ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ
advertisement
ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Hasan Fatih KIŞOĞLU CMS HCAL HADRONİK KAPAK KALORİMETRESİNDEKİ HİBRİD FOTO-DİYOTLARIN ENERJİ KAZANÇ KARARLILIĞI ÇALIŞMALARI FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2008 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Hasan Fatih KIŞOĞLU YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI CMS HCAL HADRONİK KAPAK KALORİMETRESİNDEKİ HİBRİD FOTO-DİYOTLARIN ENERJİ KAZANÇ KARARLILIĞI ÇALIŞMALARI Bu tez ......../…...../ 2008 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/ Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir. İmza............…………… Doç.Dr.Aysel KAYIŞ TOPAKSU DANIŞMAN İmza...................….….. Prof.Dr.Gülsen ÖNENGÜT ÜYE İmza..............…………… Yrd.Doç.Dr.Ramazan BİLGİN ÜYE Bu tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No Prof. Dr. Aziz ERTUNÇ Enstitü Müdürü Bu Çalışma Ç.Ü. Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: FEF.2007.YL.29 • Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir. ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ CMS HCAL HADRONİK KAPAK KALORİMETRESİNDEKİ HİBRİD FOTO-DİYOTLARIN ENERJİ KAZANÇ KARARLILIĞI ÇALIŞMALARI Hasan Fatih KIŞOĞLU ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI Danışman: Doç. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU Yıl: 2008 Sayfa: 63 Jüri: Doç. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT Yrd. Doç. Dr. Ramazan BİLGİN CMS detektöründeki gereksinimlerden dolayı, hadronik kapak kalorimetresinde (HE) yüksek verimli hibrid foto-diyotlar (HPD) kullanılmaktadır. Multi-alkali foto-diyot tabanlı HPD’ ler hem bu gereksinimlere cevap vermekte hem de kalorimetredeki ışıldayıcıların yaydığı ışığa karşı yüksek bir hassasiyet sağlamaktadır. Böyle bir kalorimetre yapısı, tanımlanan bir izdüşümsel geometride, 1.3 ≤ | η | ≤ 3 psüdorapidite aralığını kapsamaktadır. İyi tanımlanmış bir kalorimetrede, tüm kısımlar arasında uyumluluğun olması için, kazanç, sinyalizasyon zamanı, … gibi değerlerde iyi bir senkronizasyon olması gerekmektedir. Bu çalışma HE kalorimetresinde kullanılan HPD’ lerin kazanç kararlılığı ile ilgili bazı test sonuçlarını içermektedir. Anahtar Kelimeler: CMS, HCAL, hadronik kapak, kazanç, HPD I ABSTRACT MSc THESIS THE TEST RESULTS ON GAIN STABILITY OF HYBRID PHOTODIODES OF THE CMS HADRONIC ENDCAP CALORIMETER Hasan Fatih KIŞOĞLU DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF ÇUKUROVA Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU Year: 2008 Pages: 63 Jury: Assoc. Prof. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT Asst. Prof. Dr. Ramazan BİLGİN According to necessities of the CMS detector high-rate hybdrid photodiodes (HPD) were used on the hadronic endcap calorimeters (HE). Multialkali photodiode based HPDs respond to these requirements as well as providing a high sensitivity to light emitted by scintillators in calorimeter towers. This structure covers a pseudorapidity range of 1.3 ≤ | η | ≤ 3 on the defined projective geometry of the calorimeter. There should be a good synchronization in the values of gain, signalling time, …etc of all sectors of a well-defined calorimeter for harmonious functioning. This study presents some test results related to the gain stability of HPDs used on the HE. Keywords: CMS, HCAL, hadronic endcap, gain, HPD II TEŞEKKÜR Öncelikle bu tez çalışmamda her türlü emeği bulunan ve tecrübesiyle bana yön gösteren danışman hocam Sayın Doç. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU’ya, engin bilgisine her zaman başvurduğumuz Sayın Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT’e, beraber çalıştığımız Andrzej ZURANSKI ve Pawel De BARBARO’ya, çalışmalarım sırasında deneyimlerini bana aktaran ve her zaman desteğini esirgemeyen dostlarım, hocalarım Araş. Gör. Mustafa Numan BAKIRCI’ya, Araş. Gör. Salim ÇERÇİ’ye ve Öğr. Gör. Dr. Kenan SÖĞÜT’e ve her türlü cefama katlanan, arkamı yasladığım en büyük desteğim aileme sonsuz teşekkür ederim. Ayrıca yüksek lisans tezimi maddi olarak destekleyen Araştırma Projeleri Birimi’ne ve CERN’deki çalışmalarımı destekleyen TAEK’e teşekkürü bir borç bilirim. III İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ………………………………………………………………………………… I ABSTRACT……………………………………………………………………… II TEŞEKKÜR……………………………………………………………………… III İÇİNDEKİLER…………………...……………………………………………… IV ÇİZELGELER DİZİNİ…………………………………………………………… VI ŞEKİLLER DİZİNİ………………………………………………………………. VII SİMGELER VE KISALTMALAR………………………………………………. IX 1.GİRİŞ…………………………………………………………………………… 1 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR…………………………………………………….. 4 2.1. Standart Model (SM)……………………………………..…..................... 4 2.2. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ)……………………………………… 9 2.2.1. Solenoid Mıknatıs………………………………………………….. 14 2.2.2. İzleyici……………………………………………………………... 16 2.2.3. Elektromanyetik Kalorimetre (ECAL)…………………….............. 17 2.2.4. Hadronik Kalorimetre (HCAL)……………………………............. 18 2.2.5. Müon Detektörü…………………………………............................. 19 3. MATERYAL VE METOD……………………………………………………..21 3.1. Hadronik Kalorimetre (HCAL)………………………………………....... 21 3.1.1. Hadronik Fıçı Kalorimetresi (HB)………………………………..... 25 3.1.2. Hadronik Dış Yüzey Kalorimetresi (HO)………………….............. 26 3.1.3. Hadronik Kapak Kalorimetresi (HE)…………………………......... 28 3.1.4. İleri Kısım Hadronik Kalorimetre (HF)……………………………. 30 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR……………………………………………… 31 4.1. CMS Hadronik Kapak Kalorimetresi (HE)………………………………. 31 4.1.1 Soğurucu Yapısı……………………………………..........................33 4.1.2. Işıldayıcı Tabakası…………………………………………………. 35 4.1.3. Foto-Detektörler…………………………………………………… 38 4.1.4. Yarı-İletken Çığ Foto-Diyot (APD)………………………………...39 4.1.5. Yakınlık Odaklı Hibrid Foto-Diyot (PFHPD)……………………... 41 IV 4.2. Enerji Kazanç Kararlılığı Çalışmaları……………………………............. 44 4.3. Sıcaklık ve Sinyaldeki Gecikmenin Enerji Kazancı Üzerindeki Etkisi…... 52 5. SONUÇ VE ÖNERİLER……………………………….................................... 59 KAYNAKLAR…………………………………………………………… ........... 61 ÖZGEÇMİŞ………………………………………………………………………. 63 V ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 2.1. Temel kuvvetler ve taşıyıcı parçacıkları …………………………….6 Çizelge 2.2. Standart Model’deki temel parçacıklar………………………...…… 8 Çizelge 3.1. Her bir η aralığına karşılık gelen kuleler….…………………………28 Çizelge 4.1. HE + kalorimetresindeki kısımlar ve bu kısımlara ait sektörler ve phi (φ ) değerleri………................................................................................... 38 VI ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 2.1 CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı…….……………………….... 10 Şekil 2.2 Sıkı Muon Solenoid (CMS) detektörünün genel görünüşü…….………. 11 Şekil 2.3 BHÇ üzerindeki deneyler ve koordinat eksenleri………………………. 13 Şekil 2.4 CMS’de kullanılan solenoid mıknatıs………………………………….. 14 Şekil 2.5 Solenoid mıknatısın parçalarının bir araya getirilmesi…………………. 15 Şekil 2.6 Piksel detektörü………………………………………………………… 16 Şekil 2.7 ECAL’in (a) ve içerisindeki kristallerin (b) bir kesiti………………….. 18 Şekil 2.8 Hadronik Kalorimetrenin(HCAL) genel görünüşü…………………….. 19 Şekil 2.9 Müon detektörünün fıçı bölgesindeki (MB) bir halka (a) ve müon kapak bölgesindeki (ME) bir diskin görünüşü (b)…………………………….. 20 Şekil 3.1 Hadronik kalorimetrenin (HCAL) alt bileşenleri………….…...……… 22 Şekil 3.2 HCAL’ın mıknatıs içerisindeki kısmına (HB) ait bir sektör………….... 23 Şekil 3.3 Bir “megatile” kesiti……………………………………………………. 24 Şekil 3.4 HB’nin bir yarısına ait sektör…………………………………………... 26 Şekil 3.5 HO’nun yanlamasına (a) ve uzunlamasına (b) kesiti…………………... 27 Şekil 3.6 HO’nun genel görünüşü………………………………………………... 28 Şekil 3.7 Hadronik kapak kalorimetresinin (HE) bir görünüşü…………………... 29 Şekil 3.8 HF’in bir görünüşü……………………………………………………... 30 Şekil 4.1 CMS detektöründeki hadronik kapak (HE) kısımları………………….. 31 Şekil 4.2 HE’nin soğurucusunun bir görüntüsü…………………………………... 32 Şekil 4.3 HE’nin önüne yerleştirilen elektromanyetik kapak ve elektromanyetik ön duş kısımlarının görüntüsü……………………………………… ……... 33 Şekil 4.4 Soğurucu plaka kesiti…………………………………………………... 34 Şekil 4.5 Işıldayıcı tabakasının kesiti…………………………………………….. 36 Şekil 4.6 Işıldayıcı karosunun görüntüsü………………………………………… 36 Şekil 4.7 HE’de kullanılan izdüşümsel geometri……………………………….... 37 Şekil 4.8 Sıradan bir APD kesiti…………………………………………………. 40 Şekil 4.9 Bir APD’nin iç yapısı…………………………………………………... 40 VII Şekil 4.10 HCAL’ın kullandığı örnek bir HPD ve silikon foto-diyotun HPD üzerindeki yerleşimi(a), elektroniklere bağlanan arka yüzeyi(b)……...42 Şekil 4.11 Bir HPD’nin vakumlanmış tüp içerisine yerleştirilmesi(a), HPD’ nin iç yapısı(b)………………………………………………………………. 43 Şekil 4.12 Bütün HE + kısımlarından alınan verilerin ortalama enerjileri……….. 44 Şekil 4.13 Bütün HE + kısımlarından alınan verilerin KKO değerleri…………... 45 Şekil 4.14 HE + ’nın tüm sektörlerinin ortalama tepki süresi……………………. 46 Şekil 4.15 HE + ’nın tüm sektörlerinin KKO değerleri…………………………...46 Şekil 4.16 HE + A kısmından alınan verilerle, referans olarak kabul edilen verinin karşılaştırılması……………………………………………………….. 47 Şekil 4.17 HE + A kısmından alınan verilerin KKO değerlerinin, referans veri ile karşılaştırılması………………………………………….……………. 48 Şekil 4.18 HE + B kısmındaki sektörlerden alınan ortalama enerjilerin referans veri ile karşılaştırılması……………………………………………………. 49 Şekil 4.19 HE + B kısmındaki sektörlerin ortalama enerjilerinin KKO değerlerinin karşılaştırılması……………………………………………………….. 49 Şekil 4.20 HE + C kısmından alınan ortalama enerjilerin referans veri ile karşılaştırılması(a), ortalama enerjilerin KKO değerlerinin referans veri ile karşılaştırılması(b)………………...………………………….. 50 Şekil 4.21 HE + A kısmı sektör 2’ye ait φ değerlerinde görülen referans veri ile aradaki fark…………………………………………………………… 51 Şekil 4.22 HE + A kısmı sektör 2’de görülen referans veri ile arasındaki iki katlık enerji farkı……………………………………………………………..52 Şekil 4.23 Sıradan bir LED verisi için “sinyal şekli” grafiği……………………. 53 Şekil 4.24 HE + A kısmı için yapılan sinyal gecikmesi çalışmasında kalorimetreye gönderilen sinyaldeki gecikmeler…………………………………….. 54 Şekil 4.25 Sinyal gecikmesinin enerji kazancına etkisi…………………………... 54 Şekil 4.26 Yeniden tanımlanan ortalama enerjiye göre sinyal gecikmesi………... 56 Şekil 4.27 Enerji kazancının sıcaklıkla değişimi. Sıcaklığın artmasında sıcaklığın bir önceki veriye göre değişimi(a), sıcaklığın artırılması ile arka arkaya alınan verilerin birbirine oranı(b)…………………………………………….. 57 VIII SİMGELER VE KISALTMALAR GUT : Büyük Birleştirme Teorisi SUSY : Süper-simetri SM : Standart Model CERN : Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi BHÇ : Büyük Hadron Çarpıştırıcısı CMS : Sıkı Müon Solenoidi QCD : Kuantum Renk Dinamiği QED : Kuantum Elektro Dinamiği ECAL : Elektromanyetik Kalorimetre HCAL : Hadronik Kalorimetre HB : Hadronik Fıçı Kalorimetresi HE : Hadronik Kapak Kalorimetresi HO : Hadronik Dış Yüzey Kalorimetresi HF : İleri Kısım Hadronik Kalorimetre MB : Fıçı Bölgesi Müon Detektörü ME : Kapak Bölgesi Müon Detektörü DT : Sürüklenme Tüpü RPC : Dirençli Düzlemsel Odacıklar SL : Süper Katman CSC : Katot Şeritli Odacıklar PS : Proton Sinkrotronu SPS : Süper Proton Sinkrotronu EE : Elektromanyetik Kapak Kalorimetresi ES : Elektromanyetik Ön Duş Kalorimetresi WLS : Dalga-Boyu Öteleyici Fiberler PFHPD: Yakınlık Odaklı Hibrid Foto-Diyot APD : Yarı-İletken Çığ Foto-Diyot HPD : Hibrid Foto-Diyot MIP : Minimum İyonize Eden Parçacıklar IX KKO : Standart Sapma LED : Işık Yayan Diyot ADC : Analog - Dijital Çevirici eV : Elektron Volt MeV : Milyon Elektron Volt GeV : Milyar Elektron Volt TeV : Trilyon Elektron Volt MRad : Milyon Rad MHz : Milyon Herz ns : Saniyenin Milyarda Biri Olan Zaman Birimi nm : Metrenin Milyarda Biri Olan Uzunluk Birimi fC : Temel Elektrik Yükünün 10 −15 Katı Olan Yük Birimi bx : Büyük Hadron Çarpıştırıcısındaki Çarpışma Sıklığı L : Işıklılık s : Kütle-Merkezi Enerjisi φ : Azimutal Açı p : Momentum η : Psüdorapidite X0 : Radyasyon Uzunluğu h : Planck Sabiti e : Temel Elektrik Yükü λ : Nükleer Etkileşme Uzunluğu σ : Tesir Kesiti V AK : Anot-Katot Gerilimi V : Eşik Gerilimi G : Kazanç PbWO4 : Kurşun-Tungsten Kristali PET : Polietilen Tereftalat X 1.GİRİŞ Hasan Fatih KIŞOĞLU 1. GİRİŞ Yüksek enerji fiziği, maddenin temeli olarak bilinen, atom altı parçacıkların yapılarını ve aralarındaki etkileşmeleri inceleyen fizik dalıdır. Bu parçacıkları ve bunlar arasındaki temel etkileşimleri inceleyen modele Standart Model denir. Yüksek enerji fiziğinde parçacıklar, parçacık–kuvvet ilişkisine dayandırılarak incelenir. Standart Model, bu ilişkilerden doğan teorilerin oluşturduğu bir modeldir. 19. yüzyılın sonlarında J. J. Thomson’un elektronun varlığını ortaya atması ve daha önceki yıllarda, Maxwell ile ortaya çıkan, elektromanyetik teorinin ortaya attığı “yüklü bir parçacık ivmeli hareketi sırasında elektromanyetik ışınım yapar” tezi parçacık-kuvvet ilişkisine ilk örnek olarak verilebilir. Bu tez, yapılan teorik ve deneysel desteklerle doğrulanmıştır. Standart Model’e göre; 1 / 2 spin kuantum sayısına sahip lepton ve kuarklar maddenin temelini oluştururlar. Parçacıkları fermiyonlar ve bozonlar diye ikiye ayıracak olursak, fermiyonlar arasında yer alan kuark ve leptonlar, spin kuantum sayıları 1 / 2 olan ve Fermi – Dirac istatistiğine uyan parçacıklardır. Fermiyonlar, dolayısıyla, “Pauli Dışarlama İlkesi” ne de uyarlar. Standart Model’in pek çok öngörüsünün, günümüzdeki hızlandırıcılarla elde edilen deneysel verilerle örtüşmesine rağmen eksik olduğu bazı konular vardır. Bu nedenle SM’in daha ötesinde bir fizik öngören birkaç model daha tanımlanmıştır. Bunlar, Büyük Birleştirme Teorisi (GUT), Süper Simetri (SUSY) ve Kompozitlik modelleridir. SM’de eksik olduğu düşünülen veya cevap verilemeyen konular arasında en dikkat çekeni kütle problemi olarak alınabilir. SM’de bazı parçacıkların kütleleri matematiksel olarak hesaplanamamaktadır. Bilindiği gibi zayıf etkileşmenin ara parçacıkları W ± , Z 0 bozonları ve elektromanyetik etkileşmenin ara parçacığı fotondur. Bu parçacıkların hepsi de etkileşmelerin ara parçacıkları olmalarına rağmen neden W ± , Z 0 büyük kütlelere sahip iken foton kütlesizdir? Düşük enerjilerde elektromanyetik ve zayıf etkileşme farklı özelliklere sahipken neden yüksek enerjilerde benzer özellikler taşımaktadırlar?, ...gibi sorulara SM 1 1.GİRİŞ Hasan Fatih KIŞOĞLU cevap verememektedir. Belki de bu problemin açıklığa kavuşturulması ile “kütle” kavramının tanımı tam olarak yapılabilecektir. SM’de zayıf ve elektromanyetik etkileşmelerin düşük enerjilerde farklı özellikler gösterip, yüksek enerjilerde benzer özellikler göstermesi “elektro-zayıf simetri kırılması” olarak bilinir. SM’deki bu simetri kırılmasına neden olarak “Higgs” parçacığı gösterilmektedir. Higgs parçacığı kuramsal bir parçacık olup, elektromanyetik alan–foton bağdaştırmasında olduğu gibi, Higgs alanının ara parçacığı olarak düşünülmektedir. “Boş uzay” olarak bildiğimiz, aslında Higgs alanının sıfır olduğu durumdur. Higgs ara parçacığı da bu alanın taban enerji seviyesindeki ara parçacığı olarak ele alınırsa “boş uzay Higgs parçacıkları ile doldurulmuştur” yorumunu yapabiliriz. Higgs parçacığını gözlemlemek ve Standart Model’ in cevaplayamadığı diğer sorulara cevap bulabilmek için çalışmalar dünya üzerinde birkaç yüksek enerji fiziği laboratuarında yapılmaktadır. Bu laboratuarlardan en büyüğü İsviçreFransa sınırında bulunan Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN)’dir. Bu merkezde kurulan ve 2008 yılı sonlarına doğru çalıştırılması düşünülen Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) ve iki büyük deneyle Higgs parçacığı gözlemlenmeye çalışılacaktır. BHÇ’ de iki proton demetinin hızlandırılıp belli bir enerjiye ulaşmaları ve bu enerjiye ulaştıklarında çarpışmaları sağlanacaktır. Çarpışma sonrasında ortaya çıkan parçacıklar aracılığıyla, iki büyük deney, öncelikle hedef olan Higgs parçacığını doğrulamaya çalışacaklardır. Bu iki deneyden birisi de Sıkı Muon Solenoidi (CMS)’dir. Bu deneyde Higgs parçacığının, varsayılan, çeşitli bozunum mekanizmaları incelenecektir. Bu incelemeler için etkileşme sonrasında ortaya çıkan parçacıkları gözlemlemek, ve bu gözlem için ise parçacıkların enerjilerini, momentumlarını belirlemek gerekir. Parçacıkların bu fiziksel niceliklerini ölçmek için, CMS deneyinde, çeşitli detektörler kullanılmakta ve etkileşme sonunda ortaya çıkan parçacıkları bu yapılara yönlendirebilmek için manyetik alan kullanılmaktadır. CMS deneyinde kullanılan detektörlerden biri de, hadronik parçacıkları tespit etmek amacıyla kullanılan, hadronik kalorimetredir(HCAL). 2 1.GİRİŞ Hasan Fatih KIŞOĞLU Bu tezde CMS deneyinde kullanılan HCAL alt detektörünün hadronik kapak (HE) kısmında yapılan, kalite kontrol testleri sırasındaki enerji kazanç kararlılığı ölçümleri anlatılmaktadır. Yapılan analizler için CMS deneyinde kullanılan CMSSW programı, verileri grafiğe aktarmak için ise ROOT programı kullanılmıştır. 3 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 2.1 Standart Model (SM) Parçacık fiziğinin esas amacı evrende temel parçacıklar olarak nitelediğimiz parçacıkların yapısını ve bu temel parçacıkların kuvvetler aracılığı ile etkileşimlere girerek evrendeki görünür maddeye nasıl vücut verdiğini anlayabilmektir. Bu nedenle görünür maddeyi oluşturan bu temel bileşenler ile kuvveti bir arada düşünmek kaçınılmazdır. Bu düşünce, bizi, bir madde-kuvvet olgusuna sevk etmektedir. Bu olguya göre madde ile kuvvet arasında bir şekilde bir ilişki vardır. Böyle bir olguyu ilk destekleyen ve belki de parçacık fiziği için bir milat sayılabilecek ilk iki olay, James Clerk Maxwell’in 1873’de ortaya attığı ve muhteşem denklemlerle açıkladığı elektromanyetik teori ve 1897 yılında J.J. Thomson’ın elektronu keşfetmesi olarak görülebilir. Çünkü parçacık fiziğinin temel amacı olan madde-kuvvet desteklenmektedir. Buna ilişkilendirilmesi göre; elektron bu kendi iki ivmeli keşif ile hareketi1 bir nevi sırasında elektromanyetik ışıma yapar. Aslında bu, sadece elektron için değil, elektrik yükü taşıyan bütün parçacıklar için geçerlidir. Böylece elektromanyetik alanın kaynağının bir elektrik yüklü parçacığa bağlanmasıyla madde-kuvvet olgusunun ilk somut örneği ortaya çıkmıştır. Elektromanyetik teorinin keşfinden sonraki yıllarda madde-kuvvet olgusu üzerindeki çalışmalar devam etmiştir. Bu çalışmaların sonucu olarak maddenin yeni temel bileşenleri (çekirdek, nükleonlar ve kuarklar) keşfedilmiştir. Bu yeni bileşenler, doğal olarak, parçacık fizikçilerini yeni kuvvet alanlarının keşfine yöneltmiştir. Bu nedenle fizikçiler, tıpkı elektron-elektromanyetik alan ilişkisinde olduğu gibi, bir madde-kuvvet ilişkisi üzerinde çalışmışlardır. Nitekim bu çalışmaların sonucu olarak tıpkı elektron-elektromanyetik alan ilişkisindeki gibi ancak elektromanyetik olmayan iki yeni kuvvet keşfedilmiştir: zayıf kuvvet, güçlü 1 Bütün parçacıkların temel olarak iki farklı hareketi vardır: herhangi bir yörüngeyi takip ederek yaptığı “kendi yörünge hareketi” ve bu yörünge üzerinde hareketi sırasında kendi simetri ekseni etrafında dönmesiyle yaptığı “spin” hareketi. Maddenin manyetik özelliklerini, daha çok, atom elektronlarının “spin” hareketi belirler. 4 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU kuvvet. İşte Standart Model, bu kuvvetlerin doğasını açıklamak üzere ortaya konan ve daha sonra deneysel olarak da doğrulanan birçok teorinin bir araya getirilmesi ile oluşturulan bir modeldir. Bu model parçacıkların hareketlerini ve temel kuvvetler aracılığı ile etkileşmelerini matematiksel olarak ifade etmektedir. Standart Model’e göre evrendeki temel parçacıklar olarak bilinen parçacıklar; • Kuarklar, • Leptonlardır. Kuarklar ve leptonlar kuvvet taşıyıcıları aracılığı ile etkileşimlere girerek evrendeki görünür maddeyi oluşturmaktadırlar. Kuarklar ve leptonlar altışar parçacıktan oluşmaktadırlar ve bu parçacıkların aynı zamanda birer “karşıt parçacıkları” vardır. Bu iki gruptaki her bir parçacığı diğerlerinden ayıran özelliğe “çeşni(flavor)” de denmektedir. Buna göre kuarklarda 6 çeşni ve leptonlarda yine 6 çeşni bulunmaktadır. SM’e kütle-çekim kuvvetinin taşıyıcı parçacığı olan fakat henüz gözlenemeyen “graviton” u da katabiliriz. Bu durumda ise parçacıklarla etkileşime girerek onlara kütle kazandıran ve henüz gözlenemeyen “Higgs” bozonunu da göz önüne almamız gerekmektedir. Kuarkları, aile olarak kütleleri açısından hafiften ağıra doğru sıralarsak; 1. Yukarı(u) ve aşağı(d) kuark, 2. Tılsımlı(c) ve garip(s) kuark, 3. Üst(t) ve alt(b) kuark şeklinde olur. Kuarkların “çiftler(doublet)” halinde gösterimi ise; u d c s şeklinde olur. 5 t b 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Karşıt kuarklar ise hangi kuarkın karşıtı ise onun simgesinin üzerinde bir çizgi ile gösterilir: u , d, c, s , t, b . Kuarkların, leptonlardan farklı olarak, bir de “renk yükü” vardır. Herhangi bir kuarkın (karşıtı hariç) mümkün 3 farklı renk yükü vardır: kırmızı, mavi, yeşil. Karşıt kuarklar ise, elektriksel yükte olduğu gibi, renk yükünde de karşıtı olduğu kuarkın renk yükünün karşıtını alır (örn; karşıt kırmızı, …). Leptonlar 3 tane parçacık ve bu parçacıklara ait birer nötrinodan oluşmaktadır. Leptonları da aile olarak kütleleri açısından hafiften ağıra doğru sıralarsak; 1. Elektron (e - ) ve elektron nötrinosu (ν e ) 2. Muon (µ - ) ve muon nötrinosu (ν µ ) 3. Tau (τ - ) ve tau nötrinosu (ν τ ) olur. Leptonların da karşıt parçacıkları, kuarklarda olduğu gibi, hangi parçacığın karşıtı ise onun simgesinin üzerinde çizgi ile gösterilir. Evrendeki temel kuvvetler, şiddetleri, etkili oldukları mesafeler ve bu kuvvetlerin taşıyıcı parçacıkları çizelge 2.1’de gösterilmiştir. Çizelge 2.1 Temel kuvvetler ve taşıyıcı parçacıkları Kuvvet Şiddet Erim(Menzil) Taşıyıcı parçacık Güçlü 1 10 −15 m Gluon Elektromanyetik 10 −2 ∞ Foton Zayıf 10 −5 10 −18 m W ± , Z0 Kütle-çekim 10 −38 ∞ Graviton Bütün kuvvet taşıyıcı parçacıklar Bose-Einstein istatistiğine uyan parçacıklardır (bozonlar). Güçlü kuvvetin taşıyıcı parçacığı gluon olup evrenin çekirdek boyutlarındaki yapısından sorumludur. Çekirdeği bir arada tutan kuvvet nükleonlar arasındaki güçlü kuvvetin kalıntısı olup nükleonları oluşturan kuarklar 6 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU arasındaki etkileşmeler ise güçlü kuvvetin ta kendisidir. Üç tane kuark bir araya gelerek baryonları; bir kuark ve bir karşıt kuark bir araya gelerek mezonları oluşturmaktadırlar. Hadronlarda (baryon ve mezon) herhangi bir renk yükü olmadığını göz önünde tutarsak kuarkların asla serbest halde bulunamayacağını söyleyebiliriz. Kuarkların baryon veya mezon içerisindeki gluon alışverişi vasıtasıyla yaptıkları güçlü etkileşmeleri “Kuantum Renk Dinamiği (QCD)” ile açıklayabiliriz. Dolayısıyla renk yükü taşıyan tüm parçacıklar, yani kuarklar, güçlü etkileşmelerde bulunabilirler. Kuarklar, ayrıca, elektromanyetik ve zayıf etkileşmelerde de bulunabilirler. Evrenin çekirdek boyutlarındaki yapısında ikincil olarak görev alan kuvvetler ise elektromanyetik ve zayıf etkileşmelerdir. Elektromanyetik kuvvetin taşıyıcı parçacığı foton olup elektrik yükü olan tüm parçacıklar elektromanyetik alanlardan etkilenirler. Çekirdekle elektronu “atom” formunda bir arada tutan kuvvet elektromanyetik kuvvettir. Elektromanyetik etkileşmelerin dinamik modeli “Kuantum Elektro Dinamiği (QED)” ile açıklanır. Zayıf etkileşmenin ise taşıyıcı parçacıkları “vektör bozonları” olarak da bilinen W ± , Z 0 parçacıklarıdır. Adından da anlaşılacağı gibi şiddeti diğer iki kuvvetten daha düşük olan zayıf etkileşmede çeşni değişmektedir. Bu nedenle zayıf etkileşmenin dinamik modellemesi “çeşni dinamiği” ile yapılmaktadır. Kütle-çekim kuvvetine ise “graviton” adı verilen bozon aracılık etmektedir. Graviton ise diğer taşıyıcı bozonlardan farklı olarak henüz gözlenememiştir. Ancak diğer kuvvetler gibi kütle-çekim kuvvetinin de bir “uzaktan etkileşme” olması, arada bir aracının (veya taşıyıcının) olmasını gerektirmektedir. Kütle-enerji eşdeğerliliğini de göz önünde tutarak “kütlesi olan bütün parçacıklar kütle-çekim kuvvetinden etkilenmektedir” diyebiliriz. Standart Model’deki bütün temel parçacıklar ve kuvvet taşıyıcıları çizelge 2.2’de verilmiştir. 7 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Çizelge 2.2 Standart Model’deki temel parçacıklar Parçacık Spin (h ) Elektrik yükü (e) Kütlesi (MeV) Yukarı kuark (u) 1/2 +2/3 1.5 - 4.5 Aşağı kuark (d) 1/2 -1/3 5 - 8.5 Tılsımlı kuark (c) 1/2 +2/3 1000 - 1400 Garip kuark (s) 1/2 -1/3 80 – 155 Üst kuark (t) 1/2 +2/3 175000 Alt kuark (b) 1/2 -1/3 4000-4500 Elektron (e - ) 1/2 -1 0.5109 Muon (μ − ) 1/2 -1 105.658 Tau (τ - ) 1/2 -1 1776.99 Elektron nötrinosu 1/2 0 < 0.000003 1/2 0 < 0.19 Tau nötrinosu (ν τ ) 1/2 0 < 18.2 Gluon (g) 1 0 0 Foton ( γ) 1 0 0 W+ 1 +1 80423 W− 1 -1 80423 Z0 1 0 91187 Graviton 2 0 0 Higgs (H 0 ) 0 0 > 114300 (ν e ) Muon nötrinosu (ν µ ) Standart Model’deki temel parçacıkları kütlelerine göre çiftler halinde yazarsak: 8 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU u d e- ν e I. c s t b µ- ν µ II. τ - ν τ III. şeklinde SM’deki 3 parçacık neslini oluşturmuş oluruz. Standart Model’e, birçok deney sonucu ile uyum içinde olmasına rağmen, “tam anlamıyla eksiksiz bir model” diyemeyiz. Standart Model’in eksik olduğu veya cevap bulamadığı bazı noktalar vardır. Bunlardan en önde gelenleri; SM’de bir parçacığın kütlesinin belirlenmesi için matematiksel bir ifadesinin olmayışı ve kütlenin asıl kaynağının ne olduğu, birleşik bir model olmayışı, kuarklardan ve leptonlardan oluşan fermiyon ailesinin neden tekrarlandığı ve bunlardan başka ailelerin olup olmadığı, 2. ve 3. ailelerin neden 1. ailedeki parçacıklara bozunduğu ve bundan dolayı bu parçacıkların temel parçacık olmayıp birer iç yapılarının olabileceği konularıdır. Bu başlıklardan “kütle” problemi belki de en dikkat çekenidir. Yüksek enerjilerde zayıf ve elektromanyetik kuvvet birbiri ile benzer özellikler göstermektedir. Bu iki kuvvette görülen ve yüksek enerjiden daha düşük enerji seviyesine gidildikçe belirginleşen fark “simetri kırılması” olarak adlandırılmaktadır. Bu simetri kırılmasından ise, evrenin yaratıldığı ilk zamanlarda var olduğu düşünülen Higgs bozonunun sorumlu olduğu düşünülmektedir. Başlangıçta “elektro-zayıf kuvvet” olarak bir arada bulunan elektromanyetik ve zayıf kuvvetin nasıl birbirinden ayrıldığını, dolayısıyla Higgs bozonunun bu simetri kırılmasına nasıl neden olduğunu anlamak için adeta evrenin o zaman dilimine geri gidilmesi gerekmektedir. Bu ise yüksek enerji mertebesine ulaşılmasını sağlayan hızlandırıcılar (veya çarpıştırıcılar) ile yapılabilmektedir. Bu amaca yönelik olarak 2008 yılının sonlarına doğru çalıştırılması düşünülen Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda “kütle” ve “simetri kırılması” problemine cevap bulunmaya çalışılacaktır. 9 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU 2.2 Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) Avrupa’nın en önemli Yüksek Enerji Fiziği merkezlerinden biri, İsviçreFransa sınırında konumlandırılmış Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN)‘dir. 2008 yılı sonlarına doğru başlaması düşünülen BHÇ’de, proton-proton ve ağır iyon (kurşun-kurşun) çarpışmaları gerçekleşecektir. Çarpıştırma deneylerinde temelde iki fiziksel nicelik önemlidir: kütle-merkezi enerjisi ve ışıklılık. BHÇ’de proton-proton s = 14 TeV ve ışıklılık L = 10 34 cm -2 s -1 çarpışmaları için kütle-merkezi enerjisi iken kurşun-kurşun çarpışmaları için kütle-merkezi enerjisi s = 5.5 TeV ve ışıklılık L = 10 27 cm -2 s -1 dir. Parçacık demetleri dairesel halka şeklindeki bir yörüngede hareket ederek hedeflenen enerjiye ulaştıklarında çarpışma gerçekleşmektedir. Bu çarpışmalar sonucunda ortaya çıkan daha küçük kütleye sahip parçacıklar incelenebilmekte ve bu yeni parçacıkları incelemek için ise, demet yörüngesi üzerinde konumlandırılmış, parçacık detektörleri kullanılmaktadır. Çarpışmalar detektörün içerisinde bir noktada (etkileşme veya çarpışma noktası) meydana gelmektedir. BHÇ halkasının bir görünüşü şekil 2.1’de gösterilmiştir. Şekil 2.1 CERN’ deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı BHÇ deneyindeki iki önemli parçacık detektöründen biri CMS (Compact Muon Solenoid) detektörüdür. CMS’ nin dizaynından ve yerleştirilmesinden bahsedersek, CMS, 12500 ton ağırlığında, 21.6 m uzunluğunda, 15 m genişliğinde 10 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU ve 4 T ’lık manyetik alan üretebilen bir mıknatısa sahip detektördür. CMS’ nin genel bir görünüşü şekil 2.2’deki gibidir. İleri Kısım Kalorimetre Süperiletken Solenoid Mıknatıs Silikon İzleyici Piksel Detektörü Ön duş Hadron Kalorimetresi Elektromanyetik Kalorimetre Müon Detektörü Şekil 2.2 Sıkı Muon Solenoid (CMS) detektörünün genel görünüşü CMS detektörü BHÇ halkası üzerinde, yerin 100 m altında kurulmaktadır. Detektörün başlıca hedefi, nedeninin “Higgs” adı verilen bozon olduğu düşünülen elektro-zayıf simetri kırılmasının doğasını anlamaktır. CMS detektörünün amacına uygun şekilde çalışabilmesi için bazı özelliklere sahip olması gerekir. Bunları şöyle sıralayabiliriz: • Parçacığın sahip olabileceği geniş momentum değeri aralığında ve her bir momentum değeri için, bulunabileceği geniş bir açı değeri aralığında hassas muon saptama ve momentum çözünürlüğü ( ∆p / p değerinin küçük olması), • Muon çiftleri için oldukça iyi kütle çözünürlüğü ( ∆m / m değerinin küçük olması), 11 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR • Hasan Fatih KIŞOĞLU Momentum değeri 1 TeV/c ’den düşük müonlar için elektriksel yük tayininin hatasız yapılması ( ki bu kritik momentum değeri incelenebilecek enerji aralığının yaklaşık 1 TeV olduğunu gösterir), • Detektörden gelen sinyallerden sadece ilgilendiğimiz sinyalleri seçebilmek için iyi bir tetikleme sistemi, parçacığın detektörde ne kadar enerji bıraktığını belirlemek için elde edilen sinyallerin yeniden yapılandırılmasının iyi olması, etkileşme sonrasında parçacıkların izini ve dolayısıyla momentumunu hassas şekilde belirleyebilmek için “izleyici” sisteminin etkileşme noktasına yakın olması, • Detektörün yüksek bir kapalılığa (hermitiklik) sahip olması. Bu özelliğe sahip olması, detektörden olabilecek parçacık sızıntısını önlemeye yöneliktir. • Bir diğer özellik ise detektörün çok bileşenli olmasıdır. Bu sayede detektör ne kadar çok küçük parçalara bölünürse, o kadar küçük bölgeden sinyal okunabilir. Detektörde momentum, dolayısıyla konum, enerji ölçümü yapılacağı için detektör üzerinde tanımlı bir koordinat sistemine gerek duyulmaktadır. CMS detektörü üzerinde tanımlı koordinat sisteminin başlangıç noktası, detektörün içinde olduğu kabul edilen çarpışma veya etkileşme noktası olarak kabul edilir. Bu şekilde bir başlangıç noktası baz alınarak bu noktadan BHÇ halkasının merkezine doğru olan eksen x-ekseni, başlangıç noktasından yukarıya dikey doğrultu y-ekseni ve parçacık demeti doğrultusu ise z-ekseni olarak tanımlanır. Ayrıca φ azimutal açısı x-ekseni ile y-ekseni arasında x-ekseninden itibaren, θ açısı ise z-ekseninden itibaren ölçülür. Detektörde tanımlanan diğer bir nicelik ise “psüdorapidite” olarak tanımlanan η ’dır ve θ η = - ln tan 2 (2.1) olarak verilir. Koordinat sisteminin BHÇ üzerindeki temsili şekil 2.3’deki gibidir. 12 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU ATLAS ALICE PS SPS LHCb CMS Şekil 2.3 BHÇ üzerindeki deneyler ve CMS koordinat sistemi Daha önce detektörün istenilen verimlilikte çalışabilmesi için bazı şartlar olmasını söylemiştik ve bu şartlar arasında detektörün çok parçacıklı yapıda olması gerektiğini vurgulamıştık. Merkezinde 4 T ’lık manyetik alan sağlayan bir solenoid mıknatıs olan CMS detektörü, bu çok parçacıklı yapıyı sağlaması amacıyla, 4 tane alt sistemden oluşmaktadır. • İzleyici, • Elektromanyetik kalorimetre (ECAL), • Hadronik kalorimetre (HCAL), • Müon detektörü 13 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU 2.2.1 Solenoid Mıknatıs Bir manyetik alanda hareket eden yüklü bir parçacığın momentumu, temelde, parçacığın yörüngesindeki eğrilik ile ölçülmektedir. Ancak yüksek enerjili ve yüklü parçacıkları yörüngelerinden saptırabilmek ve yörüngelerini eğebilmek için güçlü bir manyetik alan gerekmektedir. Bu amaca yönelik olarak, CMS detektöründe, 13 m uzunluğunda ve 6 m iç yarıçapa sahip solenoid süperiletken mıknatıs kullanılmakta ve bu mıknatıs sayesinde büyüklüğü 4 T olan, demet eksenine paralel ( z-ekseninde) bir manyetik alan sağlanabilmektedir. CMS’deki solenoid mıknatıs şekil 2.4’de gösterildiği gibidir. Şekil 2.4 CMS’ de kullanılan solenoid mıknatıs 14 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Daha önce de belirttiğimiz gibi solenoid mıknatıs CMS’in merkezinde yer almakta ve müon detektörü tarafından çevrelenmektedir. Mıknatısın manyetik alan çizgileri, bu müon odacıklarının da yer aldığı, “demir kelepçe” olarak isimlendirilen iskelet yapı içerisinde solenoid boyunca uzanan bir elips çizer. Şüphesiz ki böyle bir mıknatısın, ürettiği manyetik alan vasıtasıyla, kendi iç ısınması olacaktır. Bu amaçla mıknatısın soğutulmasından sorumlu eleman olarak, aynı zamanda içerisinde izolasyon için gereken vakumlama sistemi bulunan, “kriyostat” lar kullanılmaktadır. Böyle bir soğutma ünitesi 4.45 °K sıcaklığa kadar 800 W , 60 °K ve 80 °K arasında ise 4500 W soğutma kapasitesi ile çalışmaktadır[CMS Collaboration, 2008]. Şekil-2.4’den de görüldüğü gibi CMS’de kullanılan solenoid mıknatıs 5 parçadan oluşmaktadır. Bu kadar büyük bir mıknatısın kurulması ve detektör içerisine yerleştirilmesi pek kolay değildir. Bu nedenle mıknatıs, şekil 2.5’te görüldüğü gibi, önce dikey pozisyonda parçaları bir araya getirilir ve daha sonra yatay pozisyonda “demir kelepçe” iskeletin içerisine yerleştirilir. Şekil 2.5 13 m uzunluğundaki solenoid mıknatısın parçaları dikey pozisyonda bir araya getirilmektedir. 15 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU 2.2.2 İzleyici Detektörün içinde kabul edilen bir noktada iki proton demetinden elde edilen ürün parçacıklar ilk olarak detektörün izleyici alt − 2. 5 ≤ η ≤ 2. 5 bileşeni ile etkileşir. psüdorapidite aralığında yer alan izleyici, parçacıkların bıraktığı izleri (veya yörüngelerini) belirler. Manyetik alan içerisinde eğilen parçacık yörüngeleri ile bir parçacığın momentumu hesaplanabilir. CMS detektörünün soğansı yapısındaki en içteki bileşeni olan izleyici demet ekseni boyunca 5.4 m uzunluğa ve 2.4 m ’lik bir yarıçapa sahip bir silindir şeklindedir. İzleyicinin silikondan yapılan iki alt bileşeni vardır. Bunlardan biri olan piksel detektörü, izleyicinin çarpışma noktasına en yakın elamanıdır. Piksel detektörü ile ağır, kısa yaşayan ve yapısında b-kuarkı bulanan (örneğin; B-mezonu) hadronların bozunmasıyla oluşabilecek birincil ve ikincil verteks noktalarının belirlenmesi amaçlanmaktadır. Bu tür parçacıklar bozunmadan önce ortalama birkaç 100 µm kadar yol alırlar[Wulz, 2005]. Piksel detektörü, fıçı bölgesinde, çarpışma noktasından uzaklıkları 4 cm , 7 cm ve 11 cm olan üç katmandan oluşmaktadır. Şekil 2.6’da gösterildiği gibi çarpışma noktasının her iki tarafında da bulunan ve bu noktadan uzaklıkları ± 34 cm ve ± 46 cm olan ileri kısım piksel detektörleri fıçı bölgesinin önünde bulunmaktadır. Şekil 2.6 Piksel detektörü. Kırmızı renkte olan bölgeler ileri kısım piksel detektörünü göstermektedir. 16 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Piksel detektöründe 16000 adet çip ile sinyal alınan 100 µm × 150 µm boyutlu 66 milyon adet piksel bulunmaktadır. Bu da detektöre yüksek bir çözünürlük sağlamaktadır. Soğansı yapıda piksel detektöründen sonra (piksel detektörünü çevreleyen) “iç izleyici” bulunmaktadır. İç izleyici bir iskelet yapı içerisinde yer alan modüllerden, sensörlerden ve bu sensörlerden sinyal almayı sağlayan fiberlerden oluşmaktadır. 2.2.3 Elektromanyetik Kalorimetri (ECAL) BHÇ’deki proton-proton çarpışmalarından sonra ortaya çıkan foton ve elektronların enerjilerini ölçmeyi amaçlayan elektromanyetik kalorimetre (ECAL), | η | ≤ 1.48 psüdorapidite bölgesinde uzanan, kurşun-tungsten (PbWO4 ) kristallerden oluşan bir fıçı bölgesi ve | η | ≤ 3 bölgesine kadar uzanan bir kapak bölgesinden oluşmaktadır. İzleyiciden sonra gelen ECAL, HCAL ve solenoid tarafından çevrelenmektedir. ECAL’de kullanılan kristaller için PbWO4 seçiminde, bu bileşimin, sahip ( olduğu küçük Moliere yarıçapının2 (2 cm) , yüksek yoğunluğunun 8.3 g/cm 3 kısa radyasyon uzunluğunun (25.8 X 0 ) ) ve kalorimetreye sıkı bir yapı özelliği kazandırması etkili olmuştur[Longo, 2006]. Kalorimetrenin fıçı bölgesinde, çarpışma noktasından 1.29 m uzaklığa yerleştirilmiş, koniye benzer 61200 tane PbWO4 kristali vardır ve kalorimetrenin en küçük elemanının boyutu ∆η × ∆φ = 0.175 × 0.175 birimdir. Kristaller 36 süper-modül formunda bir araya getirilmişlerdir ve kalorimetrenin her bir yarısında (pozitif veya negatif yön) 18 tane süper-modül vardır. Her bir modülde ise 1700 kristal bulunmaktadır. Çarpışma noktasından 3.17 m uzaklıkta bulunan kapak bölgelerinde ise 24.7 X 0 radyasyon uzunluğunda 2 Bir elektromanyetik duşun dikey genişliği Moliere yarıçapı ile verilir ve kritik enerjideki bir elektronun dikey yöndeki sapmasını ifade eder[Fabjan ve Gianotti, 2003]. 17 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU ve çok parçacıklılığı ∆η × ∆φ = 0.175 × 0.175 ’den ∆η × ∆φ = 0.05 × 0.05 ‘e kadar değişen 14648 tane kristal bulunmaktadır[Cossutti, 2007]. ECAL’in ve kristallerin bir görünüşü şekil 2.7a ve şekil 2.7b’de görüldüğü gibidir. (a) (b) Şekil 2.7 ECAL’ in (a) ve içerisindeki kristallerin (b) bir kesiti 2.2.4 Hadronik Kalorimetre (HCAL) Elektromanyetik kalorimetre (ECAL), uyum içerisinde olduğu hadronik kalorimetre (HCAL) ile birlikte jetlerin ve kayıp dik enerjinin ölçümü için komple bir kalorimetre sistemi oluşturmaktadır[CMS Collaboration, 1997]. HCAL’ın fıçı ve kapak bölgelerindeki alt bileşenleri (HB ve HE) ECAL’i tamamıyla çevrelemektedir ve bu iki alt bileşen de solenoid mıknatıs içerisinde bulunmaktadır. HB ve HE alt bileşenleri fıçı bölgesinde | η | = 1 .4 değerine kadar ve kapak bölgesinde 1.3 ≤ | η | ≤ 3.0 psüdorapidite aralığında, detektörün hermitikliğini sağlayacak biçimde, bir araya getirilmişlerdir. İleri kısım kalorimetreleri ise, her tarafta, çarpışma (veya etkileşme) noktasından 11.2 m uzağa yerleştirilmişlerdir ve, bir kısmı HE ile çakışan, | η | = 2.9 psüdorapidite noktasından | η | = 5 noktasına kadar uzanmaktadır. HF, hadronik duşun dar olan yanlamasına profilini en iyi şekilde belirlemek için gerekli olan, jetlerin enerjilerini ölçmek ve kayıp dik enerji ölçümünün ileri bölgedeki bütünlüğünü sağlamak için dizayn edilmiştir. Hadronik duşun | η | ≤ 1.26 bölgesindeki bileşeni ise solenoid mıknatısın dışında bulunan dış 18 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU yüzey kalorimetresi (HO) ile belirlenir[CMS Collaboration, 2006]. HCAL’ın genel görünüşü şekil 2.8’de gösterilmiştir. HCAL ile ilgili daha geniş bilgi bir sonraki kısımda verilecektir. Şekil 2.8 Hadronik Kalorimetrenin(HCAL) genel görünüşü. Sarı renk ile gösterilen kısımlar, tüm HCAL bileşenleridir. 2.2.5 Müon Detektörü CMS’de müon sistemi müonların momentumlarını ve yüklerini belirlemek için dizayn edilmişlerdir. Bunun için detektör iki kısma ayrılmaktadır: fıçı bölgesi (MB) ve kapak bölgesi (ME). Fıçı bölgesi | η | ≤ 1.2 psüdorapidite bölgesinde bulunurken, kapak bölgesi ise | η | ≤ 2.4 aralığında uzanmaktadır. Büyük bir alanı kapsayan detektörün güvenilir ölçümler alan, sağlam yapıda ve düşük maliyette tutulması şüphesiz en önemli hedeftir [CMS Collaboration, 2008]. Müon sistemindeki fıçı bölgesi, 5 diske bölünen ve solenoid mıknatısın alan çizgilerinin içerisinde elipsler çizdiği, demir çatal iskeletinin içerisinde 250 adet müon odacıklarından oluşmaktadır ( her birinde 4 tane odacık bulunan ve “istasyon” olarak isimlendirilmiş yapı formunda). Bu 5 diskten her biri ise φ = 30° lik azimuthal açıya karşılık gelen 12 sektöre ayrılmıştır. Sektörlerdeki MB1, MB2, MB3 19 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Hasan Fatih KIŞOĞLU ve MB4 şeklinde adlandırılmış odacıklardan oluşan istasyonlar bir sürüklenme tüpü (DT) ve bir veya iki tane dirençli düzlemsel odacıktan (RPC) oluşmaktadır. RPC’ler genelde tetikleme için kullanılmaktadır. En içteki üç istasyondaki (MB1, MB2, MB3) sürüklenme tüpleri ise, üçerli olarak toplam dört grupta bulanan, 12 sürüklenme odacığı katmanından oluşmaktadır. Bu katmanlara ise “süper-katman (SL)” denmektedir[Calderon ve arkadaşları, 2006]. Her bir kapak bölgesi ise ME1, ME2, ME3, ME4 şeklinde adlandırılmış, dörtlü gruplar halindeki istasyonlardan meydana gelmektedir. Bu istasyonlar, solenoid mıknatısı kapatan disk üzerinde, demet eksenine dik olarak yerleştirilmişlerdir. Müon sisteminin iki kapağında toplam 468 tane “katot şeritli odacıklar (CSC)” bulunmaktadır ve her bir CSC altı adet gazlı boşluklardan oluşmaktadır. Bu boşluklarda ise dairesel şekildeki katot şeritlerden oluşan bir yüzey ve bu şeritlere dik olarak konumlandırılmış anot kablolardan oluşan bir yüzey bulunmaktadır[Calderon ve arkadaşları, 2006]. Şekil 2.8a ve şekil 2.8b’de bir MB halkası ve kapak diski görülmektedir. (a) (b) Şekil 2.9 Müon detektörünün fıçı bölgesindeki (MB) bir halka (a) ve müon kapak bölgesindeki (ME) bir diskin görünüşü (b). 20 3. MATERYAL VE METOD Hasan Fatih KIŞOĞLU 3. MATERYAL VE METOD 3.1 Hadronik Kalorimetre (HCAL) CMS detektörünün merkezinde, daha önce bahsettiğimiz gibi, 13 m uzunluğunda, yaklaşık 6 m iç yarıçaplı ve 4 T ’lık manyetik alan sağlayan solenoid mıknatıs bulunmaktadır. Bu mıknatıs CMS detektörünün en önemli unsuru olup detektörün tüm alt sistemlerinin özellikleri bu mıknatısa göre seçilmektedir. Böyle bir sarmal mıknatıs, şekil 3.1’de görüldüğü gibi, sadece HCAL’ı değil, elektromanyetik kalorimetreyi (ECAL) de çevrelemektedir. ECAL, aynı zamanda, HCAL tarafından da çevrelenmektedir. HCAL için en önemli koşul, enerji çözünürlük fonksiyonundaki gaussian olmayan uç kısımları (grafikteki kuyruk kısmı) minimum seviyeye indirmektir[Budd,1997]. Çünkü gaussian bir fonksiyonun grafiği üstel olarak artan, bir maksimum noktasına ulaşan ve üstel olarak azalan bir eğridir. Bunun dışında uç kısmı üstel azalmayan eğrilerde KKO gibi istatistiksel bir nicelik belirlenemez. Böyle bir durumda parçacıkların enerjilerini kalorimetrede tamamen bırakmaları için mıknatıs ile kalorimetre arasında boşluklar olabildiğince az olmalıdır. Bu boşluk, HCAL’da, düşük atom numaralı ve aynı zamanda manyetik alandan etkilenmeyen pirinç malzeme ( %70 bakır ve %30 çinko) ile doldurulmuştur. Bu boşlukların bu tür bir soğurucu malzeme ile doldurulması parçacıkların etkileştiği “aktif ortam”ın azalmasına neden olacaktır. Bundan dolayı bu sınırlı yer için uygun olan ışıldayıcı tabakalar kullanmaktır. Böyle bir ışıldayıcı tabakası içerisinde, ayrıca, kendisi için oluşturulan boşluklara yerleştirilmiş WLS fiberleri bulunmaktadır. Bu tabakalar ile oluşturulan izdüşümsel geometride sinyal okuma işlemi bu WLS fiberleri aracılığı ile yapılmaktadır. Böyle bir izdüşümsel geometri şekil 3.1’de görülmektedir. 21 3. MATERYAL VE METOD Hasan Fatih KIŞOĞLU MB ME HO Mıknatıs HB EM HE HF İzleyici Şekil 3.1 HCAL’ın sarmal mıknatıs içerisindeki fıçı kısmı (HB) izleyici ve elektromanyetik kalorimetreyi çevrelemektedir. Mıknatıs dışında ise hadronik dış yüzey (HO) ve kapak kısmı (HE) ve hadronik ileri kalorimetre (HF) bulunmaktadır. Gösterilen sayılar izdüşümsel geometrideki η değerleridir. HCAL, ileri kısım kalorimetre (HF) hariç diğer alt sistemleri (HO, HB ve HE) ile | η | ≤ 3.0 kadarlık bir psüdorapidite aralığını kapsamaktadır. Bu alt sistemlerden kapak bölgesi (HE) 1.3 ≤ | η | ≤ 3.0 , hadronik fıçı ve hadronik dış yüzey (HO) 0 ≤ | η | ≤ 1.3 psüdorapidite aralığında bulunmaktadır. İleri kısım kalorimetre ise 3.0 ≤ | η | ≤ 5.0 aralığını kapsamaktadır. HCAL’ın izdüşümsel bir geometrisini oluşturmak amacıyla, kalorimetre, η (eta) ve φ (phi)’den oluşan “kule”ler ve bu kulelerden oluşan “sektör” lere bölünmüştür. Böyle bir yapı şekil 3.2’de görülmektedir. 22 3. MATERYAL VE METOD Hasan Fatih KIŞOĞLU Şekil 3.2 HCAL’ın mıknatıs içerisindeki kısmına (HB) ait bir sektör Burada φ ile gösterilen parametre, demet doğrultusuna paralel olan z-ekseni ve bu eksene dik bir x − y düzleminden oluşan 3-boyutlu koordinat sisteminde, x − y düzlemi üzerinde değer alan bir parametredir. θ ile gösterilen açı ise, z- ekseninden ölçülen açıdır. Bu izdüşümsel geometri, aynı zamanda, kalorimetrenin çok parçacıklı yapısına katkıda bulunmaktadır. Buna göre bu çok parçacıklı yapıda en küçük detektör elemanının boyutu ∆η × ∆φ = 0.087 × 0.087 birimdir. Şekil 3.2’de gösterilen hadronik fıçı (HB) kısmına ait sektör, her biri 20 º ’ye karşılık gelen, φ parametrelerinden oluşmaktadır. Kalorimetrenin tamamı 360º olduğuna göre, HB, 18 tane φ değerinden ve 18 sektörden oluşmaktadır. Hadronik kapak (HE) kısmı 18 sektör ve 72 tane φ değerinden ibaret iken hadronik ileri kalorimetrede (HF) ise 36 sektör ve 72 tane φ değeri vardır. Ayrıca daha önce bahsettiğimiz ve “kule” olarak isimlendirilen her bir geometrik yapı ise bir η değerine karşılık gelmektedir. Böyle bir izdüşümsel geometriye sahip bir sektörün (mıknatısın içindeki HB için) iskeleti pirinçten oluşmaktadır. Bu pirinç yapılar arasında parçacıkların etkileşme yapacağı ve “aktif ortam” olarak da isimlendirilen ışıldayıcı tabakalarının yerleştirileceği 9 mm ’lik boşluklar mevcuttur. Bu tabakalar çok sayıda olduğundan 23 3. MATERYAL VE METOD Hasan Fatih KIŞOĞLU ve bütünlüğün sağlanması amacıyla, “megatile” denen daha büyük bir yapı formunda kalorimetredeki boşluklara yerleştirilirler. Böyle bir yapı şekil 3.3’de görülmektedir. Hadronik kapak (HE) kısmında ise iskelet yapı olarak, yine, pirinç malzeme kullanılırken, mıknatıs içerisinde bulunmayan hadronik ileri kalorimetrede (HF) ise çelik yapı mevcuttur. 405.5 cm 19.9 cm 39.8 cm Optik bağlayıcılar Radyoaktif Kaynak Tüpleri Fiber kablo kanalları Şekil 3.3 Bir “megatile” kesiti. HCAL’ın η = 0 bölgesindeki kalınlığı yaklaşık 6.2λ kadardır. η = 0 bölgesindeki bu kalınlık hadronik fıçı (HB) kalorimetresinin boyuna kalınlığı olup hadronik duş için yeterli bir uzunluk değildir. Bundan dolayı, mıknatıstan hemen sonra ve müon kalorimetresinin en iç katmanından hemen önce olmak üzere, ilave 2 katman daha konulmuştur. Bu iki katman arası da yine aktif madde ile doldurularak hadronik dış yüzey (HO) kalorimetresini oluşturmaktadır. Bu ilave katmanlar ile HCAL’ın η = 0 noktasındaki kalınlığı yaklaşık 10 λ ’ya çıkarılmıştır. 24 3. MATERYAL VE METOD Hasan Fatih KIŞOĞLU 3.1.1 Hadronik Fıçı Kalorimetresi (HB) Hadronik fıçı kalorimetresi (HB), CMS detektöründe, | η | ≤ 1.3 psüdorapidite aralığında yer almaktadır. Daha önce bahsettiğimiz gibi HB’de soğurucu malzeme olarak pirinç kullanılmıştır. Ancak kalorimetrenin en iç ve en dış katmanında, sağlam bir yapı oluşturmak amacıyla, çelik kullanılmıştır[CMS HCAL Collaboration, 2008]. HB, CMS detektörünün her iki tarafında da olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır: HB + ve HB − . Her bir kısımda daha önce bahsedilen sektörlerden 18 tane vardır ve her biri, 20 º ’ye karşılık gelen, φ değerine sahiptir. Ayrıca her bir sektör, “kule” olarak isimlendirilen 16 tane η değerine bölünmüştür. Bu “kule”ler ve karşılık geldikleri η aralığı çizelge 3.1’de gösterilmiştir. Çizelge 3.1 Her bir η aralığına karşılık gelen kuleler. 16. kule HE ile çakışmaktadır. Kule 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 η aralığı 0.000 – 0.087 0.087 – 0.174 0.174 – 0.261 0.261 – 0.348 0.348 – 0.435 0.435 – 0.522 0.522 – 0.609 0.609 – 0.696 0.696 – 0.783 0.783 – 0.870 0.870 – 0.957 0.957 – 1.044 1.044 – 1.131 1.131 – 1.218 1.218 – 1.305 1.305 – 1.392 Yukarıdaki çizelgeye göre kalorimetrenin en küçük parçasının boyutu ∆η × ∆φ = 0.087 × 0.087 birimdir. Böylece bir sektörün izdüşümsel geometrisi çıkarılmış olur. Her biri 16 tane katmanın üst üste vidalanmasıyla oluşturulan 25 3. MATERYAL VE METOD Hasan Fatih KIŞOĞLU sektörlerden 18 tanesi bir araya getirilerek HB kalorimetresinin bir yarısının iskeleti oluşturulur. HB’ ye ait bir sektör şekil 3.4’de görüldüğü gibidir. Kule Birinci Derinlik İkinci Derinlik Şekil 3.4 HB’nin bir yarısına ait sektör Görüldüğü gibi merkezden kapak bölgesine doğru gidildiğinde kalorimetre, birbirinden bağımsız sinyal alınan, iki derinliğe ayrılmaktadır[Proudfoot,2006]. Sektördeki 16 katmanın üst üste yerleştirilmesi sırasında ışıldayıcı tabakalardan oluşan ve “megatile” olarak adlandırılan yapının yerleştirilmesi için katmanlar arasında 9 mm ’lik boşluklar bırakılmıştır. HB’de ışıldayıcı tabakalar için radyasyon dayanıklılığı olan 3.7 mm kalınlığında Kuraray SCSN81 plastik ışıldayıcı tabakaları kullanılmıştır[CMS Collaboration, 2008]. HCAL’da bu tip ışıldayıcı tabakalardan yaklaşık 70.000 adet bulunmaktadır. 3.1.2 Hadronik Dış Yüzey Kalorimetresi (HO) Daha önce HCAL’ın η = 0 bölgesinde HB’nin kalınlığının hadronik duş için yeterli olmadığını söylemiştik. Bu nedenle fıçı kısmına, mıknatıstan hemen sonra ve müon detektörünün en iç kısmından hemen önce olmak üzere, ilave 2 katman daha eklenmiştir. Bu iki katman ve ara bölgede yer alan aktif ortamın oluşturduğu yapı hadronik dış yüzey kalorimetresi (HO) dir. HO, sarmal mıknatısı (1.4/sinθ )λ kalınlığında bir soğurucuymuş gibi kullanır ve, HO, HB’den sonra kalorimetrede depolanan enerjiyi ölçmede kullanılır[CMS Collaboration, 2008]. 26 3. MATERYAL VE METOD Hasan Fatih KIŞOĞLU HO kalorimetresi, tıpkı müon detektörü ve sarmal mıknatıs gibi, halka şeklindeki 5 kısımdan oluşmaktadır: -1, -2, 0, +1, +2. Bu numaralandırma müon detektörü ile aynıdır ve son halka (- 2 ) dan ilk halka (+ 2 ) ya gidildikçe η değeri artmaktadır. Ancak bu kısımdan 0 numaralı halka iki katmana sahipken ± 1 ve ± 2 numaralı halkalar tek katmandan oluşmaktadır. HO’nun yanlamasına ve uzunlamasına kesiti şekil 3.5a ve şekil 3.5b’de görüldüğü gibidir. Katman 1 0 +1 Katman 2 +2 Katman 1 Katman 2 (a) (b) Şekil 3.5 HO’nun yanlamasına (a) ve uzunlamasına (b) kesiti Tıpkı HB’de olduğu gibi, HO’da , x − y düzleminde sektörlere ayrılmıştır. HO’nun her bir halkası, x − y düzlemi üzerinde, 12 sektöre ayrılmıştır. Buna göre HO’da bir sektör φ = 30° ’ye karşılık gelmektedir. Ayrıca her bir sektör, kendi içerisinde, φ = 5° ‘lik 6 dilime ayrılmıştır. Bu 6 dilimin her biri, ayrıca, η kısımlarına bölünmüştür. HO’da da parçacıkların etkileşeceği aktif ortam olarak ışıldayıcı tabakalar kullanılmaktadır ve bu tabakalar, HB’deki gibi, “megatile” formunda bir araya getirilerek HO’nun iki katmanı arasına yerleştirilmektedir. 27 3. MATERYAL VE METOD Hasan Fatih KIŞOĞLU HO’daki merkez halkanın her iki katmanı 8 tane η değerine bölünmüştür. ± 1 halkaları 6 tane farklı η değerine sahipken ± 2 halkaları 5 tane η değerine bölünmüştür[Acharya ve arkadaşları, 2006]. HO’nun CMS’deki genel bir görünüşü şekil 3.6’ daki gibidir. Şekil 3.6 HO’nun genel görünüşü 3.1.3 Hadronik Kapak Kalorimetresi (HE) HCAL’ın bir diğer alt bileşeni olan hadronik kapak kalorimetresi (HE), hadronik fıçı kalorimetresine (HB) oldukça benzeyen bir kalorimetredir[CMS HCAL Collaboration, 2008]. 28 3. MATERYAL VE METOD Hasan Fatih KIŞOĞLU Kalorimetre 4 T ’lık manyetik alan sağlayan solenoid mıknatısın uçlarına yerleştirildiği için kullanılacak soğurucu olarak uygun maliyete ve soğurma uzunluğuna sahip manyetik olmayan malzeme seçilmelidir. Bunun için HE’de, tıpkı HB’de olduğu gibi, pirinç malzeme kullanılmıştır[CMS HCAL Collaboration, 2008]. Ard arda dizilen soğurucular arasına, parçacıklarla etkileşerek sinyal oluşturan, ışıldayıcılar yerleştirilmiştir. Işıldayıcılardan gelen sinyaller WLS fiberleri ile uygun dalga boyuna getirildikten sonra foto-çoğaltıcılar aracılığı ile dijital sinyallere çevrilmektedir. HE’nin bir görünüşü şekil 3.7’de görüldüğü gibidir. HE ile ilgili geniş bilgi bir sonraki kısımda verilecektir. Şekil 3.7 Hadronik kapak kalorimetresinin (HE) bir görünüşü 29 3. MATERYAL VE METOD Hasan Fatih KIŞOĞLU 3.1.4 İleri Kısım Hadronik Kalorimetre (HF) İleri kısım hadronik kalorimetre (HF) CMS’de 3 ≤ | η | ≤ 5 psüdorapidite aralığında bulunmaktadır. Jetlerin ve kayıp dik enerjinin belirlenmesinde önemli rol oynamaktadır[Baiatian ve arkadaşları, 2006]. HF kalorimetresinde soğurucu olarak çelik kullanılmaktadır. Silindir şeklindeki bu yapının iç yarıçapı (demet ekseninden uzaklığı) 12.5 cm , dış yarıçapı ise 130 cm ’dir. Bu değerlere sahip iç ve dış yarıçaplar çelik yapının kalınlığını 117.5 cm olarak belirlemektedir. Kalorimetrede parçacıkların etkileşerek sinyal oluşturduğu aktif ortam olarak ise birleşik silis (Fused-Silica)1 in sert polimer ile kaplanmasıyla (Hard Polymer Cladding)2 oluşan yapı kullanılmaktadır[Baiatian ve arkadaşları, 2006]. HF de, HCAL’ın diğer alt sistemlerinde olduğu gibi x-y düzlemini üzerinde, her biri φ = 20° ‘ye karşılık gelen sektörlere bölünmüştür. Böylece HF’in bir yarısında 18 tane sektör bulunmaktadır. Kalorimetrenin η ve φ ’den oluşan izdüşümsel geometrisinde en küçük elemanın boyutu ∆η × ∆φ = 0.175 × 0.175 birimdir. HF kalorimetresinin bir kesiti şekil 3.8’de görüldüğü gibidir. Şekil 3.8 HF’in bir görünüşü 1 Birleşik Silis (Fused-Silica), yüksek saflık oranına sahip bir sentetik amorf silikon dioksit bileşendir. Bu bileşen yüksek sıcaklık altında çok düşük genleşme katsayısına sahipken mor-ötesi bölgeye kadar uzanan geniş bir dalga-boyu aralığında çok iyi bir ışık iletimi özelliğine sahiptir. 2 Işık iletimi sağlayan kablonun polimer ile kaplanmasıyla oluşan yapı darbeye ve yüksek sıcaklığa karşı ( 300 °C’ye kadar uzun süreli, 400 °C’ye kadar kısa süreli) dayanıklılığa sahiptir. 30 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR 4.1 CMS Hadronik Kapak Kalorimetresi (HE) CMS’deki kapak bölgesi, silindir bir kutu şeklindeki detektörün her iki ucunda bulunmaktadır. Her iki uçtaki kapak bölgelerine yerleştirilen hadronik kapaklar HE + ve HE − olarak isimlendirilmiştir. HE’nin sahip olduğu psüdorapidite aralığının, BHÇ’de çarpıştırılacak olan proton demetlerinin son durumunda ortaya çıkan parçacıkların %34 ’ünü kapsamasından ve detektörün en az 10 yıl çalıştırılması düşünüldüğünden dolayı kalorimetrenin yüksek bir radyasyona maruz kalacağı beklenmektedir. Bu nedenle, BHÇ’de kullanılacak olan yüksek ışıklılığı ( L = 10 34 cm -2 s -1 ) da dikkate alırsak, HE`nin radyasyona karşı yüksek bir dayanıklılığa (MRad düzeyinde) sahip olması gerekmektedir. Ayrıca demet içerisindeki öbeklerin 40 MHz frekansla (25 ns) çarpışmaları, ortaya çıkacak ürünleri yüksek sayma hızı gerektirdiğinden HE detektörü bu gereksinime de cevap vermelidir. HCAL’ın kapak bölgeleri solenoid mıknatısın içerisine yerleştirildiğinden dolayı, bu kısımların 4 T ’lık manyetik alandan etkilenmemesi için HE`nin yapım malzemesi olarak yeterince iyi özelliklere, soğurma uzunluğuna ve uygun maliyete sahip pirinç malzemeler kullanılmıştır. HE Şekil 4.1 CMS detektöründeki hadronik kapak (HE) kısımları 31 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Şekil 4.2 HE’nin yapımında pirinç malzeme kullanılmıştır. Üzerindeki boşluklar ise ışıldayıcı tabakaları için ayrılmıştır. Hadronik kapaklar müon kalorimetresinin kapak kısımları üzerine konumlandırılmıştır (Şekil 4.1 ve Şekil 4.2). HE’yi solenoid mıknatısın içerisine sabitlemek için ise müon kapaklarından ziyade hadronik kalorimetrenin yanal yüzeyleri kullanılmaktadır. Müon kapakları ile üzerine yerleştirilen HE arasındaki katot şeritli odacıkların (CSC) zarar görmemesi için sabitleme sadece yanal yüzeylerin ufak kısmı vasıtasıyla sağlanır. HE’nin hemen önüne ise 10 tonluk elektromanyetik kapak (EE) ve ön duş (ES) kalorimetreleri yerleştirilmiştir (Şekil 4.3). 32 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU EE Şekil 4.3 HE önüne elektromanyetik kapak (EE) ve ön duş (ES) yerleştirilmiştir. Yanal yüzeylerdeki katman sırası aynı şekilde kapak bölgelerinde de mevcuttur. Şekil 4.2’de görüldüğü gibi HE kalorimetresinin üzerinde şerit şeklinde boşluklar mevcuttur. Bu aralıklara, ürün parçacıkların varlığını görmemizi sağlayacak olan, ışıldayıcı tabakalar yerleştirilecektir. Işıldayıcılar sadece parçacıkların varlığını göstermekle kalmaz, aynı zamanda parçacıkların bıraktıkları enerji vasıtasıyla kimliklerini belirlememizi sağlarlar. 4.1.1 Soğurucu Yapısı Detektörlerde soğurucular yüksek enerjili parçacıkların enerjilerini ölçme amacıyla kullanılan ve bunu parçacık enerjisini soğurarak yapan elemanlardır. Soğurucu yapımında farklı parçacık türleri için farklı malzemeler kullanılmaktadır. 33 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU HE’de kullanılan soğurucular, tek bir parçacığın enerji çözünürlüğünden daha ziyade, HB ile HE arasındaki boşluğu azaltmak için dizayn edilmiştir[CMS Collabration, 2008]. Soğurucu plakalar, aralarında sıralı boşluklar olacak şekilde birbirlerine bağlanmışlardır (Şekil 4.4). Bu 79 mm ’lik soğurucu plakalar arasında ışıldayıcı tabakalar için 9 mm ’lik boşluklar bırakılmıştır(Şekil 4.2). HE’nin toplam boyu, elektromanyetik kalorimetrenin kristallerini de içerecek şekilde, 10 etkileşme uzunluğu(λ) kadardır[CMS Collabration, 2008]. Soğurucu plakanın kesiti Şekil 4.4‘de görüldüğü gibidir. SOĞURUCU PLAKALAR IŞILDAYICI TABAKASI BOŞLUKLARI VİDA BOŞLUKLARI Şekil 4.4 Soğurucu plaka kesiti. Manyetik alandan etkilenmemesi için yapımında pirinç malzeme kullanılmıştır. Soğurucu üzerinde ışıldayıcı tabakalar için bırakılan boşluklar birbirlerinden 8 cm ’lik mesafe ile ayrılmışlardır. Bu mesafe ise pirinç malzeme ile doldurulmuştur. Böyle bir soğurucu yapısının enerji çözünürlüğü denklem 4.1’de verilmiştir[http://rdms-cms.jinr.ru/docs/rdms_1/hadr2.html]. σ % 100 ≈ ⊕ %2 E E 34 (4.1) 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Kalorimetrenin dış kısmında ise, içerisine kullanılacak elektroniğin ön aşaması (front-end) seviyesinde olan elektronik malzemeleri ve foto-detektörleri yerleştirmek için boşluklar vardır. Bu dış kısım kalorimetreye destek olan 10 cm ’lik bir çeliğe bağlanmıştır. Foto-detektörler, ışıldayıcılar, …gibi tüm optik elemanlar kalorimetrenin soğurucu kısımları tamamen yerleştirildikten sonra daha önce bahsedilen boşluk bölgelerine yerleştirilir. Bu optik elemanların, boşluklara yerleştirilirken kolaylık olması ve pozisyonları değiştirildiğinde hasar görmemeleri için esnek yapıda olmamalarında fayda vardır. 4.1.2 Işıldayıcı Tabakası Işıldayıcılar, yüksek enerjili foton veya yüklü parçacık soğurmasıyla belli bir karakterde (dalga boyu, enerji, …) ışınım yapan elemanlardır. Yaydığı ışınımın karakteri ise soğurduğu enerji ile belirlenir. Soğurucular bazı özelliklerine göre ayrılırlar: • Soğurduğu birim enerji başına yaydığı foton sayısı, • Enerjiyi soğurması ile ışınım yayması arasındaki gecikme zamanı, • Belli bir dalga boyunda yaydığı ışınıma karşı kendi optik geçirgenliği Bir ışıldayıcının yukarıda bahsedilen ve “ölü zaman” olarak da bilinen gecikme zamanının düşük olması, enerjiyi soğurmasına cevap vermesinin çok çabuk olması anlamına gelmektedir. Bu ise, yaydığı ışınımın hemen arkasına, birim zamanda daha çok iyonizasyon olayına cevap vermesi anlamına gelmektedir. HE’ de kullanılan ışıldayıcılar enerji soğurduğunda yaklaşık 520 nm ’lik mavi ışık yayımlarlar. Yayımlanan bu ışığı dalga boyu öteleyici fiberler (WLS) toplamaktadır. Bu fiber kablolar ışıldayıcılardan aldığı ışığı foto-detektörlere uygun dalga boyunda taşımaktadırlar. Işıldayıcı tabakalarının üzerinde WLS fiberlerinin yerleştirilmesi için oyuklar vardır. Işıldayıcı tabakasının kesiti şekil 4.5’de görülmektedir. 35 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR OPTİK BAĞLAYICILAR PİRİNÇ ÇERÇEVE Hasan Fatih KIŞOĞLU IŞILDAYICI WLS FİBERLERİ TEMİZ FİBERLER KABLO RADYOAKTİF KAYNAK KUARTZ FİBERLER Şekil 4.5 Işıldayıcı tabakasının kesiti. Yeşil renkteki kablolar WLS fiberlerini göstermektedir. WLS fiberlerinin iki ucunun hassas olması gerektiğinden elmas kesiciler ile işlenmiştir. Alınan ışığın şiddeti ne kadar fazla olursa foto-detektörler üzerine düşen ışık, dolayısıyla okunan sinyal o kadar kuvvetli olur. Bu nedenle WLS fiberlerinin bir ucunun alüminyum ile kaplanması yansıtıcı görevi görmesini sağlar. Bu şekilde ışıldayıcının her bölgesinden gelen ışık toplanabilir. Fiberlerin diğer ucu ise fotodetektörlere bağlı olan başka bir fiber optik kabloya bağlıdır. Karo şeklindeki ışıldayıcılar ince kenarlarından boyanarak (ışık kaybını azaltmak için) ve düzlemsel kalıbın içerisine konularak tabaka şekline dönüştürülür. Şekil 4.6 Işıldayıcı karosu Işıldayıcı tabakasında kullanılan ışıldayıcı karoları (tile) Şekil 4.6’da görülmektedir. Bu şekildeki “tabaka”lardan kapaklarda toplam 1368, “karo”lardan 36 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU ise 20916 tane vardır. Bu şekilde iki tane ışıldayıcı tabakası HE’de bir “sektör” ü temsil etmektedir. HE kalorimetresinde 18 tane sektör vardır. Kalorimetrenin farklı bölgelerinden gelen sinyallerin yerlerini saptamak amacıyla bir izdüşümsel geometriye ihtiyaç duyulmuştur. Bu nedenle kalorimetre “katman”lar ve “kule”lere ayrılarak haritalandırılmıştır. HE için katmanlar, numaraları 0’dan başlayarak 17’ye kadar (18 tane); kuleler ise 16’dan başlayarak 29’a kadar (14 tane) devam etmektedir. Böyle bir izdüşümsel geometri Şekil 4.7’de gösterilmiştir. Kuleler Katman -1 Katmanlar Şekil 4.7 HE’ nin izdüşümsel geometrisinde katmanlar ve kuleler. “-1” ile gösterilen katman madde azalmasını telafi etmek için 18. kuleye eklenmiştir[CMS HCAL Collaboration, 2008]. 37 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Ayrıca kalorimetre, büyüklüğünden dolayı, x − y düzleminde üç kısma ayrılmıştır. Böyle bir gereksinim, meydana gelebilecek aksaklıklardan kalorimetrenin bütününün etkilenmemesinden kaynaklanmaktadır. Böylece aksaklık hangi kısımda ise sadece o kısım etkilenmektedir. HE + için bu üç kısma ait sektörler ve phi (φ ) değerleri çizelge 4.1’de gösterilmiştir. Çizelge 4.1 HE + ’daki kısımlar, bu kısımlara ait sektörler ve phi değerleri Kısım A B C Sektör 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 φ 3, 4, 5, 6 7, 8, 9, 10 11, 12, 13, 14 15, 16, 17, 18 19, 20, 21, 22 23, 24, 25, 26 27, 28, 29, 30 31, 32, 33, 34 35, 36, 37, 38 39, 40, 41, 42 43, 44, 45, 46 47, 48, 49, 50 51, 52, 53, 54 55, 56, 57, 58 59, 60, 61, 62 63, 64, 65, 66 67, 68, 69, 70 71, 72, 1, 2 4.1.3 Foto-Detektörler HCAL’ın kullandığı foto-detektörler ışıldayıcılardan gelen analog sinyalleri dijital sinyallere dönüştüren elektronik elemanlardan biridir. Foto-detektörlerin verimli çalışabilmeleri için sağlamaları gereken bazı gereksinimler vardır. Buna göre foto-detektörlerin; • 4 T ’lık manyetik alan içerisinde çalışabilme yeteneğine, • Radyasyona karşı yüksek dayanıklılığa, • Yüksek bir dinamik aralığa sahip olmaları gerekmektedir. 38 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Burada bahsedilen Hasan Fatih KIŞOĞLU foto-detektörlerdeki “dinamik aralık”, sinyalin, bozulmadan taşınabileceği maksimum şiddetinin hiçbir sinyalin taşınmadığı duruma oranıdır. Hiçbir sinyalin taşınmadığı durum “gürültü seviyesi” olarak da bilinmektedir. Bu durumda dinamik aralık; Dinamik Aral ık = Maksimum güç seviyesi Gürültü Seviyesi (4.2) olarak verilir. HE’de foto-detektörler, kalorimetre ile müon kapağı arasındaki kutu içerisine yerleştirilmişlerdir. Daha önce de bahsedildiği gibi BHÇ’deki yüksek ışıklılık detektörde ve dolayısıyla detektörde kullanılacak olan elektronik elemanlarda benzer gereksinimler doğurmaktadır. Bunlardan en önemli olanı ise, detektör faaliyete geçtikten 10 yıl sonra bile bu elektronik elemanların işlevlerini kaybetmemeleridir. Bu önemli etken, kullanılan bütün elektronik aygıtların radyasyona karşı yüksek dayanıklılığını gerektirmektedir. Manyetik alan içerisinde verimli çalışabilen iki tür foto-detektör çeşidi üzerinde durulmaktadır: Yakınlık Odaklı Hibrid Foto-Diyot (PFHPD) ve Yarıiletken Çığ Foto-Diyot (APD). 4.1.4 Yarı-iletken Çığ Foto-Diyot (APD) Yarı-iletken Çığ Foto-diyot (APD) daha çok ECAL kristallerinde kullanılmaktadır. HCAL’ın bu foto-diyotları kullanabilmesi için, daha önce de bahsedildiği gibi, bazı gereksinimlere cevap vermesi gerekmektedir. Örneğin; 4 T ’lık manyetik alan içerisinde çalışabilir olması ve geniş dinamik aralığa sahip olması en önemli olanlarıdır. Foto-diyot içerisinden, üzerine hiçbir foton düşmeksizin geçen akım “karanlık akım” olarak adlandırılır. İdeal bir APD, “sıfır” karanlık akıma ve yüksek verimliliğe (veya kazanç) sahip olmalıdır. Böylece ideal 39 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU bir APD’de sadece ilgilendiğimiz sinyali yüksek verimlilik ile görebiliriz. Bir APD kesiti şekil 4.8’de görülmektedir. Şekil 4.8 Sıradan bir APD kesiti APD’nin içyapısı ise şekil 4.9’da gösterilmektedir. Görüldüğü üzere bir APD’nin içyapısı temel olarak soğurucu kısım ve çoğalma kısımlarından oluşur. Soğurucu kısımda bulunan elektrik alan, foto-katottan kopan elektronların hızlanarak çoğalma bölgesine geçmelerini ve bu kısımda tekrar çarpışmalar yolu ile bir foton yığılımı oluşmasını sağlar. Çoğalma bölgesindeki bu foton yığılımı ayrı bir elektrik alan vasıtasıyla meydana gelir. Bu foton yığılımının ölçülmesiyle elde edilecek verim, silikon APD’ler için en az 100; germanyum ya da induyum-galyum-arsenit(InGaAs) APD’ler için 10 - 40 aralığında olmalıdır[Perkin Elmer, 2006]. Işığın düştüğü bölge Elektrik Alan Şekil 4.9 Bir APD’nin iç yapısı. Temel olarak soğurucu kısım (S) ve çoğalma kısmından (Ç) oluşan iç yapıda iki ayrı elektrik alan vardır. Çoğalma bölgesindeki daha yüksek elektrik alan foton yığılımını devam ettirmektedir. 40 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU 4.1.5 Yakınlık Odaklı Hibrid Foto-Diyot (PFHPD) Yakınlık Odaklı Hibrid Foto-Diyot (PFHPD), foto-elektronları kullanarak analog sinyali, dijital sinyale dönüştüren ve aynı zamanda sinyal kuvvetlendirme görevi de yapan foto-diyottur. Hadronik kalorimetrede (HCAL) ışıldayıcı karolar üzerine düşen parçacıklar vasıtasıyla yayınlanan yaklaşık 520 nm `lik dalga boyundaki mavi ışık WLS fiberlerle okuma ünitesine taşınır[Cushman ve arkadaşları, 2002]. Bir ucu, aynı zamanda, WLS fiberleri ile de bağlantılı olan optik kablolar aldıkları bu mavi ışığı optik bağlayıcılara taşırlar ve buradan düzlemsel şerit şeklindeki fiber kablo paketleri yardımıyla bu ışık foto-diyotlara taşınır. HCAL tarafından kullanılan foto-diyot, bir S20 foto-katottan oluşan ve vakumlanmış bir tüp içerisine konulan bir hibrid fotodiyottur[Cushman, 2004]. Bu tüpün içerisinde 3.3 mm ’lik bir boşluk vardır ki burada, foto-katottan1 sökülen elektronların silikon foto-diyota yüksek bir enerji ile çarpması için hızlandırılması sağlanır. Hızlanan elektronların çarptığı bu silikon fotodiyot ise sık aralıklarla dizilmiş, altıgen yapılı birçok küçük foto-diyottan oluşmaktadır. Elektronların silikon foto-diyottan sökülmesi için bir eşik enerjisi ve dolayısıyla bu enerjiyi sağlayacak bir eşik gerilimi gerekmektedir. HPD’den elde edilen kazanç ise, elektronları hızlandırmada kullanılan gerilimin eşik geriliminden farkının 3.6 eV ’a bölünmesiyle hesaplanabilir. Hızlandırmada kullanılan gerilime tüp içerisindeki “anot-katot” gerilimi ( V AK ) dersek ve eşik gerilimini V ile gösterirsek bir HPD’nin kazancı ( G ); G= V AK − V 3.6 eV 1 (4.3) Bir S20 foto-katot, yapımında birden fazla alkali metalin kullanıldığı bir multi-alkali foto-katottur. Mor ötesi bölgeden yakın görünür bölgeye kadar geniş bir dalga-boyu aralığındaki ışığa karşı hassaslığa sahip olup bu geniş dalga-boyu aralığı 930 nm’ye kadar çıkabilmektedir. 41 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU olarak yazılabilir. Buradaki 3.6 eV , bir tane elektron-deşik çifti oluşumu için gereken enerji miktarıdır[Cushman P.B. , 2004]. HCAL da kullanılan HPD şekil 4.10’da görülmektedir. (a) (b) Şekil 4.10 HCAL’ın kullandığı örnek bir HPD. Silikon foto-diyot HPD’nin ortasına yerleştirilmektedir (a).Arka yüzeyi ise okumayı sağlayan elektroniklere bağlanmaktadır (b). Tüp içerisindeki foto-diyot, sıkı bir şekilde, kristal yapısı gibi dizilmiş birden çok (19 ya da 73 tane) foto-diyot görüntü ögeciği dizisinden meydana gelmektedir. Şekil 4.10a’da görülen siyah renkli katman ise HPD’nin bağlı olduğu plastik PET (Polietilen Tereftalat) disktir. Fiber paketindeki fiber kabloların HPD’ye bağlanmasını sağlayan bu PET disk üzerinde, HPD tüpüne bağlanan bir fiber paketi için foto-diyot görüntü ögecikleri sayısına uygun olarak, 19 ya da 73 tane her biri ayrı bir görüntü ögeciğine karşılık gelen delikler vardır. Bir fiber paketinde ise en az 2, en fazla 18 tane fiber kablo vardır[Cushman ve arkadaşları, 2002]. Tüp içerisindeki 3.3 mm ’lik boşlukta hızlanmış elektronlar n + tipi malzemeden oluşan bölgenin ilk kısımlarında elektron - deşik çifti oluşturur. Oluşan bu deşikler p + katmanına doğru sürüklenir. Her bir p + katmanı ise, daha önce bahsettiğimiz, görüntü öğeciklerinin bir sırasını temsil etmektedir. Böyle bir mekanizma şekil 4.11b’de görülmektedir. 42 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Şekil 4.11 Bir HPD’nin vakumlanmış tüp içerisine yerleştirilmesi(a). HPD’nin iç yapısı ise sağ tarafta gösterilmiştir(b). n+ ara bölgesinin kalınlığı ise yaklaşık 200 µm dir. 4 T ’lık manyetik alan foto-diyot seçiminde silikon kullanmamızı gerektirmektedir2. Bu nedenle karşımıza iki alternatif çıkmaktadır: APD veya HPD. Bu iki seçenek arasında yapılan tercih, test demeti olarak bilinen, düşük enerjili ve düşük ışıklılığa sahip (BHÇ’de kullanılacak olan demete göre) parçacık demetleri ile yapılan araştırmalar sonucunda yapılmıştır. Elektron, müon ve pion demetleri kullanılarak yapılan testler sonucunda HPD’nin MIP (Minimum İyonize eden Parçacıklar) ve radyoaktif kaynakla yapılan kalibrasyon sonucundaki DC sinyale karşı tepkisinin, APD’den oldukça iyi olduğu görülmüştür. Ayrıca müonların oluşturduğu ve “nükleer karşı efekt”3 şeklinde isimlendirilen fon sinyali de HPD’ lerde azaltılmıştır. HPD’de karşılaşılan düşük akım değerini önlemek için, fotodiyota, yüksek gerilim ve denetim gerilimi (bias gerilimi) uygulanabilir. Foto-diyotun arka yüzünde, her bir altıgen foto-diyot dizisinden sinyali alarak kendi arkasındaki bağlayıcılara ileten, seramik bir katman mevcuttur (şekil 4.10a). 2 Silikon foto-diyotların sadece manyetik alandan etkilenmemeleri değil, ayrıca, geniş dalga-boyu aralığında çalışabilme özellikleri (200 – 1200 nm)[UDT Sensors,Inc. ,1982], sahip olduğu duyarlılığın düzgün olması ve silikon yüzeyinin yüksek homojenliği bu tür foto-diyotları cazip kılmaktadır. 3 Bir foto-diyot içerisinde elektron-deşik çifti sadece ilgilenilen parçacıklar vasıtasıyla (örneğin; HE için hadron) oluşmayabilir. Ayrıca foto-diyot içerisinden geçen ve iyonizasyona neden olan diğer parçacıklar da elektron-deşik çifti oluşturabilirler. Bu şekildeki “yalancı” sinyale “nükleer karşı efekt” sinyali denir. 43 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Foto-diyotlar okuma ünitesine yerleştirilirken altın kaplı iğne şeklindeki bağlayıcılar ile bir sokete yerleştirilir ve kilitleme kolu ile sabitlenir. 4.2 Enerji-Kazanç Kararlılığı Çalışmaları HE + kalorimetresinde kullanılan HPD’lerde enerji-kazanç kararlılığını gözlemleyebilmek için, kalorimetrenin A, B ve C kısımlarından veriler alınmıştır. Alınan veriler sadece kaydettiklerimizle sınırlı değildir. Ancak bu verilerden sadece uygun olanları kullanılmıştır. Kalorimetrenin her üç kısmından ayrı ayrı veriler alınmıştır. Alınan her bir veride, kalorimetreye 1000 sinyal gönderilmiş ve bu sinyaller aracılığıyla detektörün tepkisi olarak gözlenebilen olaylar (etkileşmeler) incelenmiştir. Elde edilen bu verilerde ortalama enerji, enerjinin KKO değeri, detektörün cevap süresi ve bu cevap süresinin KKO değerlerine bakılmıştır. Bu doğrultuda, HE + ’nın tüm kısımlarından alınan verilerden elde edilen ortalama enerji ve enerji KKO değerleri şekil 4.12 ve şekil 4.13’teki gibidir. Şekil 4.12 Bütün HE + kısımlarından alınan verilerin ortalama enerjileri 44 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Şekil 4.13 Bütün HE + kısımlarından alınan verilerin KKO değerleri Alınan veriler iki türlüdür: LED verisi ve Pedestal verisi. Pedestal verileri, kalorimetreye hiçbir sinyal gönderilmeden alınan verilerdir. Bu şekilde, veri almaya hazır halde bekleyen kalorimetrenin kendi iç geriliminden kaynaklanan sinyaller ölçülmektedir. Diğer veri tipinde ise kalorimetreye + 12 V ’luk bir LED sinyali gönderip, her bir kısımdaki HPD’lerden alınan tepkiler ve bu tepkilerin bütün kısımlardaki uyumluluğu incelenmektedir. Yukarıdaki veriler ise LED verileridir. Bütün HE + kısımları kullanılarak alınan LED verileri ile ayrıca kalorimetrenin ortalama tepki süresi (gecikme zamanı) ve bu tepki sürelerinin KKO değerleri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar şekil 4.14 ve şekil 4.15’de gösterilmiştir. 45 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Şekil 4.14 HE + ’nın tüm sektörlerinin ortalama tepki süresi Şekil 4.15 HE + ’nın tüm sektörlerinin KKO değerleri 46 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Bütün kısımların uyumluluğu söz konusu olduğu için tüm sektörlerden alınan verilerin KKO değerlerinin sabit olmasını, yani, alınan değerlerin istatistiksel olarak geniş bir aralığa yayılmamasını bekleriz. Yukarıdaki grafiklerden görüldüğü gibi enerjinin KKO değeri yaklaşık 40 fC civarındadır. Burada enerji olarak her bir kısımdaki HPD’lerde analogdan dijitale dönüştürülen sinyal(ADC count) kullanılmıştır. Gecikme zamanı birimi olarak da iki öbek arasındaki BHÇ’deki çarpışma sıklığı (bunch-crossing) alınmıştır. Böylece gecikme zamanı öbeklerin çarpışma sıklığı cinsinden belirtilebilmektedir. Şekil 4.15’deki grafikte gösterildiği gibi gecikme zamanının KKO değeri 0.04 bx (bunchcrossing) civarındadır. Bu da, öbeklerin çarpışma sıklığı 25 ns olduğundan, 1 ns ’ye karşılık gelmektedir. Her bir kısımdaki enerji-kazanç kararlığını görebilmek için üç kısımdan da alınan LED verileri incelenmiştir. Enerji-kazanç kararlılığı için her bir veriden elde edilen değer, bundan daha önce alınan ve kendimize referans olarak kabul ettiğimiz veri değerleri ile karşılaştırılmıştır. Böylece verilerdeki enerji kazancı değerinin kararlılığının korunup korunmadığı incelenmiştir. A kısmındaki HPD’lerden alınan veriler şekil 4.16’da gösterilmiştir. Şekil 4.16 HE + A kısmından alınan verilerle, referans olarak kabul ettiğimiz verinin karşılaştırılması 47 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU A kısmındaki bütün HPD’lerden alınan sinyallerin KKO değerlerinin, referans veri ile karşılaştırılması ise şekil 4.17’de verilmiştir. Şekil 4.17 HE + A kısmından alınan verilerin KKO değerlerinin, referans veri ile karşılaştırılması Yukarıdaki her iki grafikte de dikey eksen alınan sinyal sayısını göstermektedir. Buna göre, her iki grafikte de, alınan verilerle referans olarak seçtiğimiz veri ∼ 0.2 kadarlık bir alanda birbirleri ile uyuşmaktadır. Benzer şekilde karşılaştırmalar B ve C kısımları için de yapılmıştır. B kısmındaki HPD’lerden alınan verilerle ortalama enerjiler ve bu ortalama enerjilerin KKO değerleri referans veri ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar şekil 4.18 ve şekil 4.19’daki gibidir. Sonuçlardan görüldüğü gibi B kısmından alınan verilerin dağılganlığı, A kısmından alınanlara göre, daha azdır. Bu da B kısmındaki HPD’lerin daha kararlı olduğunu göstermektedir. 48 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Şekil 4.18 HE + B kısmındaki sektörlerden alınan ortalama enerjilerin referans veri ile karşılaştırılması B kısmındaki tüm sektörlerden alınan ortalama enerjilerin KKO değerlerinin, referans olarak seçtiğimiz veri ile karşılaştırılması ise şekil 4.19’da gösterilmiştir. Şekil 4.19 HE + B kısmındaki sektörlerin ortalama enerjilerinin KKO değerlerinin karşılaştırılması 49 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU HE + C kısmından alınan veriler için, A ve B kısımlarında olduğu gibi, ortalama enerji ve ortalama enerjilerin KKO değerlerinin referans veri ile karşılaştırılması şekil 4.20a ve şekil 4.20b’de verilmiştir. (a) (b) Şekil 4.20 HE + C kısmından alınan ortalama enerjilerin (a) ve ortalama enerjilerin KKO değerlerinin (b) referans veri ile karşılaştırılması. 50 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU A kısmı için alınan verilerden beş tanesinde 2 numaralı sektör için (φ = 3, 4, 5, 6) , referans olarak alınan veriden, ortalama olarak yaklaşık 2 katı bir farklılık veya ötelenme görülmüştür. Bizim tüm sektörlerden beklentimiz ise kararlılığın bir sonucu olarak, bu katsayının yaklaşık 1 olmasıdır. A kısmı için alınan verilerde görülen bu büyük farklılığın nedeninin ilgili sektördeki sıcaklığın HPD’lerin normal çalışma sıcaklığı değerinden (∼ 30 °C) fazla olmasından kaynaklandığı düşünülmüştür. HPD sıcaklığının normal değerinden yüksek olması, HPD içerisindeki çoğaltma bölgesinde normalden daha fazla bir iyonizasyona ve bundan dolayı analogdan dijitale dönüştürülen sinyal miktarında bir artışa neden olmaktadır. A kısmında 2 numaralı sektörde (φ = 3, 4, 5, 6) görülen bu farklılık şekil 4.21 ve şekil 4.22’de görüldüğü gibidir. Şekil 4.21 HE + A kısmı sektör 2’de görülen referans veri ile arasındaki büyük farklılığın nedeninin bu sektördeki HPD’nin normalden fazla ısınması olarak düşünülmüştür. Renk skalasından görüldüğü gibi, sektör 2’ye ait φ değerleri (3, 4, 5, 6) hariç diğer sektörlerdeki φ değerleri ile referans veri yaklaşık olarak aynıdır (yeşil renk). Ancak φ = 3, 4, 5, 6 değerleri referans veriden yaklaşık 2 katı farklılık göstermektedir (kırmızı renk). 51 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Şekil 4.22 HE + A kısmı sektör 2’de görülen referans veri ile arasındaki iki katlık enerji farkı 4.3 Sıcaklık ve Sinyaldeki Gecikmenin Enerji Kazancı Üzerindeki Etkisi Her bir kalorimetre sektörüne, daha önce belirtildiği gibi, 4 tane phi (φ ) değeri ve her bir phi değerine ise bir HPD karşılık gelmektedir. Dolayısıyla bir sektörde toplam 4 tane HPD vardır. Sektörlerdeki HPD’lerde depolanan yükün, sinyalin detektöre varış zamanı ve sıcaklıkla nasıl değiştiğini görmek amacıyla kalorimetre üzerinde bazı testler yapılmıştır. Kalorimetreden Bunlardan biri de alınan “sinyal sinyaller şekli” değişik grafiğidir. grafiklerle Bu grafikte gösterilmektedir. bir sektörde, 10 bx (250 ns) ’lik bir zaman diliminde depolanan yük miktarı (ADC count) gösterilmektedir. Bir LED verisi için elde edilen sinyalin “sinyal şekli” grafiği şekil 4.23’te gösterilmektedir. 52 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Şekil 4.23 Bir LED verisi için “sinyal şekli” grafiği. Maksimum sinyal civarındaki dört sinyal, bir sektördeki dört HPD’ ye aittir. Geri kalan sinyaller ise gürültü fonudur. Daha önceki çalışmada ikinci sektördeki HPD’lerden elde edilen sonuca göre sıcaklık artışının enerji kazancını artırdığı düşünülmektedir. Ancak bu sonucu biraz daha derinlemesine görmek ve sinyalin geliş zamanının kazanç üzerinde etkisi olup olmadığını belirleyebilmek amacıyla A kısmından bazı veriler alınmıştır. Alınan verilerle önce sinyaldeki gecikmenin HPD üzerindeki etkisi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar şekil 4.24 ve şekil 4.25’teki gibidir. 53 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Şekil 4.24 A kısmı için yapılan sinyal gecikmesi çalışmasında kalorimetreye gönderilen sinyaldeki gecikmeler Yukarıdaki grafikten görüldüğü gibi A kısmına gönderilen sinyallerde 1 bx (hatta 2 bx ) kadar gecikmeler söz konusudur. Şekil 4.25 Sinyal gecikmesinin enerji kazancına etkisi. Dikey eksende tanımlanan “relative energy”, birbirini takip eden iki veriden elde edilen enerjilerin oranıdır. 54 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Normalde, HPD’lerden elde edilen enerjilerin sinyaldeki gecikmelerden etkilenmemesini bekleriz. Bu nedenle birbirini takip eden iki veriden alınan enerjilerin oranının 1 olması gerekmektedir. Ancak, grafikten görüldüğü üzere, bu oran bazı yerlerde(gecikmenin 2 bx olduğu phi değerleri) beklenen değerin dışına çıkmıştır. Buna göre, sinyaldeki gecikmenin enerji kazancını etkilediği düşünülmektedir. Bir sektörden elde edilen enerji ortalama bir enerjidir. Bu ortalama enerji, bir sektördeki dört HPD’de, 10 bx zaman aralığı boyunca depolanan yükün ortalaması alınarak hesaplanmaktadır. Bu ortalamada kütle-merkezi formülü kullanılmaktadır. Ortalama enerjiyi E , i inci bx zaman aralığında elde edilen enerjiyi ise E i ile gösterirsek bir sektörden elde edilen ortalama enerji; 10 E= ∑ iE i =1 10 ∑E i =1 i (4.4) i olur. Sektörden elde edilen bu ortalama enerji hesabına istenmeyen gürültü fon sinyali de katılmaktadır. Enerji ortalaması hesabına sadece maksimum sinyal civarındaki dört sinyali katarak ve diğer sinyalleri bu hesaba katmayarak yeniden bir ortalama enerji tanımlanmıştır. Bu şekilde yapılan bir ortalama enerji ile sadece sektördeki dört HPD’den alınan enerjiyi göz önünde tutmaktayız. Böylece HPD sinyallerinden çok küçük olan bu gürültü fon sinyallerinin çıkarılması ile KKO değerini daha da küçültebiliriz. Bu şekilde hesaplanan ortalama enerjiye göre elde edilen sonuç şekil 4.26’de gösterilmiştir. 55 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Şekil 4.26 Yeniden hesaplanan ortalama enerjiye göre sinyal gecikmesinin enerji kazancına etkisi azaltılmıştır. KKO değeri %0.2 ’ye düşmüştür. HPD’lerden elde edilen enerji kazancının sıcaklıkla değişimini görebilmek için ise sıcaklığı 20 °C ‘den 38 °C ’ye yükselterek birbiri ardına sekiz veri alınmıştır. Bu verilerden elde edilen sonuçlar şekil 4.27a ve şekil 4.27b’de gösterilmiştir. 56 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU (a) (b) Şekil 4.27 Enerji kazancının sıcaklıkla değişimi. Sıcaklığın artırılması ile birbirini takip eden 8 veri alınmıştır. Bu verilerden sıcaklığı her artırmada kazancın bir önceki veriye göre arttığı görülmektedir (a). Sıcaklığın artırılması ile arka arkaya alınan verilerin oranı ise 1 değerinden daha büyüktür (b). 57 4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR Hasan Fatih KIŞOĞLU Alınan sonuçlara göre sıcaklığın enerji kazancı üzerinde etkisi vardır. Bunun nedeninin ise, daha önce bahsedildiği gibi, sıcaklığın artırılması ile HPD içerisindeki foto-diyottan iyonizasyon yolu ile koparılan elektron sayısındaki artış olduğu düşünülmektedir. 58 5. SONUÇ VE ÖNERİLER Hasan Fatih KIŞOĞLU 5. SONUÇ VE ÖNERİLER CMS detektörü, BHÇ’de konumlandırılmış dört büyük deneyden biridir. 2008 yılı sonlarına doğru çalıştırılması düşünülen detektör ile evrenin ilk yaratıldığı zamandaki yüksek enerjinin sağlanıldığı bir ortamda, yine, evrenin ilk evrelerinde var olduğu düşünülen Higgs bozonu gözlemlenmeye çalışılacaktır. Günümüzde çoğu parçacık fizikçilerinin kabul ettiği Standart Model’e göre Higgs bozonunun varlığı, aynı modelin eksik kaldığı noktalardan yola çıkılarak kuvvetli bir ihtimal haline gelmiştir. Bu kuvvetli ihtimale göre Higgs bozonu, parçacıklarla etkileşerek onlara kütle kazandıran, boş uzayın kuantumudur. CMS detektöründe bu gözlemlerin yapılabilmesi için bazı fiziksel şartların sağlanması gerekmektedir. Bunların başında ise kapalılık (hermitiklik) ve çok parçacıklılık gelmektedir. Detektörde olması gereken bu çok parçacıklı yapının birbiri ile uyum içerisinde çalışması bu şartları tamamlayan unsurdur. Bu çok parçacıklı yapıda yer alan HCAL, CMS’nin alt detektörlerinden biridir. HCAL alt detektörü, yüksek enerjili hadronik parçacıkların bıraktıkları enerjileri vasıtasıyla momentumlarını ve dolayısıyla kimliklerini belirleme yeteneğine sahiptir. HCAL alt detektörü, bu çok parçacıklı yapıya uyum sağlaması amacıyla, dört alt sistemden oluşmaktadır. Bu alt sistemlerden biri de HE’dir. HE alt sisteminde parçacık tanımlama işlemi, yapısında bulundurduğu HPD’ler aracılığıyla yapılmaktadır. Bu çalışmada, HCAL alt detektörünün alt sistemlerinden biri olan HE + yapısında bulunan, HPD’ler üzerinde yapılan enerji kazancı çalışmaları ve enerji kazancı üzerinde sıcaklık ve sinyal gecikmesinin etkileri çalışması yer almaktadır. Bu çalışmalar kapsamında detektörden bir takım veriler alınmıştır. Bu verilerden ilki HE + sektörlerindeki HPD’lerin enerji kazançlarını incelemeye yöneliktir. Bu amaçla kalorimetrenin tüm kısımlarındaki sektörlerin genel bir durumunu görmek için tüm sektörleri içeren bir takım veriler alınmıştır. Bu verilerde ortalama enerji, ortalama enerjinin KKO değerleri, sinyalin elektroniklere varışındaki ortalama zaman ve bu zamanın KKO değerlerine bakılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre enerjinin KKO değerinin 40 fC civarında olduğu görülmüştür. Bunun anlamı, tüm sektörlerin enerjileri 40 fC ’luk aralıkta değişmektedir. Ortalama enerji ise 1600 fC 59 5. SONUÇ VE ÖNERİLER Hasan Fatih KIŞOĞLU civarındadır. Buna göre sektörlerdeki ortalama enerjide %2.5 ’luk bir hata payı söz konusudur. Ortalama varış zamanın KKO değerinin ise 1 ns olduğu görülmüştür. Bu genel sonuçlara göre sektörlerde depolanan yüksek enerji kısa bir zamanda detektörden elektroniklere aktarılmaktadır. Bu sonuç ise istenilen bir sonuçtur. Daha sonra alınan veriler ile HE + kalorimetresinin A, B ve C kısımlarındaki sektörler birbirinden bağımsız olarak incelenmiştir. Her üç kısımdan alınan veriler, bunlardan daha önce alınan ve kendimize referans olarak kabul ettiğimiz veri değerleri ile karşılaştırılmıştır. Referans olarak belirlediğimiz veri, daha önce tüm sektörlerden aldığımız ve ortalama enerji için belirlediğimiz %2.5 ’luk hata payı içerisinde olan bir veri olarak seçilmiştir. Böylece verilerdeki enerji kazancı değerinin kararlılığının korunup korunmadığı incelenmiştir. Bu sonuçlardan B ve C kısımlarında bulunan sektörlerdeki HPD’lerin birbirleri ile daha uyumlu oldukları görülmüştür. Bu kısımlardan alınan veriler, referans veri ile ortalama %2 ’lik bir aralıkta uyuşmaktadır. A kısmı ise referans veriden %20 kadarlık bir farklılık göstermektedir. A kısmında, B ve C kısımlarına göre, bu denli farklı sonuç çıkmasının nedeninin bu kısımdaki HPD’lerin sıcaklığının, normal çalışma sıcaklığından daha fazla olduğu düşünülmüştür. Sektörlerdeki HPD’lerin enerji kazancına, sıcaklığın ve sinyalin kalorimetreye varış süresinin etkisini görebilmek amacıyla, A kısmından bir takım veriler daha alınmıştır. Bu veriler neticesinde sinyalin varış süresinin enerji kazancını etkilediği ancak enerjinin, gürültü fon sinyallerini bertaraf ederek, yeniden tanımlanması ile bu etkinin oldukça azaldığı görülmüştür. Bunun nedeni ise yapılan ikinci bir enerji hesabına, gürültü fon sinyalleri sebebiyle oluşan fazladan yük akışının katılmaması olarak yorumlanmıştır. Nitekim bu hesap ile elde edilen sonuçlarda, KKO değerinin azaltıldığı görülmüştür. A kısmından, sıcaklığın enerji kazancına etkisini anlayabilmek için, sıcaklığı 20 °C ’den 38 °C ’ye yükselterek birbirini takip eden sekiz veri alınmıştır. Bu veri sonuçlarına göre sıcaklığın, enerji kazancına, HPD içerisindeki foto-diyottan iyonizasyon yolu ile koparılan elektron sayısını artırarak etki ettiği düşünülmüştür. 60 KAYNAKLAR ACHARYA B.S. ve arkadaşları, 2006, “The CMS Outer Hadron Calorimeter”, CMS Note, CMS NOTE 2006/127, p.20. BAIATIAN G., 2006,“Design, Performance and Calibration of CMS Forward Calorimeter Wedges”, CMS Note, CMS NOTE 2006/044, p.42. BUDD H.S., 1997, “CMS Central Hadron Calorimeter”, Nucl. Phys. Proc. Suppl. 54B(1997), p.191-197. CALDERON A. ve arkadaşları, 2006, “Muon System alignment with tracks”, CMS Note, CMS NOTE 2006/016, p.13. CMS Collaboration, 1997, “The Hadron Calorimeter Technical Design Report”, CMS TDR 2, CERN/LHCC 97-031(1997). CMS Collaboration, 2006, “CMS Physics Technical Design Report Volume I: Detector Performance and Software”,CMS TDR 8.1, CERN LHCC 2006001. CMS Collaboration, 2008, “The CMS Experiment at the CERN LHC” (yayınlanmamış). CMS HCAL Collaboration, 2008, “Design, Performance and Calibration of CMS Hadron-Barrel Wedges”, The European Physical Journal C - Particles and Fields, Volume 55, Number 1, p.159-171. CMS HCAL Collaboration, 2008, “Design, Performance and Calibration of CMS Hadron Endcap Calorimeters”, CMS Note, CMS NOTE 2008/010, p.36 COSSUTTI F., 2007, “The Simulation of the CMS electromagnetic calorimeter”, CMS Conference Report, CMS CR 2007/043, p.9. CUSHMAN P.B., 2004, “The Performance of the Multi-Channel Hybrid Photodiodes for CMS HCAL”, High Energy Physics, ICHEP 2004, p.964967. CUSHMAN P.B. ve arkadaşları, 2002, “CMS HCAL Hybrid Photodiode Design and Quality Assurance Stations”, IIB Fall 2002, Paper No.1. http://cmsinfo.cern.ch/outreach/CMSdocuments/CMSposters/PDF/HCALncol.pdf 61 http://picasaweb.google.com/FHeadFHead/CMSSoftwareVisualization/photo#50982 52668520152610 http://rdms-cms.jinr.ru/docs/rdms_1/hadr2.html, 18.02.2008, 10:11:48 http://www.lhc.ac.uk/for-media/news/cms_detector.jpg LONGO E., 2006, “The Electromagnetic Calorimeter of the CMS Experiment”, CMS Conference Report , CMS CR 2006/094, p.4. PERKIN ELMER,Inc., 2006. PROUDFOOT J., 2006, “Hadron Calorimetry at the LHC”, 34th SLAC Summer Institute on Particle Physics(SSI 2006). UDT Sensors, Inc., 1982. WULZ C., 2005, “The CMS Experiment at CERN”, CMS Conference Report, CMS CR 2005/016, p.13. 62 ÖZGEÇMİŞ 1983 yılında Adana’da doğdum. İlk ve orta öğrenimimi Adana’da tamamladıktan sonra yüksek öğrenimime 2001 yılında Gazi Üniversitesi FenEdebiyat Fakültesi Fizik Bölümü’nde başladım. 2005 yılında başladığım lisansüstü eğitimimi Çukurova Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü’nde yüksek lisans öğrencisi olarak sürdürmekteyim. 2007 yılının aralık ayında 10 ay süre ile bulunduğum CERN’den döndükten sonra, yine aynı ay, Aksaray Üniversitesi FenEdebiyat Fakültesi Fizik Bölümü’nde araştırma görevliliğine başladım. Halen bu görevimi sürdürmekteyim. 63
