cms (compact muon solenoıd) deneyindeki castor detektörünün test

Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2009 Cilt:20-2
CMS CASTOR DETEKTÖRÜNDE KULLANILAN KUVARTZ PLAKALARIN
*
ÜRETİLMESİ VE DETEKTÖRE MONTAJI
Production of Quartz Plates Used in the CMS CASTOR Detector and Their
Installation to Detector
Aydın AYHAN
Fizik Anabilim Dalı
Eda EŞKUT
Fizik Anabilim Dalı
ÖZET
CASTOR bir tungsten(W)-kuvartz(Q) örnekleme kalorimetresidir. CMS
detektörünün
ileri
bölgesinde
5,15    6,5
pseudorapidite
aralığını
kapsayacaktır. Bu çalışma 2008 yılında CERN’de hazırlanan CASTOR
kalorimetresinin dördüncü prototip’inin hadronik kısmı ve gerçek CASTOR’un (1/8)
bir oktantlık hadronik kısmı için üretilen kuvartz plakalar ile yapılan çalışmaları
içermektedir.
Anahtar Kelimeler: CASTOR,CMS , CERN, Kalorimetre, Pseudorapidite
ABSTRACT
CASTOR is a tungsten(W)-quartz(Q) sampling calorimeter. It will cover
5,15    6,5 pseudorapidity range in forward region of CMS experiment. This
study includes the done works for hadronic section of CASTOR IV. prototype and
hadronıc sectıon of an octant of real CASTOR quartz plates which are prepared at
CERN in 2008.
Key Words: CASTOR, CMS, CERN, Calorimeter, Pseudorapidity
Giriş
Parçacık veya Yüksek Enerji Fiziği (YEF), maddenin temel yapıtaşlarını
ve bu yapı taşlarının davranışlarını en temel düzeyde kontrol eden, kuvvetleri
araştıran fizik dalıdır. Günümüze kadar fiziğin bu dallarında kuramsal olarak
geliştirilmiş en iyi kuram Standart Model (SM)’dir. Büyük Patlama’dan günümüze
kadar Evren’in oluşum süreçlerini anlamak için kuramsal çalışmaların dışında
ayrıca hızlandırıcılar ve detektör sistemleri kullanılmaktadır.
Hızlandırıcılar parçacık demetlerini hızlandırarak onlara enerji kazandıran
makinelerdir. Günümüzde doğrusal ve dairesel olmak üzere iki çeşit hızlandırıcı
kullanılmaktadır. Hem doğrusal hem dairesel hızlandırıcıların birlikte kullanıldığı
hızlandırıcı kompleksleri de vardır. Bu tip hızlandırıcılar için verilebilecek en iyi
örneklerden biri CERN (Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi)’de bulunan BHÇ
(Büyük Hadron Çarpıştırıcısı)’dır. Hızlandırıcı üzerinde ATLAS (A Toroidal LHC
ApparatuS - Büyük Toroidal Detektör), CMS (Compact Muon Selonoid - Küçük
Müyon Selonoid), ALICE (A Large Ion Collider Experiment Büyük İyon Çarpıştırıcı
*
Yüksek Lisans Tezi-MSc. Tehsis
157
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2009 Cilt:20-2
Deneyi), LHCb (A Large Hadron Collider Beauty) olmak üzere dört büyük deney
12
bulunmaktadır. BHÇ’de 14 TeV (1TeV=10 eV) kütle merkezi enerjisine sahip iki
proton (pp) hüzmesi ve 5.5 TeV’lik ağır kurşun iyonları (PbPb) çarpıştırılacaktır.
BHÇ’de Higgs bozonu, madde-antimadde asimetrisi, süpersimetrik parçacıklar,
mini kara delikler, gravitonlar gibi yeni parçacıklar araştırılacaktır. Ayrıca evrendeki
karanlık maddenin yapısı, Evren’in başlangıcında var olan sıcak ve yoğun
maddenin özellikleri anlaşılmaya çalışılacaktır.
CMS deneyinin ileri rapidite bölgesinde yeralacak olan CASTOR bir
kuvartz(Q)-tungsten(W)
örnekleme
kalorimetresidir.
CMS’teki
etkileşme
noktasından 14,38m uzaklığa yerleştirilecek ve 5.15 <  < 6.5 pseudorapidite
aralığını kaplayacaktır.
Materyal Metot
CMS Deneyi
CMS detektörü pp ve PbPb çarpışmalarını TeV enerji ölçeğinde
araştırabilecek genel amaçlı bir detektör olarak tasarlanmıştır. Detektör
pp çarpışmalarında
s  14 TeV’ lik enerjide L  1034 cm 2 sn 1 lüminosite ile,
PbPb çarpışmalarında ise,
s NN  5,5 TeV’ lik enerjide L  10 27 cm 2 sn 1 ’lik
lüminosite ile çalışacaktır. CMS’de bakılması düşünülen fizik konularının başında
elektro-zayıf simetri kırınımı, maddeye kütle kazandırdığına inanılan Higgs
parçacığı araştırmaları, madde-anti madde asimetrisi, SM ötesi fizik ve güçlü
etkileşim bozunum konuları gelmektedir (Physics Technical Design Report,
Addendum 1).
Yarıçapı 14,6 m ve uzunluğu 21,6 m olan CMS detektör’ünün ağırlığı
12500 ton’dur. Detektör hüzme borusu boyunca eşmerkezli silindirik katmanlardan
oluşan soğansı bir yapıya sahiptir. Parçacıkların bırakacağı izler katmanlar
boyunca radyal olarak yayılacak ve bu izler detektör tarafından saptanacaktır.
CMS’ in tasarım hedefleri ve gereksinimleri aşağıda özetlenmektedir
(Akgün,2003).
 Yüksek manyetik alan oluşturmak için güçlü bir süper iletkensolenoid,
 İz momentumlarının ölçümü için iç izleyici sistemi,
 Yüksek çözünürlüklü bir Elektromanyetik Kalorimetre (EKAL),

kayip
ölçümlerini gerçekleştirecek ve jetleri yüksek çözünürlükte
belirlemek
için Hadronik Kalorimetre (HKAL),
 Mükemmel bir müon sistemi,
Detektör sistemleri çarpışmadan sonra oluşan parçacıkların izlerini takip
etmek, bırakacakları enerjileri ölçmek, yük, momentum ve kütlelerini belirlemek için
alt detektör birimlerden oluşur. CMS’te bu birimler en içten dışa doğru; İzleyici,
EKAL, HKAL, mıknatıs ve müon spektrometresi olacak biçimde sıralanmıştır
ET
158
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2009 Cilt:20-2
Şekil 1.CMS Detektörü(http://cmsdoc.cern.ch/cms/outreach/html/CMSdocuments
/CMSchallenges/CMSchallenges.ındex.html)
CASTOR’da Araştırılacak Fizik Konuları
CASTOR bir etkileşmenin hadronik ve fotonik bileşenlerini (foton ve yüklü
parçacık çokluları, elektromanyetik ve hadronik enerjileri) ölçmek ve çok ileri faz
uzayındaki nesneleri tanımlamak üzere tasarlanmış bir kalorimetredir. PbPb
çarpışmalarında araştırılacak olan bazı fizik konuları aşağıda verilmiştir (Aris,
1997);
 Normal hadronik etkileşmelerle düşük enerjili yüklü parçacık çoklularını
karşılaştırmak,
 Olayların enerji ve parçacık çokluluğu cinsinden fotonik ve hadronik
bileşenleri arasındaki dengesizliğini saptamak,
 Detektörde çok büyük miktarda bırakılan enerjideki düzensizliğe bakmak,
 Normal hadronların etkileşme menzilinin çok daha ötesinde yüksek
giriciliği olan nesneleri (penetrating objects) araştırmak.
Ayrıca, difraktif ve düşük- x QCD ile kozmik ışınlara bağlı konuların
araştırılması da planlanmaktadır. CASTOR CMS’teki kayıp dik enerji ölçümlerinde
de önemli bir rol oynayacaktır.
CASTOR’un Mekanik Tasarımı
CASTOR Elektromanyetik (EM) ve Hadronik (HAD) kısımdan oluşan ve
Çerenkov ışınımı esasına göre çalışan bir Tungsten (W)- Kuvartz (Q) örnekleme
kalorimetresidir.
CMS
detektörünün
ileri
bölgesinde
5,15    6,5
lık
pseudorapidite aralığını kapsayacaktır (CMS TDR-I,2006). CASTOR hüzme
borusunu saran iki yarım silindirden oluşacaktır. Kalorimetrede kullanılan W’lar
soğurucu, Q’lar aktif ortam özelliğindedir. Kalorimetre 8 oktanttan (dairenin 1 / 8 ’i)
oluşacaktır. Bir oktant 28 kanal (Okuma Birimi-OB)’dan oluşur. Okuma kanalları
“Çerenkov ışınımı’’na dayalı sinyalleri algılar.
159
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2009 Cilt:20-2
Aktif Madde Olarak Kuvartzlar
Parçacık sinyallerini varlamak ve parçacık kimliklerini hassas biçimde
belirleyebilmek için detektörlerde kullanılacak malzemelerin çok iyi seçilmesi
gerekir. Aktif ortam olarak kullanılan Q’lar yüksek radyasyon dayanıklılığı gösteren
ve hızlı yanıt veren malzemelerdir. 100 MRad’a kadar radyasyon dayanıklılığı
göstermekte olup 10 ns’nin altında yanıt (tepki) verebilirler. Ayrıca Q’ların yüksek
sıcaklık değerlerine karşı da dayanıklı olması Q seçiminde aranan önemli bir
özelliktir.
CASTOR kalorimetresinin IV. prototipinin hadronik kısmı 2008 yılında
yapılan hüzme testleri için ve gerçek CASTOR’un bir oktantlık hadronik kısmı ise
CMS detektöründeki yerine yerleştirilmek üzere hazırlandı. Her iki hadronik
kısımda kullanılan Q plakalar CERN’de üretildi. Üretilen Q’lar CERN’ deki LEP
deneylerinden biri olan DELPHI detektöründen alındı. DELPHI detektöründen
2
boyutları 345x375 mm olan toplam 160 adet Q tabaka söküldü ve 102 tanesi
üretim için kullanıldı. İlk aşamada, orijinal DELPHI Q tabakalarının üzerinde
bulunan bakır-krom (Cu - Cr) şeritleri temizlendi. Temizleme işlemi için Sülfirik Asit
(H2SO4) ve Sodyum Permanganat (KMnO) kullanıldı. Bu işlemden sonra Q’lar 1100
0
C’ye kadar ısıtıldı. . Bu işlemlerden sonra, Q’ların ışık geçirgenlik değerlerine
bakılarak bu değerler orijinal hallerde alınan ölçümlerle karşılaştırıldı ve temizleme
süreci için yapılan uygulamaların Q yapısında herhangi bir olumsuz sonuca neden
olup olmadığı araştırıldı. Bazı Q numuneler, İsviçre’nin Zürih kentinde bulunan PSI
60
(Paul Scherrer Institute)’e gönderildi ve Co kaynağı kullanılarak 1,5 MRad ,
17 MRad ve 50 MRad dozlarındaki radyasyona maruz bırakıldı. Tüm Q’ların ışık
geçirgenlikleri Spektro-Fotometre (SF) olarak adlandırılan bir düzenek kullanılarak
ölçüldü.
Kuvartz Plakaların Üretilme Aşamaları
102 tabakadan alınan numunelerin ışık geçirgenlik testleri yapıldı. Her
tabaka 0,4x10x15 cm boyutlarında küçük plakalar oluşturacak biçimde kesildi.
Plakaların çapraz iki köşesinde yapıştırıcı (1745 seri numaralı ThreeBondCYANOACRYLATE) madde kullanılarak tüm kuvartzların geniş yüzeyleri üst üste
gelecek şekilde kırılmaya karşı direnç gösterebilmeleri için dörtlü gruplar halinde
yapıştırıldı.
i.A
i.1
i .C
i.B
i.2
i.3
i.5
i.4
i .D
160
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2009 Cilt:20-2
Şekil 2.Tabakaların küçük plakalara ayrılması için kullanılan kesim şeması.
Şekil 3. Dörtlü grup halinde yapıştırılan kuvartzlar.
Kesme, Parlatma ve Cilalama Makineleri ve Bunlar ile Yapılan İşlemler
Kuvartzlar CERN Kristal Grubu Laboratuarı’nda bulunan kesme, parlatma
ve cilalama makineleri kullanılarak hazırlandı. Her makine de farklı boyutlarda
mikron mertebesinde elmas parçacıkları bulunmaktadır. Kesme makinesinde
bulunan hareketli platform x-doğrultusunda, platformun üstüne sabitlemiş olan disk
ise y-z doğrultuları boyunca hareket etmektedir. Q’lar disk üzerindeki küçük elmas
parçaları ile kesildi. Q yüzeyleri kesim işleminden önce ve sonra parlatıldı. Yüzeyler
parlatma işleminden sonra cilalandı. Parlatma işleminde kullanılan elmas
parçacıkları diğer iki makinede kullanılandan daha küçük boyutludur. Dörtlü gruplar
önce 190˚C’ye kadar ısıtılan fırında bir saat bekletildi. Isıtılan Q’ların üzerindeki
maddeyi çıkartmak için plakalar aseton içinde 24 saat bekletildi. Q üretiminin son
aşamasında, plakaların kenarları ince şerit bakır folyo ile kaplandı.
Şekil 4. Kesme, Parlatma ve Cilalama makineleri
Şekil 5. Tüm işlemlerden geçen bir kuvartz plaka.
161
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2009 Cilt:20-2
Araştırma ve Bulgular
Q tabakalar ışık geçirgenlik testlerine tabi tutuldu. Testleri geçenler üretim
için kullanıldı.
Kuvartz Numunelerin Test Edilmesi
En iyi ışık geçirgenliğine sahip Q’ları seçme işlemi üç aşamada yapıldı:
1. Orijinal (O) Q’ların ışık geçirgenliklerinin ölçülmesi,
2. Orijinal Q’ların üzerindeki yabancı maddelerin kimyasal temizliği (KT)
yapıldıktan sonra (O+KT) ışık geçirgenliklerinin ölçülmesi,
3. Temizlenen Q’ların yüksek sıcaklığa (YS) dayanıklılık testi
4. O+KT+YS sonra ışık geçirgenliklerinin ölçülmesi
Bu işlemlerden sonra numunelerin tamamı farklı dozlarda radyasyona
tutuldu. Kullanılan Q tabakaların yarısı 5 MRad’lık diğer yarısı ise 17 MRad’lık
radyasyondan sonra seçildi. Ayrıca Q numunelerle çalışılırken 1 ve 1.4 MRad gibi
düşük radyasyon dozları da kullanıldı.
Şekil 6. 2211, 2212 ve 2213 numaralı O kuvartzların ışık geçirgenliği.
Şekil 7. 2111, 2112 ve 2113 numaralı O+KT yapılan kuvartzların ışık geçirgenlik
değerleri.
162
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2009 Cilt:20-2
Şekil 8. 1244 numaralı kuvartzın O+KT ve Radyasyon sonrası ışık geçirgenliği
Şekil 9.O+KT+YS işlemleri yapılan 1143 numaralı kuvartzın 1100˚C ısıtıldıktan
sonra ışık geçirgenliği
Şekil 10.1224 numaralı kuvartzın O+Radyasyon sonrası ışık geçirgenlik
değerleri
Şekil 11. 1,4MRad’lık doz uygulandıktan sonra 324 numaralı kuvartzın ışık
geçirgenlik değerleri
163
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2009 Cilt:20-2
Şekil 12.a. 21, 22, 23, 24, 25, 45, 46, 47 ve 48 numaralı kuvartzların radyasyon
sonrası ışık geçirgenlik değerleri
Şekil 12.b.57, 58, 59, 60, 61, 62, 63 ve 64 numaralı kuvartzların radyasyon
sonrası ışık geçirgenlik değerleri
Şekil 12.c. 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71 ve 72 numaralı kuvartzların radyasyon
sonrası ışık geçirgenlik değerleri
Şekil 12.d.73, 74, 75, 76, 77, 78, 79 ve 80 numaralı kuvartzların radyasyon
164
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2009 Cilt:20-2
sonrası ışık geçirgenlik değerleri.
Şekil 12.e. 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87 ve 88 numaralı kuvartzların radyasyon
sonrası ışık geçirgenlik değerleri.
Şekil 12’deki sonuçlar dikkate alınarak, ışık geçirgenliği %50’in üzerinde
olan ve herhangi bir zarar almayan Q plakalar seçildi. Seçilen plakaların yarısı
CASTOR’un IV. prototipinin 2008 hüzme testinde yarısı da gerçek CASTOR’un bir
oktantlık hadronik kısmında kullanıldı.
Sonuçlar ve Öneriler
CMS-CASTOR kalorimetresinin bir oktantının hadronik kısmına ait Q
plakaların üretimi ve bunların performanslarının belirlenmesi için yapılan ışık
geçirgenlik test sonuçları sunulmuştur. Ekim 2008’den itibaren kalorimetrenin diğer
oktantlarının hazırlanması ile ilgili çalışmalar başlamıştır.
CASTOR’un tamamında kullanılacak Q plakaların seçilmesine karar
vermek için Schott ve Hereous adlı iki Alman firmadan alınan çeşitli numuneler O
durumundaki ışık geçirgenlik ve 10, 50 ve 100 MRad’lık dozlar sonrası ışık
geçirgenlik ölçümleri için test edilmişlerdir.
Şekil 13. Schott kuvartzlarının ışık geçirgenlik değerleri
165
Ç.Ü Fen Bilimleri Enstitüsü Yıl:2009 Cilt:20-2
Şekil 14. Hereous kuvartzlarının ışık geçirgenlik değerleri.
CASTOR kalorimetresinin tümü için kullanılacak kuvartzların Schott
firmasından alınmasına karar verilmiştir. Mart - 2009’da CASTOR’un tüm
oktantlarının Schott firmasının sağlayacağı Q plakalar ile tamamlanacaktır.
Kaynaklar
ADIGUZEL, A., 2008. Production of Quartz Plates for CMS-CASTOR Experiment,
CMS Note-2008/035
AKGUN, U., 2003. CMS HF Calorimeter PMTs and
c

Lifetime Measurement,
Iowa University, USA
ARIS, L.S., 1997.CASTOR, A decided detector for the detection of centauros and
strangelets at the LHC, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 23 2069-2080.
Printed in the UK.
CMS EKAL grubunun izniyle,CERN
CMS Physics Technical Design Report, Addendum on High Density QCD with
Heavy Ions (The CMS collabration -2007 J.Phys, G:Nucl.Part.Phys 34
2307 2455)
CMS Technical Design Report 8.1 -2006. 2006-001 CERN/LHCC
http://cmsdoc.cern.ch/cms/outreach/html/CMSdocuments
/CMSchallenges/CMSchallenges.ındex.html
166