorimetreler
– İyonize izler yarıiletken materyalin iletim ve valans bandında elektrik sinyali
üretimine yol açan elektron-deşik çiftleri oluşturur.
– Örneğin germanyum ve silikon kristaller
•
Çerenkov Kalorimetreleri
–
–
–
–
•
Ortam saydam bir materyaldir.
Çığ içerisindeki relativistik elektron ve pozitronlar Çerenkov ışınımına yol açar.
Sinyal ışık formunda toplanabilir.
Yaygın kullanılan tipleri Kurşun-cam kalorimetrelerdir.
Sintilasyon kalorimetreleri
– Ortam iyonize yüklerin floresans yoluyla ışık ürettikleri bir ortamdır.
– Öreneğin BGO, CsI, PbWO4 gibi.
•
Soy-gaz kalorimetreleri
– Ortam krojenik sıcaklıklarda çalışan soygazlardır (Ar, Kr, Xe).
– Hem iyonizyon hem de sintilasyon sonucu oluşan sinyaller toplanabilir.
– Geniş skaladaki yüksek enerji uygulamaları yük toplama prensibine dayanır.
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
31
HOMOJEN KALORİMETRELER
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
32
HOMOJEN KALORİMETRELER
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
33
HOMOJEN KALORİMETRELER
IGOT
CMS’in Elekromanyetit
Kalorimetresinin(EKAL) kristalleri
Yüksek yoğunluk
8.28 g/cm3
Kısa radyasyon uzunluğu 0.89 cm
Kücük Moliere yarıçapı
2.19 cm
Kısa bozunum zamanı
10 nsec
Yayınlanan ışığın tepe dalgaboyu
Işık çıkışı
~ 5% of BGO
Radyasyon dayanıklı.
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
430 nm
34
HOMOJEN KALORİMETRELER
An endcap Dee, 3662 crystals awaiting transport
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
35
HOMOJEN KALORİMETRELER
• CMS ECAL
5×5 Süperkristal
Fıçı: 36 Supermodül ( her yarı-fıçıda 18 tane)
61200 Kristal (34 types), 67.4ton
~ 24 x 24 x 230 mm3 (25.8 X0)
çığ foto-diyot
Kapaklar:
14648 Crystals (1 tip) ,22,9ton
30 x 30 x 220 mm3 (24.7 X0)
Vakum foto-triyot
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
36
ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ
• Çözünürlüklerinin homojen kalorimetrelerden daha kötü
olmasına rağmen örnekleme kalorimetrelerin boyuna ve
enine bölümlendirilmeleri göreli olarak kolaydır.
• Daha iyi konum çözünürlüğü ve parçacık tanımlaması
sunarlar.
• Hızlandırıcılarda üniversal olarak hadron kalorimetreleri
olarak kullanılırlar.
• Kabul edilebilir dedektör kalınlıklarında(<2m) yeterli
etkileşim uzunluğu sağlarlar.
• Telefi edici yapılabilirler.
• Kullanılan aktif elemana göre sınıflandırılabilirler.
• Sıklıkla kullanılan soğurucu materyaller: Kurşun, demir,
bakır ve uranyum.
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
37
ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ
• Kullanılan örnekleme kalorimetre çeşitleri
• Kullanılan aktif materyale göre
sınıflandırılırlar:
– Sintilasyon kalorimetreleri
– Gaz kalorimetreleri
– Katıhal kalorimetreleri
– Sıvı kalorimetreler
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
38
ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
39
ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ
ATLAS SIVI-ARGON
EM KALORİMETRE
Akordiyon Yapı
Kurşun plakalar
Cu /kapton electrotlar (HV ve
sinyal için)
Boşluklarda sıvı Argon.
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
40
ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ
• ATLAS SIVI ARGON KALORIMETRE
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
41
ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ
• CMS HADRONIC BARREL & ENDCAP
CALORIMETER
HPD
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
42
ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
43
ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ
• CMS HCAL FIÇI KALORİMETRE
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
44
ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ
• CMS FIÇI KALORİMETRE
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
45
ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ
• CMS ÇOK İLERİ KALORİMETRE
Fiberler demir soğurucuya gömülüdür.
İleri kalorimetredir
Radyasyon dayanıklıdır.
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
46
ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ
CMS-HF
ENERJİ ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ

E

a
b
 c
E E
Enerji Çözünürlüğü
Örnekleme
terimi
Gürültü
terimi
Elektronik gürültü
Radyoaktivite
Olay yığılması(Pile-up).
Sabit
terim
Çatlak, bozuk bölgeler
Homojensizlikler
Non-lineerlik
Hücreler arası kötü kalibrasyon
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
48
ENERJİ ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ
Dedektör doğrusallığı
Çözünürlük
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
49
ENERJİ ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ
Barrel
CMS’in EM kalorimetresinin enerjinin
fonksiyonu olarak enerji çözünürlüğü.
120 GeV’de çözünürlük 0.4%
e- 300 GeV
CMS’in EM kalorimetresinin 120 GeV’de
enerji çözünürlüğü.
Elektronlar bir tam kristal yüzeyine çarpar.
Enerji demetin çarpığı kristal merkezde
olmak üzere 5x5’lik dizi üzerinden toplanır.
Çözünürlük 0.44%
ATLAS’ın sıvı argon kalorimetresinin enerji
çözünürlüğü.
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
50
ENERJİ ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
51
ENERJİ ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
52
ENERJİ ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ

E

a
b
 c
E E
ATLAS ve CMS’ten Enerji Çözünürlüğü Sonuçları
KALORİMETRE
CMS ECAL
TİPİ
Homojen
ATLAS ECAL
Örnekleme
ATLAS HCAL
Örnekleme
CMS HCAL
Örnekleme
CMS HCAL/HF
Örnekleme
a
b
2.7%
10%
0.2
0.2
c
0.55%
0.5%
296%
66
1
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
53
KAYNAKÇA
1-)Akgun U., et al. "CMS Hadronic Calorimeter Upgrade Studies - P-Terphenyl Deposited Quartz Plate Calorimeter
Prototype ", APS 2009, Denver, CO, USA, May 2009
2-) ATLAS, http://atlas.ch/
3-) Bilki B., et al. “CMS Hadron Endcap Calorimeter Upgrade Studies For SuperLHC”, CALOR 2010, Beijing, China, May
2010
4-)Brown R. M, sunum, http://www.stfc.ac.uk/PPD/students/23327.aspx
5-)CMS, http://cms.web.cern.ch/
6-)CMS TDR, http://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/
7-)Cockerill D, sunum, http://www.stfc.ac.uk/PPD/students/23327.aspx
8-)Fabjan C.W and Gianotti F., Calorimetry for particle physics Reviews of Modern Physics, 75 (2003) 1243.
9-)Ferbel T., Experimental Techniques in HEP, Addison-Wesley, 1987
10-)Glutvin A., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 453 (2000) 192}198
11-)Lipmann C., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 666 (2012) 148–172
12-)PDG, http://pdg.lbl.gov/
13-)Virdee T.S, Calorimetry, CMS CR 1998/026
14-)R. Wigmans, Calorimetry-Energy Measurement in Particle Physics, Oxford Science Publications, 1999.
15-)Wigmans R., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 494 (2002) 277–287
I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler
8. UPHUK 2012 BODRUM
54