CERN-CMS-HCAL DENEYİNDE RADYASYON HASARI
advertisement
CERN-CMS-HCAL DENEYİNDE RADYASYON HASARI ÇALIŞMALARI RADIATION DAMAGE STUDIES in CERN-CMS-HCAL EXPERIMENT MERVE NAZLIM AĞARAS PROF. DR. MÜGE BOZ EVİNAY Tez Danışmanı Hacettepe Üniversitesi Lisansüstü Eğitim-Öğretim ve Sınav Yönetmeliğinin Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı için Öngördüğü YÜKSEK LİSANS Tezi olarak hazırlanmıştır. 2017 ÖZET CERN-CMS-HCAL DENEYİNDE RADYASYON HASARI ÇALIŞMALARI Merve Nazlım AĞARAS Yüksek Lisans, Fizik Mühendisliği Bölümü Tez Danışmanı: Prof. Dr. Müge BOZ EVİNAY Haziran 2017, 69 sayfa Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi-Büyük Hadron Çarpıştırıcısı-Kompakt Müon Solenoid (CERN-LHC-CMS) deneyi kapsamında gerçekleştirilen proton-proton çarpışmalarında dedektörün aktif materyalinde yüksek miktarda radyasyonun yarattığı hasarların tespitinin deneysel ölçümlerin hassasiyeti açısından büyük önem taşımasından hareketle, radyasyon hasarının Hadronik Kalorimetrenin (HCAL) alt dedektorlerinden Hadronik Son Kapak (HE) kalorimetresinın performansı üzerindeki etkileri tez çalışmasının omurgasını oluşturmuştur. Bu doğrultuda, 2016 yılının 13 TeV kütle merkezli proton-proton çarpışma verilerinin değerlendirilmesi ile gerçekleştirilen araştırmalarda, Z bozonunun iki müona bozunum kanalını sağlayan olaylar kullanılarak kalorimetre kanallarındaki enerji birikiminin zamana bağlı bir karşılaştırması yapılmış ve dedektörde meydana gelen radyasyon hasarı tespit edilmiştir. Elde edilen katsayıların CMS-HCAL Kalibrasyon Grubu kapsamında değerlendirilmesi ile analiz sonuçları CMS dedektörünün performansının kalibrasyonu aşamasında kullanılmıştır. Anahtar Kelimeler: CERN, LHC, CMS, HCAL, HE, Radyasyon Hasarı i ABSTRACT RADIATION DAMAGE STUDIES in CERN-CMS-HCAL EXPERIMENT Merve Nazlım AĞARAS Master of Science, Department of Physics Engineering Supervisor: Prof. Dr. Müge BOZ EVİNAY June 2017, 69 pages High level of radiation produced by proton proton collisions at the European Organization for Nuclear Research-Large Hadron Collider-Compact Muon Solenoid (CERN-LHC-CMS) experiment leads to several damages in the active material of the Hadronic Calorimeter (HCAL) calorimeter and the determination of these damages plays a crucial role in the sensitivity of the experimental measurements. From this point of view, the investigation of the effects of radiation damage on the performance of Hadronic Endcap (HE) calorimeter which is a subdetector of HCAL has formed the basis of the work. In this context and in the light of the 2016 proton-proton collision data, at the center of mass energy 13 TeV, a time-dependent comparison of energy deposition in calorimeter channel is carried out and the radiation damage is observed by using the events with Z boson in the dimoun decay channels in proton proton collisions at 13 TeV center of mass energy. The obtained coefficients are analyzed by the CMS-HCAL Calibration Group and the results of the analysis are used during the calibration of the CMS detector. Keywords: CERN, LHC, CMS, HCAL, HE, Radiation damage ii TEŞEKKÜR Öncelikle, lisans eğitimimin üçüncü yılından başlayarak lisansüstü dönemimin son evresine kadar her kritik akademik karar aşamasında belirleyici rol oynayan, sürecin tamamındaki akademik desteği, emeği ve zorluklar karşısındaki duruşu ile verdiği hayat dersleri doğrultusunda bana pek çok şey öğreten danışmanım Prof. Dr. Müge Boz Evinay’a içtenlikle teşekkür etmek isterim. Aynı zamanda, yüksek enerji fiziğinin güzelliğini keşfetmemde büyük katkısı olan, derin fizik bilgisi ile birlikte felsefeden, bilim tarihine ve sanata uzanan geniş yelpazede tüm bildiklerini benimle birlikte Hacettepe Üniversitesi Yüksek Enerji Fiziği (HÜ-YEF) grubundaki çalışma arkadaşlarım ve bilime meraklı genç bilim insanlarla paylaşmaktan hiç bir zaman çekinmeyen ve son yolculuğuna kadar bizlere yeni ufuklar açılması için verdiği emeklerle kendisine her zaman müteşekkir olduğumuz Prof. Dr. Namık Kemal Pak’ı saygı ve minnetle anmayı bir borç bilirim. HÜ-YEF grubunun uluslararası faaliyetlere daha etkin katılımına yönelik olarak, teorik ve fenomenolojik alanlarda sürdürülen çalışmaların, 2014 yılında deneysel alanlara da genişletilmesi ile İTÜ-YEF grubu ile ortak işbirliği çerçevesinde dahil olduğumuz “2014 TAEK (CERN) A5.H6.F2-09 LHC-CMS deneyinde Faz II yenileme çalışmaları ve Standart Model ötesi yeni parçacıkların aranması” projesi, ilk Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN) ziyaretime vesile olmuş ve sonrasında deneysel yüksek enerji fiziği çalışmalarımın başlangıcına olanak sağlamıştır. Bu doğrultuda; CERN’deki araştırmalara dahil olmam ve orada bulunduğum süreçlerdeki yardımları için Doç. Dr. Kerem Cankoçak’a; Radyasyon hasarı çalışmalarında bana deneysel fizik alanında önemli katkı sağlayan araştırmacı fizikçi Robert Cielsielski’ye; Tezimin taslaklarını okuyarak, deneysel fizikçi bakışıyla önerilerini ileten Yrd. Doç. Dr. Sercan Şen’e teşekkürlerimi sunarım. Tüm bu süreç boyunca desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen ailem ve arkadaşlarıma müteşekkirim. Ayrıca, araştırmacı statüsü ile yer aldığım,“2014 TAEK (CERN) A5.H6.F2-09” no’lu proje kapsamındaki finansal destekler için TAEK; 014 A602 006 no’lu “CERN-LHC-CMS Projesi kapsamında Hacettepe - CERN Bilimsel İşbirliğine İlk Adım” alt yapı projesinin sağladığı motivasyon ve olanaklar için Hacettepe Üniversitesi yetkililerine teşekkürü borç bilirim. iii Bilime ve bilgiye adanmış yaşamların güzel insanlarına... iv GÖSTERİMLER VE KISALTMALAR Kısaltmalar ADC ALICE ATLAS HB CERN CMS CMSSW CSC DAQ DQM DT HE ECAL HF HCAL HLT IP LEP LHC LHCb HO ODU PMT RPC SM TEC TOB TIB TID WLS Analog-Sayısal Çevirici Büyük İyon Çarpıştırıcısı Büyük Hadron Çarpıştırıcısının Toroid Şeklindeki Aparatı Hadronik Varil Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi Kompakt Müon Solenoid Kompakt Müon Selenoid Yazılımı Katot Şerit Odaları Veri Akış Sistemi Veri Kalite Görüntüleme Sürükleme Tüpleri Hadronik Son Kapak Elektromanyetik Kalorimetre İleri Hadronik Kalorimetre Hadronik Kalorimetre Yüksek Seviyede Olay Tetikleyicisi Çarpışma Noktası Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Büyük Hadron Çarpıştırıcısı b- Fiziği Deneyi Hadronik Dış Optik Şifre Çözme Birimi Foto Çoğaltıcı Tüp Dirençli Plaka Odacıkları Standart Model İzleyici Sonkapağı Dış İzleyici Fıçı İç İzleyici Varil İç İzleyici Disk Dalga Boyu Kaydırıcı v İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET............................................................................................................................... i ABSTRACT .................................................................................................................... ii TEŞEKKÜR..................................................................................................................... iii GÖSTERİMLER VE KISALTMALAR ........................................................................... v İÇİNDEKİLER ................................................................................................................ vi ŞEKİLLER ......................................................................................................................viii TABLOLAR .................................................................................................................... x 1. GİRİŞ........................................................................................................................... 1 2. PARÇACIKLARIN MADDE ile ETKİLEŞİMİ ve SİNTİLASYON MEKANİZMASI 5 2.1. Radyasyon ve Madde ile Etkileşimi ........................................................................... 5 2.2. Sintilasyon İlkesi ve Sintilasyon Dedektörleri ............................................................13 2.2.1. Plastik Sintilatörlerde Radyasyon Hasarı Mekanizması ...........................................16 3. DENEYSEL DÜZENEK..............................................................................................19 3.1. LHC ..........................................................................................................................19 3.1.1. LHC’de Bulunan Deneyler......................................................................................21 3.2. CMS .........................................................................................................................22 3.2.1. Koordinat Sistemi ...................................................................................................24 3.2.2. Magnet....................................................................................................................25 3.2.3. İz Sürücü.................................................................................................................26 3.2.4. Elektromanyetik Kalorimetre ..................................................................................27 3.2.5. Hadronik Kalorimetre .............................................................................................28 3.2.5.1 Hadronik Varil Kalorimetresi ................................................29 3.2.5.2 Hadronik Son Kapak Kalorimetresi .......................................30 3.2.5.3 Hadronik Dış Kalorimetre......................................................34 3.2.5.4 İleri Hadron Kalorimetresi ....................................................35 3.2.5.5 Elektronikler ve Veri Toplama ...............................................37 3.2.6. Müon Sistemi..........................................................................................................38 3.2.7. Tetikleme ve Veri Toplama Sistemi .......................................................................39 4. MALZEME ve METOT ...............................................................................................41 4.1. Analizde Kullanılan Araçlar.......................................................................................41 4.1.1. ROOT .....................................................................................................................41 vi 4.1.2. CMSSW .................................................................................................................42 4.1.3. GRID .....................................................................................................................43 4.2. Analiz Metodu ...........................................................................................................44 4.2.1. Analizde Kullanılan Veri Setleri..............................................................................47 4.2.2. HLT Seçimi ve Olay Seçimleri................................................................................48 4.2.3. HE Kanallarında Depolanan Enerjinin Hesabı .........................................................50 5. BULGULAR................................................................................................................57 6. DEĞERLENDİRME ve SONUÇ..................................................................................62 KAYNAKLAR ................................................................................................................64 ÖZGEÇMİŞ .....................................................................................................................68 vii ŞEKİLLER Sayfa Şekil 2.1. Müonların bakır içindeki durdurma enerjilerinin momentumlarına göre değişimi [11]....................................................................................................... 7 Şekil 2.2. Göreli olmayan parçacıklar için simetrik (sağ) ve göreli parçacıklar için simetrik olmayan polarizasyon (sol). .................................................................. 8 Şekil 2.3. Göreli parçacık-dielektrik madde etkileşimi ve dalga cepheleri................... 9 Şekil 2.4. Fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak kuartzın kırılma indisi. ..............10 Şekil 2.5. Kırılma indisi 1,46 olan kuvartz materyal için, farklı parçacıklara göre Cherenkov açıları................................................................................................11 Şekil 2.6. Farklı yüklü parçacıklara göre, kuartz fiberlerde oluşan tam yansımaların Cherenkov açıları...........................................................................................11 Şekil 2.7. Gelen fotonun madde ile etkileşim süreçlerinin, soğurucunun atom numarasına göre dağılımı........................................................................................12 Şekil 2.8. Fotoelektrik olay. .......................................................................................12 Şekil 2.9. Compton saçılması.....................................................................................13 Şekil 2.10.Sintilatör dedektörlerinin çalışma prensibi..................................................14 Şekil 2.11.İnorganik sintilatörlerin çalışma mekanizması. ...........................................15 Şekil 2.12.Stokes Kayması süreci. ..............................................................................16 Şekil 2.13.Plastik sintilatörlerin optik sinyalinde meydana gelen radyasyon hasarı [16].....................................................................................................................17 Şekil 3.1. LHC üzerinde bulunan deneyler ve parçacık hızlandırma sistemi................19 Şekil 3.2. LHC veri alım süreci boyunca yıllık toplanan luminozite değerleri.............21 Şekil 3.3. CMS deneyinin 3 boyutlu görünümü. .........................................................23 Şekil 3.4. CMS dedektöründe farklı türde parçacıkların dedektörde bıraktıkları izler..23 Şekil 3.5. Polar koordinat üzerinde gösterilen pseudorapidite değerleri. ....................25 Şekil 3.6. CMS süperiletken solenoidin görünümü. ....................................................26 Şekil 3.7. CMS- İz Sürücü sistemi: Piksel dedektörü (sol), Silikon Şerit İzleyici (sağ)26 Şekil 3.8. ECAL dedektörünün şematik gösterimi. .....................................................28 Şekil 3.9. HCAL dedektörünün boyuna görünümü. ....................................................28 Şekil 3.10.HB kamalarının numaralandırma düzeni. ...................................................29 Şekil 3.11.HB, HO ve HE dedektörlerinin dörtte biri için HCAL kule bölümlenmesi. .30 viii Şekil 3.12.Kısmen monte edilmiş HE dedektörü. .......................................................30 Şekil 3.13.HE dedektörünün dörtte birinin boyuna bölümlenmesi. ..............................31 Şekil 3.14.HE soğurucularının mekanik yapısı. ...........................................................32 Şekil 3.15.HE dedektöründe kullanılan plastik sintilatörler. ........................................32 Şekil 3.16.Yanyana bulunan iki sintilatör tablasının numaralandırılma şeması. ...........33 Şekil 3.17.HE kalorimetresinde sintilatör tablalarının dizaynı: Ön (a), 0 ile 1-17 katmanları (b ve c) için görünüşler. .....................................................................34 Şekil 3.18.HO katmanlarının konumunu gösteren CMS dedektörünün boyuna ve enine görünümleri. ..............................................................................................35 Şekil 3.19.HF+ sektörünün görüntüsü. ........................................................................36 Şekil 3.20.Kuartz fiberlerin HF dedektöründe bulunan kamaları yerleşim biçimi. .......37 Şekil 3.21.HCAL veri toplama elektroniklerinin genel görünümü. ..............................38 Şekil 3.22.Dedektör ile etkileşen müonun bıraktığı iz..................................................39 Şekil 3.23.CMS Seviye-1 Tetikleyicisinin yapısı.........................................................40 Şekil 4.1. Veri katmanlarının gruplandırılması. ..........................................................43 Şekil 4.2. Lazer sistemi ile alınan HE radyasyon hasarı katsayıları (Katman 1). .........45 Şekil 4.3. 2016 yılı CMS dedektörü tarafından kaydedilen toplam luminozite. ...........46 Şekil 4.4. İkili müonun kütlesi (üst) ve enine momentumu (alt)..................................49 Şekil 4.5. Birincil müonun kinematik değişkenlerinin özellikleri................................50 Şekil 4.6. Derinlik-1’de radyasyon hasar faktörlerinin elde edilmesi için kullanılan fit grafikleri.........................................................................................................52 Şekil 4.7. Belirlenen periyotlar (sırasıyla 1’den 19’a kadar) için pile-up grafikleri......53 Şekil 4.8. Derinlik-1 kanalları için ikinci yöntem kullanılarak yapılan fit grafiği (mavi noktalar referans periyodunu, siyah noktalar ise 11. periyodun enerji integrasyon değerlerini göstermektedir)...............................................................54 Şekil 4.9. HE’de, Derinlik-1-2-3 kanalları için doğrusallık düzeltmeleri.....................55 Şekil 5.1. Doğrusallık düzeltmelerinin uygulanmadığı (sol) ve uygulandığı (sağ) durumlarda ilk metodun kullanılmasıyla elde edilen sonuçlar. ............................58 Şekil 5.2. Doğrusallık düzeltmelerinin uygulanmadığı (sol) ve uygulandığı (sağ) durumlarda ikinci metodun kullanılmasıyla elde edilen sonuçlar. ........................59 Şekil 5.3. Doğrusallık düzeltmelerinin uygulanmadığı (sol) ve uygulandığı (sağ) durumlarda ikinci metodun kullanılmasıyla, Derinlik-3 iη16 kanalına normalize edilmiş sonuçlar. ..........................................................................................60 Şekil 5.4. Güvenilirlik testinin çıktıları. .....................................................................61 ix TABLOLAR Sayfa Tablo 4.1. Analizde kullanılan veri aralıklarının özellikleri ........................................47 Tablo 4.2. Analizde kullanılan veri setleri. .................................................................48 x 1.GİRİŞ Modern parçacık fiziğinin asli işlevi maddeyi oluşturan temel yapıtaşlarını anlama ve bunlar arasındaki etkileşmeleri, deneysel olarak gözlemleme, ölçme ve teorik olarak hesaplama olarak özetlenebilir[1]. Maddeyi oluşturan yapıtaşlarının felsefi nesnelerle başlayan öyküsü doğada temel element olarak kabul edilen limitli malzemeler ile devam etmiştir. O dönemdeki teknolojik olanakların gelişmesi ile bilinen elementlerin sayısının artmasının ardından asrın dönümünden önce elektronun keşfi (1897) yeni bir evrenin başlangıcıdır. O dönemde, evreni oluşturan maddenin temel yapıtaşı olarak kabul edilen atomlar hakkında kimyasal bir takım ayırıcı özelliklerin dışında pek fazla da birşey bilinmemesi nedeniyle, elektronun keşfi atomun yapısını anlamaya yönelik önemli bir aşamadır. Ancak, Rutherford’un saçılma deneylerinin sonucunda atom çekirdeğini keşfi ile Demokritos’den beri temel yapı taşı olarak bilinen atomların temel yapı taşı olmadığının ortaya çıkması sürecin dönüm noktalarından biridir. 1897’de elektonlar, protonlarla başlayan sürece önce teorik olarak öngörülen ve sonrasında 1932 yılında Chadwik tarafından keşfedilen nötronun da dahil olmasıyla atomun yapısı daha iyi anlaşılmaya başlamıştır. Bu önemli gelişmelerle birlikte ciddi bir sorun ortaya çıkmıştır[2]: “Çekirdek eğer artı yüklü protonlar ve yüksüz nötronlardan oluşan bir kümeyse, çok küçük ölçeklerde olsa bile, 10−13 veya 10−13 diyebiliriz, bu artı yüklü parçacıkları dağılmadan bir arada tutan ne? Elektromanyetik kuvvetler var ama, artı yükler birbirini itiyor, eksi yükler ise birbirini çekiyor, dolayısıyla elektronlar yörüngede artı yüklü protonların etrafında dolanıyorlar da, örneğin helyum atomu içindeki iki protonu ya da karbon atomu içindeki dört protonu bir arada tutan elektromanyetik kuvvetten başka birşey olmalı! Aksi takdirde, dağılıp gitmesi lazım. Atomlar kararlı, çekirdekler de kararlı, bizler yaşıyoruz (ortalama 50-60 yoksa 68 sene mi? kim bilebilir ki?), yoksa hepimiz dağılır giderdik.” Atomun kararlılığının ötesinde bir de çekirdeğin kararlılığının sorgulanmaya başlamasıyla, çekirdekteki artı yüklü protonlarla yüksüz nötronları bir arada tutan başka tür bir kuvvetin olabileceğini düşünen Yukawa, 1935 yılında çekirdek kuvveti olarak adlandırılan protonla proton ya da protonla nötron arasında, proton ve nötrona göre daha hafifçe, başka tür bir parçacığın, değiş tokuşuyla ortaya çıkan bir kuvvetin olması gerektiğini öngörmüştür. 1937 yılında, Anderson ve ekibinin kozmik ışın incelemelerinde gözlemledikleri, kütlesi elektron ve proton arasında olan, yeni parçacık başlangıçta Yukawa’nın mezonu zannedilse de, çok geçmeden, müon adı verilen bu yeni parçacığın beklenenden daha hafif olduğu farkedilmiştir. Yukawa’nın önerdiği, pion ya da pi-mezon, oldukça uzun süre sonra, 1947’de Powell 1 tarafından gözlemlenmiştir. Bir başka yeni parçacık da, varlığı 1930 yılında Pauli tarafından öngörülen elektrona benzeyen, ancak yük taşımayan tuhaf bir parçacık, nötrino, bu nedenle de keşfi biraz gecikmiştir (1956). Hızla devam eden süreçte teknolojik olanaklar (örneğin, malzemelerin daha yüksek enerjilerle bombardmanı) geliştikçe yeni parçacıklar ortaya çıkmaya başlamıştır. Çekirdeği oluşturan protonlar ve nötronlar ile elektronlar ve müonlarla nötrinoların da katılımıyla, bu yapıtaşları ailesinin oldukça kalabalık bir grup olarak oluşturduğu söylenebilir. Dolayısıyla, felsefi nesnelerden başlayarak, kimyasal malzemelere geçişin ardından yeni bir dönem başlamıştır: elektronun, protonun, nötronun ve onların akrabalarından kurulu atomaltı parçacıklardan oluşan yapıtaşları evresi! 20. asrın ortalarına doğru kuantum mekaniğinin ve onun da ötesinde kuantumlu alanlar kuramının oluşması ile, o dönem itibarıyla, ciddi bir matematiksel formalizmin mevcut olduğu söylenebilir. Ancak, mikro evrenin temel teorisi kapsamında, makro evrendeki anlayışla bağdaştırılamayan özgün ve egzotik özelliklerin test edilmesi gereksinimi, bu kadar küçük ölçeklerdeki nesnelerin gözlemlenebilmesi doğrultusunda yeni donanımlara (hızlandırıcılar) ihtiyaç duyulması sürecini tetiklemiştir. Dolayısıyla, Amerika’da önce Berkeley’de (1931), California Üniversitesi’nde, ilk parçacık hızlandırıcısının tasarlanmasının ardından, o dönemde süregelen kuramsal çalışmalara ek olarak, yine Amerika’da Stanford Hızlandırıcı MerkeziSLAC ‘da (1962), Fermilab’da (1967), Avrupa’da CERN’de (1957), DESY’de (1960), Frascati ve Orsay’de (1961) başlayan deneysel çalışmalar ve hızlandırıcılar geliştirildikçe ulaşılan daha yüksek enerjilerle birlikte parçacık fiziğindeki yenilikler ivme kazanmıştır. 1970’lerden sonra SLAC ve başka laboratuvarlardan nükleonların noktasal temel yapı taşlarından oluştuğu üzerine ciddi kanıtlar gelmeye başlayınca, daha önce 60’lı yıllarda parçacık zoolojisindeki bu ürkütücü kalabalığa son vermek için Gell-Mann ve Zweig’in birbirlerinden bağımsız olarak önerdikleri kuark modeli tekrar ve bu kez daha ağırlıklı olarak gündeme gelmiştir. 1964’deki şekliyle kuark modeli, bütün hadron adı verilen parçacıkların, üç tane kuark adı verilen noktasal (hiç bir alt yapısı olmayan) temel parçacığın bağlı durumları olarak düşünülmesini öngörmüştü. Kuvvetli etkileşmelerde rol alan tek parçacık ailesi olan Hadronlar istatiksel özelliklerine göre baryonlar ve mezonlar olarak iki ana gruba ayrılırlar. Bunlardan baryonların üç tane kuark, mezonların ise bir kuark ve bir antikuarkın bağlı durumları olarak düşünülmesi bu katologlama yönteminin, parçacıklara farklı kuantum sayılarının (baryon sayısı, elektrik yükü gibi) yakıştırılmasını gerektirmiştir. Dolayısıyla, 60’lı yılların ortalarından başlayarak, tarz yine değişmiş, İlerleyen teknoloji ile deneysel çalışmaların olanaklarının gelişmesi, temel yapı taşı olarak düşünülen nesneleri daha yüksek enerjilerle bombardıman edilmesi ile yeni yapılar ve aslında parçacık fiziği ya da modern adıyla Yüksek Enerji Fiziği olarak adlandırılan yeni bir bilim dalı ortaya çıkmıştır. Yeni parçacıklar, bunları sistematize eden temel kanunlar ve daha yüksek enerjilere çıkan 2 hızlandırıcılarla serüven devam etmektedir. Standart Model (SM) mikro evreni açıklayan, hem elektromanyetik, hem çekirdeğin menzili içinde kalan kuvvetli, hem de aynı menzilde hapsolmuş olan zayıf etkileşmeleri birleştiren, bir anlamda birleşik alan teorisidir [3, 4]. Elektromanyetik ve zayıf etkileşmeleri birleştiren ilk aşaması, 1967 yılında birbirlerinden bağımsız olarak Weinberg ve Salam tarafından ortaya atılan bu model, kısa bir süre sonra kuvvetli etkileşmelerin de, renk adı verilen yeni bir ayar simetrisi öngörülerek, sisteme dahil edilmesiyle ortaya çıkmış ve sentezi 1972’de tamamlanmıştır. Modern perspektifden bakıldığında, teoride kuarklar; 6 kuark, her parçacığın anti-parçacığı olduğu için, 6 tane de anti-kuark (her biri 3 farklı renkte olabilir), leptonlar; 6 lepton (eksi yüklü tau, muon, elektron, ve yüksüz tau nötrinosu, müon nötrinosu, elektron nötrinosu) ve 6 anti-lepton; kuvvet taşıyıcı ayar bozonları, 8 gluon, 2 W bozon, 1 Z bozon, 1 foton, ve en son keşfedilen bir de Higgs’le beraber 61 parçacık vardır. 70’li yıllarda keşfedilen c-kuark (1974) ve b-kuarkın (1977) ardından, bir sonraki fazda, özellikle de 2010 yılında CERN’deki LHC hızlandırıcısı devreye girinceye kadar dünyadaki en yüksek enerjili parçacık hızlandırıcısı olan ve Fermilab’da bulunan TEVATRON’daki imkanlar doğrultusunda, son keşiflerden biri 1995 yılında t-kuarkın bulunması ve 2012’de CERN’de SM’in eksik kalmış halkasının bulunmasıdır [5, 6]. CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) şimdiye kadar yapılmış en büyük ve yüksek enerjili parçacık hızlandırıcısıdır. 13 TeV’a kadar bir kütle enerjisinin merkezinde çarpışmalar süper iletken proton-proton çarpıştırıcısı LHC aynı zamanda, maddenin kuark-gluon plazma durumunu incelemek için ağır iyon çarpışmalarını da sağlar. CERN-LHC-CMS kapsamındaki hadronik kalorimetre (HCAL) proton-proton etkileşmelerinden üretilen, hadronların enerjilerini saptamak için tasarlanmıştır. Dört farklı alt dedektörden (HE, HB, HO, HF) oluşmaktadır. Bu düzeneklerin içinde özellikle HE ve HF kalorimetreleri, konumları gereği oldukça yüksek parçacık akısına maruz kaldıklarından radyasyon hasarı çalışmaları için uygun birer platformdur. Proton-proton etkileşimlerinde üretilen parçacıklardan kaynaklanan yüksek radyasyon seviyesi, dedektörün aktif materyalinden toplanan verinin performansında gerilemeye neden olmaktadır. Dolayısıyla deneysel ölçümlerin hassasiyeti açısından, meydana gelen radyasyon hasarının belirli periyotlarla saptanarak elde edilen tahmini faktörlerin dedektörün kalibrasyonu aşamasında veri alım sürecinde sonuçlara uygulanması oldukça önem taşımaktadır. Bu noktadan hareketle, tez çalışmasında Hadronik Son Kapak (HE) kalorimetresinde bu radyasyonun yarattığı hasarlar araştırılmıştır. Altı bölümden oluşan tez çalışmasında; İkinci bölüm, dedektörün algılama mekanizmasının anlaşılması doğrultusunda parçacıkların madde ile etkileşimi ve anılan dedektörün aktif materyali olan plastik sintilatörlerde radyasyon hasarı sürecinin incelenmesine ayrılmıştır. 3 Üçüncü bölümde, yapılan çalışmaların gerçekleştiği deney düzeneği olan, CERN-LHC-CMS ve HCAL-HE hakkındaki teknik bilgiler sunulmuştur. Dördüncü bölüm analiz boyunca kullanılan araçlar ve analiz metodunun anlatılmasından oluşmaktadır. Beşinci bölümde, elde edilen bulguların sunulmasının ardından, altıncı bölüm genel bir değerlendirme ile sonuçların tartışılmasını içermektedir. 4 2.PARÇACIKLARIN MADDE İLE ETKİLEŞİMİ VE SİNTİLASYON MEKANİZMASI Parçacık-madde etkileşmesi ile dedektörün algılama mekanizması arasındaki ilişkiden hareketle, tezin ilk bölümü parçacıkların madde ile etkileşimine ayrılmıştır. Bir sonraki aşamada tezin omurgasını oluşturan radyasyon hasarı çalışmaları kapsamında aktif materyal olan plastik sintilatörlerde parçacık algılama sistemi ve bu parçacıkların materyalde bıraktığı radyasyon hasarı mekanizması ele alınmıştır. 2.1.Radyasyon ve Madde ile Etkileşimi Deneysel yüksek enerji fiziği çalışmalarında, parçacıkların dedektörlerde algılanabilmeleri doğrultusunda radyasyonun madde ile etkileşime sürecinin önemi bilinmektedir [7]. Parçacıkların saptanmasının temeli, madde ile karşılaştıklarında oluşan etkileşmelerin tespitine dayanmaktadır. Bu süreçler, hem parçacığın hem de dedektör materyalinin özelliklerine bağlı olmak ile birlikte, dedektöre gelen parçacıkların birbirlerinden ayırt edilebilmesinin yolu, parçacığın dedektörde yani aktif materyalde bıraktığı enerjinin hesaplanmasından geçmektedir [8]. Bu nedenle, yüklü ve yüksüz parçacıkların madde ile etkileşiminin ayrı ayrı düşünülmesi gerekmektedir. Parçacığın tanımlanması, dedektör ile etkileşimine bağlı olmakla birlikte, bazı parçacıklar (nötrinolar) dedektör ile etkileşim yapmadan geçebilirler. Bu türden parçacıkların varlığı, etkileşen parçacıkların ve ürünlerin enerjilerinin karşılaştırılması ve kayıp enerji tespiti ile saptanmaktadır. Yüklü parçacıkların enerjileri, parçacıkların madde tarafından soğurulmasının ölçülmesiyle tayin edilmektedir. Bu olay, gelen parçacığın türüne, enerjisine ve etkileştiği maddenin özelliklerine göre farklı şekillerde kendini göstermektedir. Etki etme süreci tamamlandıktan sonra, enerji kaybına ve saçılma açılarına bakılarak, parçacığın karakterizasyonu yapılmaktadır. Yüklü parçacıkların madde ile başlıca etkileşim yolları, atomik iyonizasyon ve uyarımı, Cherenkov radyasyonu ve Bremsstahlung olarak sınıflandırılabilir [9, 10]. Bu kapsamda parçacıkların kütlelerindeki farklılık nedeniyle, yüklü parçacıkların madde ile etkileşimi incelenirken hafif yüklü parçacıklar (elektron ve pozitron) ve ağır yüklü parçacıklar (müon, pion, proton, alfa ve diğer ağır çekirdekler) olarak iki gruba ayrılması gerekmektedir. Gelen ağır yüklü parçacıklar, materyalin çekirdeği ve elektronları ile Coulomb kuvveti aracılığıyla etkileşime girmektedir. Elektronlara aktarılan enerjinin, çekirdeğe aktarılan enerjiye göre oldukça yüksek olmasından dolayı, etkileşimin sadece elektronlar ile gerçekleştiği varsayılabilir. Bu etkileşmelerde gelen parçacığın kinetik enerjisi atomun iyonlaşma enerjisinden yeterince büyük ise, enerjisini yolu üzerindeki atomları iyonlaştırmak için maddeye aktarır ve bunun sonucu olarak enerjisinin tümünü etkileşimler sonucunda kaybeder. Bu olay, atomik iyonizasyon olarak adlandırılmaktadır. 5 Ağır yüklü parçacıklar için bir diğer mekanizma ise elektronların uyarılması mekanizmasıdır. Gelen ağır yüklü parçacık, malzemenin iyonizasyon enerjisinden daha düşük enerjiye sahipse, bu durumda dedektörün materyalinde bulunan elektronlar, daha yüksek enerji seviyesine çıkarak uyarılırlar. Soğurucu maddeye bağlı olarak uyarılmış atom ya da molekül sonradan görünür bölgede foton yayınlayarak taban durumuna veya daha düşük enerji seviyesine geri döner. Bethe ve Bloch’un, 1930’lu yıllarda yaptıkları kuantum mekaniksel enerji kaybı hesaplamasına göre, belirli bir aralıktaki enerji kaybı veya durma gücü oranının [ ] dE δ 1 1 2me c2 β 2 γ 2 Tmax 2 2 2 2Z −β − = 4πNA re me c z ϱ 2 ln dx A β 2 I2 2 (2.1) ifadesinde, me ve re sırasıyla elektronun kütlesi ve yarıçapı, A ve Z sırasıyla ortamın kütle ve atom numarası olmak üzere, 4πNA re2 me c2 klasik olarak elektronun yarıçapını, Tmax bir çarpışmada aktarılabilecek maksimum enerjiyi, β = v/c olmak üzere γ = [1−β 2 ]−2 Lorentz faktörünü, I ortalama iyonlaşma potansiyelini ve δ ise ortamdaki elektronların yük yoğunluğu tarafından gelen parçacığın dik elektrik alanının perdelenmesini veren parametreyi temsil etmektedir [9]. Buna göre, parçacık materyalden ne kadar hızlı geçerse, Coulomb kuvveti etkisinin o kadar azalacağı göz önünde bulundurularak, parçacığın hızı göreli hıza yaklaştığı durumlarda bu azalmanın bir minimum değere ulaşması beklenir. Eşitlikten de görüldüğü üzere göreli olmayan hızlar için 1/β 2 terimi baskın olamakla birlikte v = 0.96c değerinde bir minimum değere ulaşacaktır. Ayrıca yükselen enerji değerleri ile birlikte ise enerji kaybının tekrar eşitlikte logγ ifadesi ile artması beklenmektedir. Örnek olarak, bakır materyal içinde müonlar [11] için hesaplanan fonksiyon, Şekil 2.1’de ”Bethe-Bloch” bölgesi olarak gösterilmiştir. Sadece Bethe bölgesinde fonksiyon β’nın bir fonksiyonu olduğundan kütleye bağlı diğer kısımların hesabı oldukça karmaşıktır [12]. Çoğu göreli parçacıkların ortalama enerji kaybı oranları bu bölgedeki minimuma yakın olup, minimum iyonize edici parçacık olarak adlandırılmaktadır. 6 Şekil 2.1: Müonların bakır içindeki durdurma enerjilerinin momentumlarına göre değişimi [11]. Elektron ve pozitron gibi hafif kütleli yüklü parçacıklar aynı enerjili ağır kütleli yüklü parçacıklarla karşılaştırıldıklarında, kütlelerinin küçük olması nedeni ile hızları daha yüksek olacaktır. Dolayısıyla enerjileri yüksek olan beta parçacıkları bir çekirdek alanından geçtiği zaman, radyasyon yolu ile bir enerji kaybına uğrar. Bu enerji kaybı, Bremsstrahlung olarak adlandırılan, sürekli X ışını spektrumu şeklinde görülür. Elektronun ivmelenmesinden kaynaklanan radyasyon çekirdeğin elektriksel çekimi sayesinde izlediği düz yolda sapma meydana getirir. Parçacığın enerjisi bir kaç MeV veya daha düşük olduğu durumlarda ise bu radyasyonla enerji kaybının düşük olması nedeniyle, beta parçacıkları enerjilerinin büyük bir kısmını, ortamın yörünge elektronları ile çarpışarak, Moller ve ya Bhabha olarak adlandırılan saçılmalar yoluyla kaybederler. Moller ve Bhabha saçılmaları, sırasıyla, elektronun ortamdaki atomun elektronları ile esnek olmayan ve pozitronların atomun elektronları ile esnek olmayan çarpışmalarını temsil etmektedirler. Bu saçılmaların sonucunda izlenen yolların ağır yüklü parçacıklar durumundaki gibi düz değil, sapmalar şeklinde gözlemlenmesi, ağır ve hafif yüklü parçacıkların madde ile etkileşimlerinin ayrı ayrı incelenmesini gerektirmiştir. Bu durumda elektron ve pozitron için enerji kaybının alınan yola bağlı değişimi Eşitlik 2.2 ile verilmektedir [13]. (− E dE )= dx X0 (2.2) Bu eşitlikte, E parçacığın enerjisini X0 ise giricilik derinliğini1 belirtmektedir. Yüklü parçacıkların dedektör ile etkileşimi sonucu ortaya çıkan Cherenkov ışınımı [14], yüklü bir parçacığın dielektrik madde içinden geçerken, ortamdaki ışığın hızından daha yük1 X0 , madde içerisindeki enerji kaybının elektronun başlangıç enerjisinin 1/e’sine düştüğü anda aldığı yoldur. 7 sek bir hızla gelmesi durumunda yayılan elektromanyetik radyasyondur. Cherenkov ışınımının fiziksel kaynağı, malzemeden geçen parçacıktan kaynaklı olarak dielektrik maddenin atomlarının kutuplaşması temeline dayanmaktadır [15]. Yüklü parçacık dielektrik ortamı geçerken malzeme atomlarını polarize ederek bu atomların elektrik dipollerini oluşturmasına, ve bu durumda oluşan dipollerin zamana bağlı olarak alanlarında gerçekleşen değişimler nedeniyle elektromanyetik bir radyasyon yayılmasına sebep olur. Parçacığın yavaş hareket ettiği durumlarda, Şekil 2.3’de sol tarafta gösterildiği gibi atomlar anlık olarak kutuplanmaktadır. Bu tip polarizasyonlar simetriktir ve parçacık geçişinden sonra dipol durumuna neden olmazlar. Bu durumun aksine, yüklü parçacık dielektrik malzeme içerisinden elektromanyetik radyasyondan daha hızlı geçtiği takdirde ise, asimetrik olarak kutuplanmış atomların salınım durumu, bulunan her atomun bu salınım durumu çerçevesinde Cherenkov radyasyonunu yaymasına neden olur. Bu durumda, oluşan küresel dalga cepheleri, Şekil 2.3’de gösterildiği gibi, tüm dalga cephelerine bir koni teğetinin yüzeyinde genişler [16]. Şekil 2.2: Göreli olmayan parçacıklar için simetrik (sağ) ve göreli parçacıklar için simetrik olmayan polarizasyon (sol). 8 Şekil 2.3: Göreli parçacık-dielektrik madde etkileşimi ve dalga cepheleri. Koherent dalga cephesi şeklinde yayılan Cherenkov radyasyonunun hızı, parçacık yörüngesine göre θ açısıyla yayılır; soğuruculuğu ihmal edilen bir maddenin kırma indisi n(λ) ve gelen parçacığın hızı β = v/c değerlerine bağlıdır [17]. Bu bağlamda yüklü parçacığın maddenin içinden geçerken radyasyon yayınlayabilmesi için en düşük hız; vpar > c 1 →β> n(λ) n(λ) (2.3) olacak şekilde hesaplanabilir. Ayrıca Şekil 2.3’de görüldüğü üzere Cherenkov açısı olarak tanımlanan θ açısı, cosθ = c/n(λ).t βct = 1 βn(λ) (2.4) şeklinde elde edilir. Bu sonuçtan yola çıkarak, göreli hızlarda hareket eden parçacıklar için Cherenkov radyasyonunun sabit bir açı ile yayılmakta olduğu ve göreli limitte ise (β → 1) parçacığın yayılma açısının maksimum olduğu görülmektedir. Hareketli parçacıkların önündeki ve arkasındaki ortamın farklı polarizasyon dipollerine sahip olmasından kaynaklı olarak çoğu materyalin kırma indeksinin frekansa göre değiştiği bilinmektedir. Farklı enerjili parçacıkların yayınladığı fotonların çeşitli açılarda dağılmalarının 9 nedeni de budur. Diğer taraftan, α=1/137 ince yapı sabiti olmak üzere, [ ] d2 Nph 1 2 1 = 2παz 2 1 − 2 2 dλdx λ β n (λ) (2.5) parçacığın aldığı yol başına yayılan fotonların sayısını [18] veren 2.5 eşitliğinden hareketle, Cherenkov radyasyon spektrumunun sürekli ve yoğunluğunun dalga boyunun karesi ile ters orantılı olduğu görülmektedir. Cherenkov radyasyonunun düşük dalga boyundaki bölgelerde baskın olması ve çok düşük enerjili fotonların materyal tarafından absorbe edilmesinden dolayı çoğunlukla UV bölgesinde ve görünür spektrumun mavi bölgesinde foton salınımı gerçekleştirmektedir. Yine aynı eşitlikten, yüksek hızlardaki parçacıkların daha fazla foton ürettiğini ve bu nedenle toplam sinyaldeki katkılarının daha büyük olacağı görülmektedir. Bu durumdan hareketle kuartz fiberdeki Cherenkov ışınımı sırasında yansıma yoluyla algılama yapan dedektörlerin, daha yüksek enerjili parçacıkları algılamaya duyarlı olduğu görülmektedir. Cherenkov ışınımına verilebilecek örneklerden biri CERN’de bulunan CMS deneyinin bir alt dedektörü olan HF kalorimetresinde yerleştirilmiş kuartz fiberlerdir(Bölüm 3.2.5.4). Kırılma indisi n olan bir ortam ile dalga boyu arasındaki deneysel ilişkiyi gösteren ve ilk kez 1871 yılında Wilhelm Sellmeier [19] tarafından ortaya atılan bağıntıya gore HF’de kullanılan kuartz fiber materyalin kırılma indisi, 600 nm ile 200 nm dalga boyları için, sırasıyla, 1,461,55 arasında değişmektedir. Şekil 2.4’de kuartz materyalinin kırılma indisi, salınan fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak verilmiştir [20]. Şekil 2.4: Fotonun enerjisinin bir fonksiyonu olarak kuartzın kırılma indisi. Radyasyonun açısal bağımlılığından hareketle, Cherenkov etkisi aynı zamanda, parçacıkların tanımlanmasında da kullanılmaktadır (Şekil 2.6). Silindir şeklindeki fiberler, Cherenkov 10 radyasyonunu, iç yansıma ile yakalarken, salınan radyasyon ve malzemenin yüzeyi arasındaki açının belirli bir değeri sağlaması halinde, fiberde tam yansıma gerçekleşmektedir [21]. Bu bağlamda örnek olması açısından, Şekil 2.5’de farklı parçacıklar için radyasyon açısının, momentumlarının bir fonksiyonu olarak verilmiştir. Şekil 2.5: Kırılma indisi 1,46 olan kuvartz materyal için, farklı parçacıklara göre Cherenkov açıları. Şekil 2.6: Farklı yüklü parçacıklara göre, kuartz fiberlerde oluşan tam yansımaların Cherenkov açıları. Yüksek enerji fiziğinde en çok görülen parçacık etkileşimlerinin fotonlardan kaynaklı olduğu göz önünde bulundurulduğunda, yüksüz parçacıkların madde ile etkileşimleri kapsamında fotoelektrik olay, Compton saçılması ve çift oluşumu süreçleri ile ortaya çıkan iki önemli özellikten bahsetmek gerekir. Bunlardan birincisi fotonların madde içerisinde yüklü parçacıklarla karşılaştırıldığında daha uzun mesafelere nüfuz etmesi, ikincisi ise belli bir kalınlıktaki malzemeyi geçince fotonların enerjilerinde bir azalma meydana gelmemesi, sadece şiddetinde azalmanın olmasıdır. Gelen fotonun enerjisine ve soğurucu malzemeye bağlı olarak, anılan üç etkileşimden biri 11 diğer ikisinden daha fazla gerçekleşebilir. Fotonun enerjisinin düşük olduğu değerlerde fotoelektrik etki, orta kısımlarda Compton saçılımı ve son olarak yüksek enerjilerde elektronpozitron çifti üretimi hakimdir. Compton saçılımı, maddenin azalan atomik sayısı ile de artmasından kaynaklı olarak hafif çekirdekli moleküller için bu aralığın geniş olduğu görülmektedir (Şekil 2.7). Şekil 2.7: Gelen fotonun madde ile etkileşim süreçlerinin, soğurucunun atom numarasına göre dağılımı. Düşük enerjili bir fotonun soğurucu ortamdaki bağlı elektronlar tarafından soğurularak Ke kinetik enerjisine sahip bir elektronun yayınlanması olayı Fotoelektrik olay olarak bilinmektedir. Fotonun, atomun iç tabakalarında bulunan elektronlar ile etkileşmesi ve koparması durumunda, dış tabakalardaki elektronlardan herhangi biri bu düşük seviyeyi doldurarak bunun sonucunda bir foton yayınlar. Şekil 2.8’de fotoelektrik olayın oluşumu verilmektedir. Şekil 2.8: Fotoelektrik olay. Bir diğer etkileşim mekanizması olan Compton Saçılması, fotonun etkileştiği materyalde bulunan bir elektronla esnek saçılması olayıdır. Serbest bir elektron ile hν enerjili, hν/c momentumlu bir foton etkileştiği takdirde, foton etkileşim doğrultusu ile θ açısı yaparak fa′ kat daha düşük frekansla (ν ) ile, elektron ise φ açısında saçılmaktadır (Şekil 2.9). Fotonun saçılma açısı fotondan elektrona aktarılan enerji miktarına bağlı olmakla birlikte, enerji ve momentum korunumu kanunlarının uygulanmasıyla, saçılan foton ve yayınlanan elektronun enerjileri için aşağıdaki bağıntılar yazılabilir: 12 ′ hν = hv 1 + γ(1 − cosθ) [ γ(1 − cosθ) Ke = hv − hν = hν 1 + γ(1 − cosθ) ′ (2.6) ] Şekil 2.9: Compton saçılması. Son olarak ele alınması gereken yüksüz parçacıklar için etkileşim mekanizması, çift oluşumudur. Yüksek enerjili bir foton yeterli enerjiye sahip olması durumunda, madde tarafından soğurulur ve zıt elektrik yüklü parçacıklar meydana getirir. Pozitronun kütlesi elektronun kütlesine eşit olduğundan, elektron-pozitron çift oluşumu için minimum enerji hν ≈ 2me c2 = 1, 02 MeV’dir. Bu etki yüklü parçacıkların etkileşimlerinde ele alınan Bremsstrahlung ile yakından ilişkilidir. Yüksek enerjilerde çift oluşum sonucunda oluşan elektronlar, materyalde bulunan atomlar ile Bremsstahlung etkileşimi yaparak yollarına devam etmekte ve aynı şekilde Bremsstahlung sonucu yayınlanan foton madde ile çift oluşum yaparak tekrar bir elektron-pozitron çifti oluşturmaktadırlar. Bremsstahlung ve çift oluşumun sürekli devam etmesi, dedektörde duş (shower) denilen olaya yol açmaktadır ve bu olay iyonlaşma enerji kaybı ile materyal tarafından durduruluncaya kadar devam etmektedir. Duş olayı yüksek enerji fiziğinde, parçacıkların tanımlanması sürecinde çok önemli role sahiptir. 2.2.Sintilasyon İlkesi ve Sintilasyon Dedektörleri Madde ile farklı yollarla etkileşimlerinden kaynaklı olarak, parçacıkların algılanmaları için gerekli olan materyaller de farklılık gösterecektir [22]. Yüksek enerji fiziğinde dedektörlerinde algılama sürecinde kullanılan materyaller tespit edilmesi istenen parçacık türüne veya elde edilmek istenen sonuçların hassasiyetine göre değişiklik gösterir. En yaygın olarak kullanılanlar, atomik uyarılma ilkesine dayanan sintilasyon dedektörleri ve iyonlaşma ilkesine dayanan gaz ve katı hal dedektörleridir. Radyasyon hasarı çalışmalarında, HE dedektöründe 13 kullanılan aktif materyaller plastik sintilatörlerdir. Dolayısıyla bu bölümde sintilatör dedektörleri hakkında verilen genel bilgilerin ardından, plastik sintilatörlerde radyasyon mekanizması ve meydana gelen radyasyon hasarı üzerine yapılmış önceki çalışmalara değinilmiştir. Bölüm 2.1’de anlatıldığı üzere ağır yüklü parçacıklar madde içinden geçerken atomlar ile etkileşime girerek iyonizasyon ya da uyarılma olaylarına sebep olmaktadır. Polisitiren (PS), polivinilbenzen, poliviniltoluen (PVT) veya polimetilstiren gibi sintilatör olarak adlandırılan bu malzemeler, lüminesans özelliği göstererek ısı, ışık, radyasyon vb. enerji türlerini soğurduklarında uyarılan atom veya moleküllerin tekrar taban durumlarına dönmelerini sağlayarak, enerjinin görünür ışık olarak geri yayılmasına sebep olurlar. Sintilasyon ışınları daha sonra Foto Çoğaltıcı Tüpler (PMT) tarafından algılanarak elektrik sinyali haline dönüştürülmektedirler. Sintilatörlerin yaygın olarak kullanılan iki türü, inorganik ve organik sintilatörlerdir. Bu iki tip sintilatörlerin polimer yapılarında olan farklılıklardan ötürü, sintilasyon mekanizmaları da farklılık göstermektedir [9, 10, 22]. Şekil 2.10’da sintilatör dedektörlerinin genel yapısını anlatan şema verilmektedir. Şekil 2.10: Sintilatör dedektörlerinin çalışma prensibi. İnorganik materyaller için sintilasyon mekanizması kristal örgü tarafından belirlenen enerji bant yapısına bağlıdır (Şekil 2.11). Bu yapılarda bulunan atom ve moleküller sintilatör özelliği göstermeyip, bu özellik sadece kristal yapıyada kalmaktadır. Valans bantta bulunan elektronlar kristal örgüye bağlı olurken, iletkenlik bandında ise elektronlar yeterli enerjiye sahip olduklarından kristal içinde serbestçe dolaşabilirler. Enerjinin soğurulması sonucu, valans bantta bulunan elektronlar iletkenlik bandına çıkarlar ve daha sonra valans bandına geri dönerek foton salınımı yaparlar. Saf kristal durumunda elektronun, tekrar valans bandına geri dönerek foton salınımı yapabilmesi güçtür ve yapabildiği durumlarda ise fotonun enerjisi görünür bölgeye göre yüksek enerjide salınır. Görünür bölgede foton yayılımını artırmak için kristale az miktarda katkı maddeleri (safsızlıklar) eklenir. Bu katkı maddeleri yasak bant içindeki aktivatör merkezlerini oluşturur ve elektronlar valans bandına geri dönerken aktivator merkezlerinden görünür bölgede foton salınımı yaparak taban seviyesine dönerler [9]. 14 Şekil 2.11: İnorganik sintilatörlerin çalışma mekanizması. Organik sintilatörlerde ise sintilasyon ışığı, moleküler yapıda gerçekleşen pi-molekül orbitallerinde bulnan serbest elektronların geçişi yoluyla üretilmektedir. Kristaller, sıvılar ve plastikler [9, 10] olmak üç türde olan organik sintilatörlerde, sintilasyon ışığı, moleküllerin serbest elektronları tarafından yapılan geçişlerle ortaya çıkmaktadır. Bu süreçte, bir fotonun soğutulması sonucu uyarılmış seviyeye çıkan molekül, foton salınımı yaparak temel seviyeye döner. Ancak, yayılan ışığın dalga boyunun, foto çoğaltıcı tüplerin ışığı soğurma aralığından daha küçük olması, foto çoğaltıcı tüplerin sintilatörlerden gelen ışığı daha düşük verimle soğurmasına sebep olmaktadır. Bundan dolayı, materyale öncelikli oluşan sintilasyon ışığını soğurarak, daha uzun bir dalga boyunda tekrar üreten bir organik katkı maddesi eklenmelidir. Bu ekleme süreci, Forster mekanizması [23] yoluyla gerçekleşir ve eklenen bu maddeye dalga boyu kaydırıcı (WLS) adı verilir. Bazı durumlarda bu süreç, optik fiber kullanımı yolu ile gerçekleşebilir . Bu duruma ek olarak, karmaşık moleküller içinde meydana gelen parçacığın soğurulmasının ardından salınan fotonun enerjisinin geniş bir band üzerine dağılması sonucu, fotonun belli bir kesrinin tekrar soğurulması olayını temsil eden ”Stokes Kayması”, dedektörün veriminde düşüşe sebep olmaktadır (Şekil 2.12). Bu bağlamda, WLS’lerin kullanımı sayesinde, sintilatörde daha büyük Stokes kayması elde edilerek dedektörlerin verimi yükseltilmektedir. 15 Şekil 2.12: Stokes Kayması süreci. Plastik sintilatör dedektörlerinin, nükleer ve yüksek enerji fiziği alanlarında uzun yıllardır kullnılmalarının başlıca sebepleri, hızlı tepki vermeleri, kolay üretilmeleri, şekillendirilebilmeleri ve çeşitlilikleridir. En göze çarpan dezavantajları ise radyasyona karşı toleranslarının düşük olması ve yüksek maliyetli olmalarıdır. 2.2.1.Plastik Sintilatörlerde Radyasyon Hasarı Mekanizması Tüm sintilasyon malzemeleri zaman içinde maruz kaldıkları radyasyon nedeniyle hasara uğramaktadırlar. Radyasyon hasarının etkileri genellikle, sintilasyon ışığını soğuran renk merkezlerinin yaratılmasından kaynaklı sintilatörün veriminde azalma olarak ortaya çıkmaktadır. Sintilatörlerde meydana gelen radyasyon hasarı oldukça karmaşık ve önceden hesaplanması güç bir sistemdir. Materyalin etkileştiği parçacık türü, toplam doz, doz hızı[24], içinde bulunduğu atmosfer ve ışınlama öncesinde ve sırasında sıcaklık gibi birçok parametre radyasyon hasarının oluşmasında büyük rol oynar. Aynı zamanda, radyasyona maruz kaldıktan sonra, sintilatörlerde zamanı ve miktarı yine parametrelere göre değişen iyileşme süreci beklenmesi durumu da radyasyon hasarı belirlemeleri sürecinde bir belirsizliğe yol açmaktadır. Bu nedenle kesin bir radyasyon hasarı simülasyonu yapılması oldukça zordur. Plastik sintilatör yapımında kullanılan ana plastik malzemeler polistiren (PS), poliviniltoluen(PVT) ve akriliktir. Bu malzemelerin kendi başlarına ışığı soğurma aralığı ultraviyole bölgede (240-280 nm) ve ışığı yayma aralığı ise 290-370 nm (en fazla 320-330 nm’de) aralığındadır . Bu malzemelerin aynı zamanda, yüksek çözünürlüğe sahip ve yüksek miktarda verimle çalışan bir malzeme (dopant) ile karıştırılmasıyla sintilasyon ışığı daha uzun dalga boyuna (350-370 nm tepe noktasına) kadar uzatılabilir [16]. Plastik sintilatörlerde kullanılan dopantların yeterince kararlı, çözünebilir, kimyasal olarak asal, radyasyon toleransı yüksek ve verimli olması gerekir. Dopantların kullanılmadığı durumlarda ana plastiğin zayıflama uzunluğu2 düşüktür. Daha uzun zayıflama uzunluğu sağlamak için, ana plastiğin ışık geçir2 Zayıflama uzunluğu, malzemenin maruz kaldığı parçacık demetinin soğurularak başlangıç değerinin1/e değerine düştüğü yani yaklaşık olarak gelen parçacıkların %63’ünün madde tarafından soğurulduğu uzunluktur. 16 genliğinin en fazla olduğu dalga boyunda soğurulan enerjiyi kuvvetli şekilde tekrar yayabilecek birincil dopantın ana plastik içinde çözülmesiyle elde edilir. Plastik sintilatörlerde radyasyona maruz kalma sonucu, uzun dalga boylarına kıyasla, ultraviyole yada mavi dalga boyunda ışınları soğuran merkezler oluşur. Bu etki, hem ışık veriminin hem de zayıflama uzunluğunun azalmasına neden olur. Şekil 2.13, iyonlaştırıcı radyasyonun plastik sintilatörde yarattığı olumsuz etkiyi göstermektedir [25]. Birinci durum, oluşan sinyalin zayıflamasındaki artışı, ikinci durum ise sintilasyon ışığının çıkışındaki azalmayı temsil etmektedir. Şekil 2.13: Plastik sintilatörlerin optik sinyalinde meydana gelen radyasyon hasarı [16]. Radyasyon hasarında etkili parametreler daha önce birçok farklı sintilatör materyali kullanılarak çalışılmıştır [24, 25, 26, 27, 28]. Bu araştırmalardan birinde, radyasyon hasarında dozun daha görünür etkileri, yalnızca küçük boyutlu (bir kaç cm3 ) örnekler için en az 102 Gy [29, 30] kadar doza maruz kaldıktan sonra göze çarpmaktadır. Bu örneklerde, genellikle belirli düzeyin altında herhangi bir hasarın görülmediği bir eşik değeri olduğu görülmektedir. Aynı zamanda biriken doz arttıkça, sintilatörün ışığı soğurduğu dalga boyu görünür bölgeye kaymaktadır ve bu durum ikincil olarak oluşacak sintilasyon ışığı bölgesi ile çakışmaya sebep olmaktadır. Bu nedenle, verimde düşüş gözlemlenmiştir. Doz oranı radyasyon hasarını etkileyen önemli bir parametredir. Malzemelerin belirli bir doza farklı zaman aralıklarında maruz kalmaları ve havada bulunan oksijen miktarı gibi parametre17 ler, materyalde meydana gelen radyasyon hasarı seviyesinde değişikliğe neden olur. Bu konu ile ilgili çalışmalardan biri, polistiren bazlı ve akrilik esaslı dalga boy kaydırıcıları (WLS) ve SCSN-38 plastik sintilatörü üzerine ZEUS araştırma grubu [28, 31] tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, WLS ve sintilatörün radyasyon hasarına cevabı, düşük enerjili protonlar ve 60 Co gama kaynağı ile ışınlanarak incelenmiş, ve WLS için doz oranı 30Gy/sa ile 10Gy/sa aralığında değiştirilirken, maruz kalınan dozun (25 kGy) olarak sabit kalması durumunda, hasar seviyesinin aynı olduğu sonucuna varılmıştır. Öte yandan, SCSN-38 polistiren bazlı sintilatör için ışık kaybının, kuru hava ile ışınlanan örneklerde oksijensiz ortamda ışınlananlara göre iki kat daha fazla olduğu görülmüştür [32, 33, 34]. Bu durum, radyasyona maruz kalma sırasında oksijenin olumsuz etkisinin bir göstergesi olarak kabul edilebilir [35]. Bu çalışmalardan alınan en önemli sonuç daha öncede belirtildiği üzere, sintilatör malzemede meydana gelen radyasyon hasarı seviyesi tahminin, malzemenin içeriğine ve birçok farklı parametreye (örneğin doz hızı ve atmosfer) bağlı olmasından dolayı oldukça zor olduğudur. Bu sebeple dedektörlerde kullanılan sintilatörlerin radyasyon kaynaklı verimlerindeki düşüşün belirli aralıklarla saptanması ve bu azalmanın alınan verilerde telafi edilmesi fizik analizlerinin güvenilirliği bağlamında oldukça önemlidir. 18 3.DENEYSEL DÜZENEK Tez kapsamındaki tüm deneysel çalışmaların CERN-LHC-CMS kapsamında gerçekleştirilmesi nedeniyle bu bölüm deneysel düzenekler hakkındaki genel bilgilere ayrılmıştır. Bu bağlamda Bölüm 3.1’de LHC, parçacık çarpışmalarından kaynaklanan radyasyon hasarı çalışmalarının sürdürüleceği en büyük dedektörden biri olan CMS dedektörü ve HCAL ise, Bölüm 3.2’de anlatılacaktır. 3.1.LHC CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) [36] şimdiye kadar yapılmış en büyük ve yüksek enerjili parçacık hızlandırıcısıdır. Cenevre yakınlarındaki Fransız-İsviçre ulusal sınırı boyunca yüzeyin yaklaşık 100 metre altında, daha önce LEP 1 çarpışmasına ev sahipliği yapan 27 km uzunluğundaki tünelde yer almaktadır [37]. Şekil 3.1: LHC üzerinde bulunan deneyler ve parçacık hızlandırma sistemi. LHC’de protonların elde edilmesi ve hızlandırılması süreci, daha yüksek enerjilere çıkılabilmesi doğrultusunda dört farklı aşamadan oluşmaktadır: 1 1988 yılında inşası tamamlanan en yüksek enerjili elektron-pozitron hızlandırıcısıdır. 19 • Protonları oluşturmak için, hidrojen gazının, iyon ışını kaynağına enjekte edilerek, elektrik alan uygulaması ile protonlar ayrıştırılmasının ardından, ilk olarak, 33 m uzunluğunda lineer hızlandırıcı olan Lineer Hızlandırıcı 2 (LINAC2)’de protonların hızlarının 50 MeV’e kadar yükseltilmesi, • Her biri 25 m yarıçaplı dört halkası bunun dairesel hızlandırıcı Proton Sinklotron Hızlandırıcısı (PBS)’nda protonların sıkılaştırılıp şiddetlerinin artırılması sonucunda PBS’den çıkan protonların hızlarının yaklaşık 1,4 GeV’a kadar ulaşması, • CERN’de bulunan en eski parçacık hızlandırıcısı olan Proton Sinklotronu (PS) sayesinde protonların hızları 25 GeV’e kadar artırılması, • LHC’nin enjektörü olarak kullanılan Süper Proton Sinklotronu (SPS) sayesinde protonların 450 GeV’e kadar hızlandırılması, işlemlerinin ardından LHC’de bulunan iki paralel tüpe 450 GeV enerjisine ulaşmış protonlar, grup halinde birbirlerine ters yönde dönecek şekilde enjekte edilirler. Bu proton demetlerini yörüngede tutabilmek için 8,3 T büyüklüğünde manyetik alan sağlayan süper iletken dipol magnetler (~1200 tane) ve aynı zamanda, parçacık demetini odaklanmak ve yönlendirmek için ise 392 dörtlü mıknatıs (quadrupole) kullanılmaktadır. LHC’de, proton-proton çarpışmalarının yanı sıra, maddenin kuark-gluon plazma durumunu incelemek için ağır iyon çarpışmaları da gerçekleştirilmektedir. Deneysel yüksek enerji fiziği kapsamında sıkça kullanılan kavramların içinde; • En önemli parametrelerden biri olan luminozite [38] birim zamanda birim alandaki parçacık sayısı olarak tanımlanabilir. Bir proton demeti için anlık luminozite, cm−2 s−1 cinsinden, N 2 nb fdön γr L = b (3.1) 4πϵn β ile verilir. Bu ifadede, Nb her proton kümesi için parçacık sayısı, nb proton kümesi sayısı, fdön çarpışmalardaki dönme frekansı, γr Lorentz dönüşüm faktörü, ϵn = γr ϵ normalize yayılma (faz uzayındaki demet parçacıklarının ortalama yayılması) ve β ise çarpışma noktasındaki çarpışma parametresini temsil eder. • Bu durumda, birim zamanda gerçekleşen olay sayısı, belirli bir olay çerçevesinde σ tesir kesiti olmak üzere, Nolay/sn = Lσ (3.2) şeklindedir. • Toplam luminozite anlık luminozitenin zaman üzerinden integralidir (L = 1barn = 10−28 m2 birimi ile kullanılır. 20 ´ L .dt) ve LHC’de ilk olarak 2009 yılında, demet başına 450 GeV ile protonların çarpıştırılmaya başlamasının ardından, Mart 2010’dan Şubat 2012’e kadar her bir proton demeti başına 3, 5 TeV √ (kütle merkezi çarpışma enerjisi s =7 TeV ) enerjisiyle çalışmalar sürdürülmüş, daha son√ raki süreçte 2013 yılı ile birlikte bu değer, kütle merkezi s = 8 TeV enerji değerine yükseltilmiştir. 2013-2015 yılları arasında kapatma süreci 1 ( LS1) olarak da bilinen ilk uzun bakım periyodunun ardından, test çarpışmaları, 2015 yılının Nisan ayında yeniden başlatılmış ve √ Mayıs 2015’te kütle merkezi s = 13 TeV enerjisine ulaşmıştır. Run II olarak adlandırılan bu sürecin veri alımlarına, 3 Haziran 2015 tarihinden itibaren yılın sonunda gerçekleşen kısa kapatma sürecine kadar sürmüştür. Son olarak ise, 2016 yılının Mart ayında tekrar başlayan çarpışmalara yine bu yılın son ayına kadar devam edilerek, toplamda 41f b luminozite değerine ulaşılmasıyla son bulmuştur. Bu son hali ile LHC’de, her biri yaklaşık olarak 1011 proton içerecek şekilde 2244 proton kümesi ile çarpışmalar gerçekleşmektedir. Şekil 3.2’de LHC’de toplanan toplam luminozite değerlerinin yıllara göre karşılaştırılması görülmektedir[39]. Şekil 3.2: LHC veri alım süreci boyunca yıllık toplanan luminozite değerleri. LHC üzerinde toplamda yedi deney bulunmaktadır. Şekil 3.1’de LHC üzerinde bulunan çarpışma noktaları ve LHC proton enjeksiyon zinciri şematik olarak gösterilmektedir. LHC’de bulunan altı etkileşim noktasından dört tanesi (CMS [40], ATLAS [41], LHCb [42] ve ALICE [43]) özel önem taşımaktadır. 3.1.1.LHC’de Bulunan Deneyler • ATLAS, Higgs Bozonu, Ekstra Boyutlar ve Karanlık Madde gibi fizik araştırmaları için tasarlanmış genel amaçlı bir dedektördür. IP1’e karşılık gelen ATLAS, bugüne kadar tasarlanmış olan en büyük parçacık dedektörüdür. Birçok farklı türlü LHC çarpışmasını algılayabilen, QCD ve Standart Model analizleri yapabilen bu genel amaçlı dedektör 21 çeşitli alt dedektörlere ayrılmakta ve LHC’den gelen proton demetlerinin çarpıştığı etkileşim noktası çevresinde büyük yoğun bir silindirlerden meydana gelmektedir. • LHC’den bir önceki çarpıştırıcı olan LEP’in karakteristik kırmızı sekizgen magnetinin kullanıldığı ALICE deneyi, LHC’de protonlar yerine kurşun iyonlarının çarpıştırıldığı dönemlerde veri almak üzere tasarlanmış bir dedektördür. Bu dedektör, LHC’nin yüksek enerjili ağır iyon çarpışmalarından oluşan kuark-gluon plazma olayları incelenmekte ve LHC’de IP2’ye karşılık gelmektedir. • CMS, LHC halkasında, IP5’e karşılık gelen ikinci genel amaçlı deneydir. CMS’de SM’den süpersimetri, ekstra boyutlar, karanlık maddeye uzanan geniş bir yelpazede araştırmalar yapılmaktadır. ATLAS ve CMS’in araştırma alanları benzer olmasına rağmen, yaklaşımları teknik olarak farklıdır. Bunun nedeni ise, bağımsız olarak aynı olgunun incelenerek çapraz doğrulama (cross-check) yöntemi ile süreçlerin doğruluğunun kontrol edilmesidir. Tez kapsamında, CMS deneyinin verileri ile çalışıldığından, bir sonraki bölümde bu deneye ait ayrıntılı açıklama yapılacaktır. • LHCb kapsamında b-kuarkı içeren parçacıklarla ilgili ölçümler üzerinde yoğunlaşılmıştır . IP8’de bulunan LHCb’de, bazı kanallarda doğrudan CP ihlali ile ilgili ipuçları yakalanan B-mezon bozunumları incelenmektedir. Bu hassas ölçümler, SM’nin ötesinde yeni fizikten gelen katkılara da son derece duyarlıdır. 3.2.CMS Hermetik2 bir yapıya sahip olan CMS dedektörü (Şekil 3.3), LHC’de bulunan diğer dedektörlerde olduğu gibi, birbirini tamamlayan alt dedektörlerden oluşmaktadır. Hermetiklik özelliği, potansiyel olarak gözlemlenmesi zor olayların tam olarak yeniden inşası için bilgi sunarken, esnek olmayan saçılımlardan kaynaklanan hemen hemen tüm ürünlerin kapsamlı bir şekilde saptanmasını sağlamaktadır. Bunun yanında, CMS’in dört farklı ana alt dedektörden oluşması, her alt dedektörün farklı tipte parçacıkları algılaması doğrultusunda, parçacık tanımlamasının yüksek hassasiyetle gerçekleştirilmesine imkan vermektedir. Şekil 3.4’te hangi tür parçacıkların hangi alt dedektörde iz bıraktıklarını gösteren temsili verilmektedir [44]. 2 Parçacık fiziğinde, hermetik bir dedektör (4π dedektörü de denir), bir çarpıştırıcıda atom altı parçacıkları arasındaki etkileşimin olası tüm bozunma ürünlerini gözlemlemek üzere tasarlanmış bir parçacık dedektörüdür. Etkileşim noktasının etrafını mümkün olduğunca geniş bir alanı kapsar ve birden fazla alt dedektör içerir. Bunlar tipik olarak kabaca silindirik yapıda, içiçe tabakalarda birbirlerine kenetlenmiş farklı dedektör türleridir. Her dedektör tipi farklı özellikli parçacıklar konusunda uzmanlaşmıştır, böylece hemen hemen her parçacık saptanabilmektedir. 22 Şekil 3.3: CMS deneyinin 3 boyutlu görünümü. Şekil 3.4: CMS dedektöründe farklı türde parçacıkların dedektörde bıraktıkları izler. Şekil 3.3’de belirtildiği üzere CMS, yüklü parçacıkların yörüngesini ölçen ve ikincil verteksleri yeniden yapılandıran bir iç izleme sistemi; elektron ve fotonların enerjisini ölçen ve soğuran bir elektromanyetik kalorimetre; hadronların enerjisini ölçen hadronik bir kalorimetre; yüklü parçacıkların yörüngelerini bükerek parçacıkların belirlenmesini sağlayan demet eksenine paralel bir süper iletken magnet; müonların enerjisini ölçen ve izlerini yeniden yapılandıran bir müon sisteminden oluşmaktadır. Buna ek olarak, LHC’de yüksek çarpışma oranı nedeniyle, yalnızca fizik analizleri için uygun verileri kaydetmek üzere tasarlanmış tetikleme sistemi CMS’te yer almaktadır. 23 3.2.1.Koordinat Sistemi CMS, sağ-elli koordinat sistemini kullanmakta ve bu koordinat sisteminin orijini, dedektörün merkezinde etkileşim noktasında bulunmaktadır. Bu durumda x ekseni LHC’nin merkezine, y ekseni LHC düzlemine dik yukarı doğrultuda ve z-ekseni ise batıya doğru saat yönünün tersine dönen proton demeti yönünde uzanmaktadır. Dedektörün, demet eksenine göre neredeyse simetrik olduğu göz önüne alınırsa, silindirik koordinat sistemi kullanılmasında fayda olduğu görülmektedir. Buna bağlı olarak, CMS’te θ ve ϕ olmak üzere iki açı tanımlanır: azimuthal açı ϕ, x-y düzlemindeki ölçülmektedir ve ϕ = 0 durumu x eksenine karşılık gelmekte, kutupsal açı (polar) θ ise, z-ekseninden ölçülmektedir. pT ve ET olarak ifade edilen enine momentum ve enerji, demet ekseni boyunca ölçülmekte ve yüksek enerji fiziğinde sıkça kullanılmaktadır. Bu durumda, anılan fiziksel büyüklükler, parçacığın enerjisi E, momentumu p olmak üzere ET = E.sin(θ) ve pT = p.sin(θ) olarak tanımlanmaktadır. Yaygın olarak kullanılan bir diğer değişken ise, parçacıkların hızlandırılmasını karakterize eden pseudorapiditedir: [ θ η = − ln tan( ) 2 ] (3.3) → Üçlü momentum(− p )’un ve momentumun z bileşeninin (pz ) bir fonksiyonu olarak, pseudorapidite tanımı; 1 η = ln 2 (− ) [ ] |→ p | + pz pz = arctan − → |− p | − pz |→ p| (3.4) şeklinde yazılabilir. Parçacığın hızının, göreli hıza yakın olduğu ya da parçacığın kütlesi ihmal edilebilecek kadar küçük olduğu durumlarda, m ≪ p ⇒ E ≈ p ⇒ η ≈ y, yaklaşımları ile pseudorapidite niceliği, parçacık fiziğinde kullanılan rapidite tanımına yakınsamaktadır (3.5): 1 y ≡ ln 2 ( E + pz E − pz ) (3.5) Polar açı θ’ya bağlı pseudorapidite niceliğinin yaygın olarak kullanılmasının nedeni, çarpışan protonların enerjilerinin oldukça yüksek olmasından dolayı toplam momentum vektörünün belirlenmesinin zorluğudur. 24 Şekil 3.5: Polar koordinat üzerinde gösterilen pseudorapidite değerleri. Şekil 3.5’de gösterilen pseudorapidite değerlerinin polar açı θ’ya göre çizilmiş grafiğine dikkatlice bakıldığında, proton demeti ekseni boyunca polar açı θ = 0 olduğundan, pseudorapiditenin η = ∞ değerinde olduğu görülmektedir. Bunlara ek olarak, yüksek enerji yaklaşımında, pseudorapidite demet ekseni boyunca Lorentz dönüşümleri altında değişmez kalmaktadır. Bu durum yapılan analizlerde büyük kolaylık sağlamaktadır. 3.2.2.Magnet CMS magneti [45], LHC deneyinin etrafında kurulmuş, Dünya’nın manyetik alanından yaklaşık olarak 100.000 kat daha güçlü değer olan 3,8 Tesla büyüklükte manyetik alan sağlamaktadır. Görevi, LHC’deki yüksek enerjili çarpışmalardan çıkan parçacıkların yollarını bükerek parçacıkların tiplerinin belirlenmesini sağlamaktır. CMS magneti solenoid yapıdadır ve tellerden geçen elektrik akışı sayesinde düzgün bir manyetik alan üreten tel bobinden oluşmaktadır. Magnet, süper iletkenlik özelliğine sahip olması nedeniyle tellerden geçen akımın, herhangi bir direnç ile karşılaşmadan, güçlü bir manyetik alan yaratılmasına olanak sağlar. İz sürücü sistemi (Bölüm 3.2.3) ve kalorimetre dedektörleri (Bölüm 3.2.4 ve 3.2.5) , magnetin bobininin içine yer almaktadır. Dört aşamalı müon dedektörü ise, aralarında bulunan demir düzenek (yoke) ile birlikte, magnetin dışını sarmış bir şekilde konumlanmıştır. 12000 ton ağırlığında olan magnet şimdiye kadar yapılmış olan tel bobinlerin en büyüğüdür. 25 Şekil 3.6: CMS süperiletken solenoidin görünümü. 3.2.3.İz Sürücü CMS deneyinin en iç kısmında ver alan İz Sürücü [46] sisteminin temel amaçları, çarpışmalar sonucunda oluşan etkileşim köşelerinin (vertex) belirlenmesi, oluşan ürünlerin elektromanyetik etkileşim yapan parçacıklar olması halinde tanımlanması ve ölçülmesi olarak belirtilebilir. Çok yüksek çarpışma oranları ve fazla parçacık çeşidinden dolayı, bu dedektör sistemi, algılama verimliliği, uzaysal çözünürlük ve radyasyon dayanıklılığı açısından CMS’te bulunan en güçlü bölgedir. İzleme sistemi iki alt dedektöre ayrılır: Piksel dedektörü (The Pixel Detector) ve Silikon Şerit İzleyici (The Silicon Strip Tracker) (Şekil 3.7) Şekil 3.7: CMS- İz Sürücü sistemi: Piksel dedektörü (sol), Silikon Şerit İzleyici (sağ) Piksel Dedektörü, etkileşim bölgesinin hemen yakınında bulunmakta ve |η| < 2, 5 pseudorapidite aralığını kapsamaktadır. 1440 tane ve herbiri 100 × 150µm2 boyutunda olan silikon sensörlerinin, etkileşim noktasının her iki tarafında, üç Varil (Barrel) Tabaka (BPix) ve iki Son kapak (endcap) diski (FPix) şeklinde düzenlenmesi (Şekil 3.7,sol) η aralığının büyük bir çoğunluğunun kullanılmasına olanak sağlamaktadır. 26 Silikon Şerit İzleyici, piksel dedektörünün etrafını kapsayacak şekilde, aynı pseudorapidite aralığında, parçacıkların yollarını ölçer. Etkileşim noktasına piksel dedektörüne göre uzak mesafede olması, parçacık akışının daha düşük olmasını sağlar ve bu nedenle piksel yerine silikon mikro şerit sensörleri kullanılabilir kılmaktadır. Modüllerin bulunduğu yere bağlı olarak farklı şerit aralıklarına ve sensör kalınlığına sahip dört farklı alt sistem bulunmaktadır: En iç bölgede İç İzleyici Varil (TIB) ve İç İzleyici Disk (TID); iç sistemi çevreleyen Dış İzleyici Fıçı (TOB) ve son olarak ileri bölgeleri kapsayan İzleyici Son kapağı (TEC). 3.2.4.Elektromanyetik Kalorimetre CMS Elektromanyetik Kalorimetre (ECAL) [47] hassas elektron ve foton tanımlama ve enerji ölçümlerini sağlayan, inorganik sintilatör kristallerden yapılmış hermetik ve homojen bir sistemdir. Bu dedektör, son aşamada yüksek enerjili fotonlara sahip topolojilerde, merkezi bir rol oynamaktadır. Yeterli çözünürlüğü elde etmek için ECAL, 75848 kurşun tungstat sintilatör kristalinden (PbWO4)’den yapılmıştır. Bu yapı, |η| < 1, 48 aralığını kapsayan merkezi bir silindirik bölüme Varil (EB) ve |η| = 3, 00’a kadar uzanan iki son kapağa (EE) bölünmüştür. Sintilasyon ışığı, EB kısmında çığ foto diyot (APD)’lar ve EE kısmında vakum fototriyot (VPT)’lar ile okunmaktadır. Hem kristaller hem de APD’lerin tepkileri sıcaklık değişimlerine karşı duyarlı olduğundan, çevreyi çalıştırılma sıcaklığı olan 180 C’de sabit tutmak için etkili bir soğutma sistemi gerekmektedir. Öte yandan, Frontend (FE) sistemi olarak adlandırılan ECAL elektronik okuma sistemi, sinyali her beş kristalden alarak ADC aşamasında yükseltir, şekillendirir ve dijitalleştirir. Son kapakların önünde, çarpışmalardan meydana gelen nötr pion gibi parçacıkların kısa sürede düşük enerjili fotonlara bozunmasının ardından bu fotonların sinyallerini ayırdedebilmek için ilave bir ”preshower” dedektörü yerleştirilmiştir. Şekil 3.8’de ECAL dedektörünün şematik gösterimi verilmiştir [44]. 27 Şekil 3.8: ECAL dedektörünün şematik gösterimi. 3.2.5.Hadronik Kalorimetre Hadronik kalorimetre [48] proton-proton etkileşmelerinden üretilen, güçlü kuvvet ile etkileşen hadronların enerjilerini saptamak için tasarlanmıştır. Bunun yanında, jetlerin enerjilerinin ve yönlerinin belirlenmesi, hadronik duşların saptanması ve kayıp dik enerjinin belirlenmesinde rol oynamaktadır. HCAL, elektromanyetik kalorimetrenin hemen dışında süper iletken solenoid magnetin içinde yer alır ve η < 5 pseudorapidite bölgesini kapsamaktadır. Görünümü Şekil 3.9’de verilen HCAL, bir sonraki bölümde ayrıntılı olarak açıklanacak olan, dört farklı alt dedektöre ayrılmıştır: Hadronik Varil (HB), Hadronik Son kapak (HE), Hadronik Dış (HO) ve Hadronik İleri (HF). Şekil 3.9: HCAL dedektörünün boyuna görünümü. 28 3.2.5.1.Hadronik Varil Kalorimetresi HB, pseudorapidite aralığı |η| < 1, 3’ü kapsayan bir örnekleme kalorimetresidir. HB, iki yarım varili (HB+ ve HB-) oluşturan 36 eşdeğer azimutal kamadan (wedge) oluşur. Kamalar, demet ekseni ile hizalanmış düz pirinç soğurucu plakalar ile oluşturulmuştur. Her kama, dört azimutal açı (ϕ) sektörüne bölünmüştür. Plakalar, bir kamanın tam radyal genişliği boyunca, aralarında boşluk olmayacak şekilde yerleştirilmiştir. Kamaların numaralandırma şeması Şekil 3.10’te gösterilmektedir. Soğurucular, dayanıklılık açısından paslanmaz çelikten yapılmıştır. Bu soğurucu yapının ilk katmanı 40 mm kalınlığındaki ön çelik tabakadan oluşmaktadır ve bunu takiben sekiz adet 50,5 mm kalınlığında pirinç levha, altı adet 56,5 mm kalınlığında pirinç levha ve 75 mm kalınlığında çelik arka plakadan oluşmaktadır. Şekil 3.10: HB kamalarının numaralandırma düzeni. Aktif madde olarak plastik sintilatörlerin kullanıldığı HB kalorimetresinde, sintilasyon ışığı fotoçoğaltıcı tüpler tarafından daha yüksek verimle algılamak için plastik sintilatörlerin içine WLS fiberler yerleştirilmiştir. WLS, paslanmaz çelik ve soğurucu pirinç levhaların arasına konulmuştur. Plastik sintilatörler, 16η sektörüne bölünmüş ve her birinin boyutu (∆η, ∆ϕ) = (0, 087, 0, 087) olacak şekilde tasarlanmıştır. Sintilatöre gelen ışık, 0.94 mm çapındaki WLS fiberler tarafından toplanmakta ve daha sonra oluşan ışığı fotodedektörlere aktarmaktadır. WLS fiberlerinin bir ucu, içindeki ışığın kaçmaması için yansıtıcı görevi gören alüminyum ile kaplıdır. WLS’nin bir diğer ucu, temiz fiberlerlere birleştirilir ve bu fiberler optik bağlantı noktasına gider. Daha sonra burada, bir optik kablo ışığı bir Optik Şifre Çözme Birimi’ne (ODU) götürür. ODU, fiberleri okuma kulelerine gönderir ve ışığı bir Hibrid Fotodiyot’a (HPD) getirir. HB kalorimetresinde 16 adet kule bulunmaktadır. 1 ile 14 arasındaki kuleler tek derinliğe sahipken, 15. ve 16. kuleler ise iki derinliğe bölünmüştür. HB kalorimetresi 16 numaralı kulede HE kalorimetresi ile çakışmaktadır. Kule bölümlenmesi, Şekil 3.11’de verilmektedir. 29 Şekil 3.11: HB, HO ve HE dedektörlerinin dörtte biri için HCAL kule bölümlenmesi. 3.2.5.2.Hadronik Son Kapak Kalorimetresi HE, HB kalorimetresine benzer bir örnekleme kalorimetresi [48] ’dir. Kalorimetre solenoidal magnetin uçlarına yerleştirildiğinden soğurucu madde olarak, manyetik olmayan, iyi mekanik özelliklere sahip C26000 kartuş pirinç (%70 Cu, %30 Zn) kullanılmıştır. HE, son aşamada üretilen parçacıkların yaklaşık % 34’ünü içeren bir bölge olan 1, 3 < |η| < 3 (katı açının % 13,2’si) pseudorapidite aralığının önemli bir bölümünü kapsar. LHC’nin yüksek luminozitesi, HE kalorimetresinde yüksek hızda parçacık algılama ve |η| ≈ 3 rapidite bölgesinde yüksek radyasyon toleransına sahip olmasını gerektirir. Son kapaklar Şekil 3.12’de görüldüğü gibi, müon sisteminin uç kısmına bağlıdır. HE’nin ön yüzüne 2 tonluk Önduş Dedektörü (ES) ve 10 tonluk Elektromanyetik Kalorimetre ( EE) bulunmaktadır. Şekil 3.12: Kısmen monte edilmiş HE dedektörü. 30 Kalorimetre, HE+ ve HE- olmak üzere iki parçadan oluşmakta ve her bir parçası ise eşit açılı (∆Φ = 20o ) 18 adet kamadan oluşmaktadır. Bu kamalar ise üç farklı derinlik (Depth-1-23) için, 14 eşit kuleye bölünmüştür. Derinlik olarak adlandırılan bu düzenleme, radyasyon hasarından dolayı soğurucu madde olan sintilatörlerde ve ışığı taşıyan fiber kablolarda meydana gelen ışık kaybını telafi etmek amacıyla, HE’deki fotodedektörlerin kalibre edilmesi için tasarlanmıştır. Demet eksenine yakın olan kule (kule 28), enine bölünmeye sahiptir (28 + koruma çemberi “29”) ve derinlemesine olarak üçe ayrılmıştır ve her bir bölmenin ya da her bir derinliğin okuma modülleri birbirinden farklıdır. Diğer kuleler (EB kalorimetresi ile üst üste gelen 16. ve 17. kuleler), iki yatay okuma modülüne sahiptir. Bunlar EE kalorimetresi olmadığı zaman kullanılmaktadırlar. Şekil 3.13’te bu kulelerin numaralandırılması ve konumlanması verilmiştir. Burada kulelerin 16’dan 29’a kadar numaralandırılması, analiz boyunca iη kanalı olarak adlandırılacaktır. Şekil 3.13: HE dedektörünün dörtte birinin boyuna bölümlenmesi. HE’nin dış katmanları, fotodedektörlerin ve FE (Front-end) elektronik cihazlarının kurulumu için ayrı bir bölgeye ayrılmıştır. Dış tabakalar 10 cm kalınlığındaki paslanmaz çelik destek plakasına sabitlenmiştir. Optik elemanlar ise, soğurucuya tamamen monte edildikten sonra boşluklara yerleştirilirmiştir. Bu nedenle, optik elemanlar, yerleştirme adına kolaylık sağlayabilmek için, sert bir yapıya sahip bir materyalden yapılmıştır. 31 Şekil 3.14: HE soğurucularının mekanik yapısı. Şekil 3.15: HE dedektöründe kullanılan plastik sintilatörler. HE dedektöründe parçacık algılama sistemi, Bölüm 2.2’de detaylı biçimde anlatılan sintilasyon ilkesine dayanmaktadır. Parçacıkların soğurucu madde ile çeşitli yollar ile etkileşmesinin ardından üretilen sintilasyon ışığı, WLS fiberleri tarafından toplanarak fotoçoğaltıcı tüplere iletilir. İkizkenar yamuk şeklinde olan bu sintilatörler, 1-17 arasındaki katmanlar için, 3,7 mm kalınlığında SCSN-81(3.15) ve 0. katman için ise 9 mm kalınlığında Bicron BC408 olmak üzere yerleştirilmişlerdir. WLS fiberlerin uçları elmas kesiciler ile şekillendirilmiş ve ışığın daha iyi toplanmasını sağlamak için alüminyum ile kaplanmıştır. Diğer uç, optik bir bağlayıcı vasıtasıyla temiz fiberler ile birleştirilmiştir. Sintilatör, dar kenarlar boyunca boyanmış ve bir tepsi oluşturmak üzere bir çerçeveye konulmuştur. Yanyana bulunan iki sintilatör tablasının η değerine göre numaralandırması Şekil 3.16’de verilmektedir. 32 Şekil 3.16: Yanyana bulunan iki sintilatör tablasının numaralandırılma şeması. Sintilatörler, ”Tyvek” olarak adlandırılan özel bir kağıt ile çevrelenmiş ve duralüminyum tabakaları arasına yerleştirilmiştir. Bu oluşan hali ile sintilatörler, sonu optik bağlayıcılara giden fiberlerin geçebilmeleri için delikler içermektedir. Şekil 3.17’de sırası ile 0. katman ve 1-17 katmanları için sintilatör tablalarının kesitleri görülmektedir. 33 Şekil 3.17: HE kalorimetresinde sintilatör tablalarının dizaynı: Ön (a), 0 ile 1-17 katmanları (b ve c) için görünüşler. Tablalar, soğurucudaki boşlukların içine, vidalar ile sabitlenmiştir. Sintilatörleri uyarmak için UV azot lazeri kullanılmaktadır. Işık, kuartz fiberler tarafından bağlayıcı kısma aktarılır ve dışarı doğru yayılırlar. Bu fiberler alüminyum yansıtıcılara kadar uzanır ve ışığı her sintilatör tablasını oluşturan kısımlara dağıtırlar. Sintilatörde bir UV ışığı tarafından üretilen ışık sinyali, yüklü bir parçacık tarafından indüklenen sinyal ile benzerdir. Bu teknik, radyasyon hasarına bağlı olarak, sintilatörlerin performansında meydana gelen düşüşün izlenmesi için önemli olduğu kadar, sintilatörden elektroniğe tüm optik yolun performansının kontrolünün sağlanmasını da mümkün kılmaktadır. Diğer taraftan, okuma kutuları (RBX) kalorimetrenin arkasında, HB ile HE arasındaki boşluğun yakınında bulunmaktadır. Okuma kutusunda, foto dedektörler ve Frontend (FE) elektronikleri vardır. Manyetik alanlara duyarlı olmamaları ve dinamik aralıklarının geniş olması nedeniyle çoklu piksel hibrid fotodiyotlar kullanılmaktadır. Bölüm 3.2.5.5’te detaylı olarak HCAL veri toplama sistemi ile ilgili bilgi verilmektedir. 3.2.5.3.Hadronik Dış Kalorimetre Merkezi pseudorapidite bölgesinde, HB kalorimetresi, hadronik duşları durdurmada tam olarak yeterli olmamaktadır. Bu sebepten ötürü |η| < 1, 3 bölgesinde, iyi bir verim sağlanabil34 mesi için, mıknatısın dışına doğru kuyruk şeklinde uzanan HO kalorimetresi yerleştirilmiştir. HO dedektörü, müon silindir sistemi içerisine yerleştirilmiş ve ”halka” adı verilen, η’ya göre -2, -1, 0, 1, 2 olmak üzere 5 kısma ayrılmıştır. Numaralandırma müon dedektörü ile benzer olmakla birlikte, z-ekseni boyunca artacak şekildedir. 0 numaralı halkanın iki, ±1 ve ±2 numaralı halkaların tek katmanı vardır. HB kalorimetresinde bulunan soğurucuların derinliği η = 0’da minimum soğurucu derinliğine sahip olduğu için merkezi halka sırasıyla 3,82 m ve 4,07 m radyal mesafelerde 19,5 cm kalınlığında bir demir parçasının her iki tarafında iki katmanlı HO sintilatörüne sahiptir. Şekil 3.18: HO katmanlarının konumunu gösteren CMS dedektörünün boyuna ve enine görünümleri. Şekil 3.18’de, tüm CMS dedektöründe, HO halkalarının müon sistemi içindeki konumu görülmektedir. Her halkanın 75 mm kalınlığında paslanmaz çelik kirişlerle ayrılmış olan 12 özdeş azimutal açı (ϕ) sektörü vardır ve her bir sektör ϕ = 300 ’ye karşılık gelmektedir. Bu alt sektörler ise, her biri η kulelerine bölünmüş, içinde tek veya çift katmanlı sintilatörlerin bulunduğu, ϕ = 50 ’lik altı dilime ayrılmıştır. Sintilatörlerden yayınlanan sintilasyon ışığı 0,94 mm çapında olan WLS’ler aracılığıyla toplanarak daha sonra foto dedektörlere dağıtılmaktadır. 3.2.5.4.İleri Hadron Kalorimetresi HF, dedektörde bulunduğu konum gereği (3 < |η| < 5), oldukça fazla parçacık akısına maruz kalmaktadır. Her proton-proton çarpışmasında her iki HF kalorimetresinde ortalama, dedektörün geri kalanında depolanan enerjiye göre yaklaşık altı kat kadar fazla enerji depolanmaktadır. Bu zorlu koşullar gereği HF kalorimetresinde, zaman içinde dedektörde meydana gelecek hasarları en aza indirmek için özel materyaller kullanılmıştır. HF kalorimetresi, HF+ ve HF− olmak üzere çarpışma noktasının her iki tarafına simetrik olarak yerleştirilmiştir. Her biri etkileşim noktasından ±11,2 m uzaklıkta bulunmaktadır ve 130 cm dış yarıçapına ve çarpışma eksenine göre 12.5 cm iç yarıçapına sahiptir. Bu yapının her bir parçasında azimutal olarak 200 ’lik açıya karşılık gelen 18 kamaya bölünmüştür ve toplamda 36 kamadan oluşmaktadır. Her bir kama aynı zamanda 100 ’lik açılara bölünmüş olup, toplamda 2 sektörden ve 24 kuleden oluşmuştur. Her bir kule, iki adet foto çoğaltıcı 35 tüp tarafından ve her bir kaması ise iki tane okuma ünitesi (A ve B) tarafından okunmaktadır. Bu ayrım, gelen sinyallerin hangi kamalardan ve kulelerden geldiğini belirlemek için, okuma kanallarının adlandırılmasını da sağlayan η (29-41) ve ϕ (1-36) etiketlendirmeleri kullanılmıştır. Şekil 3.19’de HF sektörü görülmektedir. Bu çeyrek kısımların her biri ”RACK” denilen elektroniklerin bulunduğu kutulara yerleştirilmiştir. Şekil 3.19: HF+ sektörünün görüntüsü. Gelen parçacıkların ürettiği ışınları taşıyan kuartz fiberler ise, çarpışma eksenine paralel olacak şekilde çelik soğurucuya yerleştirilmiştir (Şekil 3.20). HF kalorimetresinin içerisinde, hadronik ve elektromanyetik duşları birbirinden ayırt etmek için kullanılan, iki tipte fiber (uzun ve kısa) bulunmaktadır: Konumlarından dolayı uzun fiberler Derinik-1, kısa fiberler ise Derinlik-2 olarak isimlendirilmektedirler. Boyu 1,65 m olan uzun fiberler, dedektörün elektromanyetik kısmını oluşturur ve hem elektromanyetik hem de hadronik etkileşen parçacıklara karşı duyarlıdır. Kısa fiberleri ise 1,43 m uzunluğundadır ve çelik soğurucuların ön kısmından 22 cm geride başlar. Kısa fiberler HF’in hadronik kısmını oluşturur. Bu düzenleme, enerjilerinin büyük bir bölümünü ilk 22 cm’de depolayan elektronlar ve fotonlar tarafından üretilen duşların, hadronlar tarafından üretilenlerden ayırt edilmesini mümkün kılar. 36 Şekil 3.20: Kuartz fiberlerin HF dedektöründe bulunan kamaları yerleşim biçimi. HF kalorimetresinde parçacıkların algılanma mekanizması, Bölüm 2.1’de detaylı şekilde anlatılan Cherenkov ışıması prensibine dayanmaktadır. Kalorimetrede bulunan çelik soğurucularla etkileşen parçacıklar, enerjilerini tükettiği noktaya kadar etkileşmeye ve yeni parçacık oluşturmaya devam ederler. Bu etkileşmeler sırasında parçacıklar kuartz fiberler içinden geçerken, hızları ışığın kuvartz fiber içerisindeki hızından büyük olduğu durumda Cherenkov ışıması yaparlar. Tam yansıma şartını sağlayan ışınlar, kuvartz fiberler aracılığıyla foto çoğaltıcı tüplere ulaşırlar. Şekil 3.20’de görüldüğü gibi, fiberler demetler halinde dedektörün arka kısmında birleştirilmiştir ve gelen sinyal burada fiberler aracılığı ile PMT’lere iletilerek okunmaktadır. PMT’ler radyasyon hasarının daha az görüldüğü kalorimetrenin dış kısmında bulunan RBX kutularında bulunmaktadırlar. Teknik olarak, 18 kanal ve herbir kanal için 48 PMT, toplamda ise (HF±) 1728 PMT’den oluşan HF kalorimetresinde PMT’lerde bulunan fiberlerdeki radyasyon hasarı, absorbe edici materyalde gömülü birkaç referans kuartz fiberinin iletim özelliklerini ölçen bir sistem (RaDdam) vasıtasıyla gözlemlenmektedir. 3.2.5.5.Elektronikler ve Veri Toplama HCAL dedektöründe, gelen parçacıkların dedektörün aktif materyali olan sintilatörler ile etkileşerek salınan ışık (Bölüm 2.1), WLS fiberleri ile şeffaf fiberlere ve optik kablolar aracılığıyla Frontend (FE) elektroniklerine iletilmektedir. HCAL’ın veri toplama elektroniklerinin genel görünümü Şekil 3.21’de verilmiştir. 37 Şekil 3.21: HCAL veri toplama elektroniklerinin genel görünümü. FE elektronik sistemi analog sinyalleri sayısallaştırarak sonuçları 40 MHz ile okuma kartlarına göndermektedir. Optik kablolar aracılığıyla taşınan ışık, önce RBX olarak adlandırılan elektronik ünitelere iletilmektedir. Her bir RBX, dört okuma modülüne (RM) ayrılmıştır. Tek bir okuma modülü, herbiri bağımsız kulelerden gelen sinyalleri kaydeden 19 kanallı HPD içermektedir. HPD, vakum içinde olup 3,5 mm ile ayrılmış bir fotokatot ve bir silikon diyot içeren düzlemsel bir yapıya sahiptir. Foto elektronlar, 8 kV kinetik enerjisine kadar hızlandırılarak diyota çarpmakta ve iyonizasyona neden olmaktadır. Diyot elektriksel olarak 19 bağımsız okuma kanalı içermektedir. HPD sinyalleri, RM içine yerleştirilen üç tane 6 kanallı okuma kartından beslenmektedir. Bu okuma kartları, yük toplama ve kodlaması (QIE) yapan özel bir ASIC sistemine göre okunmaktadır. QIE kartları, doğrusal olmayan çok aralıklı analog-sayısal çevirici (ADC) olarak tasarlanmıştır. QIE kartları dört zaman aralığından oluşmuştur ve çıkışı, 2 bit aralık ve 5 bitlik matris içermektedir. QIE’den alınan veri çeşitli kartlar (önce CCA, sonra HTR) vasıtasıyla, ve 25 MHz aralıkları ile veri akış sistemine iletilmektedir. 3.2.6.Müon Sistemi LHC’de yüksek lüminozitede beklenen çok yüksek arka-plan (background) oranı vasıtasıyla ilgili süreçlerin tanımlamasını yapmak için kullanılan, Müon Sistemi |η| < 2, 4 pseudorapidite aralığında, kalorimetre ile solenoid magnetin dışında bulunan bölgede yer almaktadır. Müonlar metalde bir kaç metreye kadar nüfuz edebildiğinden dolayı, müonları algılamak için kullanılan müon odaları dedektörün en dış kısmına yerleştirilmiştir. Bu sistem, yüksek momentumlu parçacıkların daha duyarlı ölçülmesine katkıda bulunurken, düşük momentumlu parçacıklar için (pt ~ 200 GeV) iç izleyici sistemi yeterli olmaktadır. Müon sistemi, üç bağımsız farklı türde gaz parçacık dedektöründen oluşur: Bunlar, |η| < 1, 2 aralığını kapsayan ve 38 müonların konumlarını hassas bir şekilde belirlemek için kullanılan Sürükleme Tüpleri (DT); 0, 9 < |η| < 2, 4 aralığını kapsayan ve tepki süresi hızlı ve radyasyona karşı dayanıklı yapısıyla, manyetik alanın büyük ve değişken olduğu bölgede bulunan Katot Şerit Odaları (CSC) ile tüm sistemi kapsayıp tetiklemek için kullanılan Dirençli Plaka Odacıkları (RPC)’dır. Şekil 3.22, demet eksenine dik düzlemde hareket eden bir müonun dört katlı Müon sisteminde bıraktığı izi göstermektedir. Şekil 3.22: Dedektör ile etkileşen müonun bıraktığı iz. 3.2.7.Tetikleme ve Veri Toplama Sistemi LHC, yüksek etkileşim oranlarında proton-proton ve ağır iyon çarpışmaları sağlar. Protonlar için her 25 ns’de gerçekleşen çarpışmalar, 40 MHz’lik bir geçiş frekansına karşılık gelmektedir. Luminoziteye bağlı olarak, proton demetlerinin her geçişinde birden fazla çarpışma meydana gelse de bunların sadece küçük bir kısmı fizik açısından ilginç olaylardır. Çarpışmalardan kaynaklı oldukça büyük miktarda verinin taşınması, kaydedilmesi ve depolanması sürecinde gerçekleşen çeşitli teknik zorluklar nedeniyle, kalıcı olarak depolanacak verilerin seçimi çok önemlidir. Sonuç olarak, deneyin en önemli ve zorlu yönlerinden biri olan, yararlı olayların gerçek zamanlı seçilmesi ve kaydedilmesi sürecini yönetmek için Tetikleyici’ler kullanılır. Olay başına veri boyutu yaklaşık 1 MB’dir ve çevrimdışı analiz için sadece 300 Hz’lik bir oran saklanabilmektedir. Bu veri azaltma işlemini yerine getirmek için CMS Tetikleyici, iki seviyeye ayrılmıştır: Daha çok donanım tabanlı olan Seviye-1 Tetikleme ( L1) ve yazılım tabanlı Yüksek Seviye Tetikleyici (HLT). 39 Şekil 3.23: CMS Seviye-1 Tetikleyicisinin yapısı. • Seviye-1 Tetikleyici: Donanım temelli bir sistem olan Seviye-1 tetikleyicisinin görevi, seçilen olayların oranını 100 kHz’e düşürerek, her 25 saniyede bir gelen demetlerin geçişini kontrol etmektir. Bu kontrol işlemi, 3, 2µs kadar kısa bir zamanda gerçekleşmekt ve bu süreç, verilerin FE elektroniklerden Seviye-1 işlemcilerine aktarımını ve geri dönüşünü de içerdiği için, hesaplamalar 1µs’den fazla olamamalıdır. Seviye-1 sistemi, L1 kalorimetre tetiklemesi, L1 müon tetiklemesi ve L1 genel tetikleme olarak üç temel alt sistem şeklinde düzenlenmiştir. Yüksek oranda demet geçişi ve iz sürücünün göreceli olarak yavaş algoritması sebebi ile L1 tetikleyicisi verileri kalorimetrelerden ve müon dedektöründen parçalar halinde alır. Tüm yüksek çözünürlüklü veriler, L1 geçirme kararı verene kadar geçici olarak bekletilirler ve eğer L1 bu olayı kabul ederse veriler Yüksek Seviye Tetikleyici’ye aktarılırlar. Her kalorimetre kendi tetikleyici kulelerinden (elektron, foton ve jet adaylarını tanımlayan) ”trigger primitives” denilen nesneleri iletir. Müon alt dedektörleri ise, dedektörde alınan müon adaylarını tanımlar. Bu nesneler daha sonra sıralanır, depolanır ve programlanabilir algoritmalara göre Yerel L1 tetikleyicisine aktarılır. Son olarak, Tetikleyici Kontrol Sistemi (TCS), alt dedektörlerin olayı okumaya ve Veri Toplama (DAQ) sistemi almaya hazır olup olmadığını belirler. • Yüksek Seviye Tetikleyici: HLT, yazılıma dayalı bir tetikleme sistemidir ve olay oranını 100 kHz’den 100 Hz’e kadar düşürür. HLT’deki yeniden yapılandırma ve seçim kademeli olarak gerçekleşir. HLT yazılımı, CPU kullanımını en aza indirirken, seçimde kullanılabilecek her fizik objesinin yeniden yapılandırılması temeline dayanır. HLT işleminde Seviye-2 Tetikleyici olarak adlandırılan ilk seçim aşaması, Seviye-1 oranına sahiptir ve sadece kalorimetre ve müon dedektörlerinden gelen bilgileri kullanır. Öte yandan, seçimin ikinci basamağı olan Seviye-3 Tetikleyici, izleyicide kaydedilen tüm izlerin yeniden yapılandırılmasını içerir. Algoritmaların önemli bir özelliği, HLT’nin gerektirdiği işlemci süresini en aza indirgemek için, CMS dedektörünü belirli bölgelere bölerek, her bölge için ayrı kabul-reddetme işlemi yapmasıdır. HLT sisteminden geçen tüm olaylar, DQM sistemine iletilir ve sınıflandırılarak saklanır. 40 4.MALZEME VE METOT Bu bölümde tez kapsamındaki veri analizleri ve histogram üretimi için kullanılan araçlar, ardından HE kalorimetresinde radyasyon hasarı çalışmalarında kullanılan metotlar hakkında bilgi verilecektir. 4.1.Analizde Kullanılan Araçlar 4.1.1.ROOT ROOT [49], büyük verileri işleme, istatistiksel analiz, görselleştirme ve depolama ile ilgili işlevleri sağlayan modüler bir yazılım çerçevesidir. C++ tabanlı olup, Python ve R gibi diğer dillere de entegre edilmiştir. ROOT, içinde farklı amaçlara hizmet eden bazı modüller içermektedir. Bunlardan bazıları: • RooFit : Fizik analizinde olayların beklenen dağılımının modellenmesi için bir araç seti sağlar. Modeller, sınırsız maksimum olasılık uyumu gerçekleştirmek, histogram üretmek ve çeşitli çalışmalar için ”oyuncak Monte Carlo” örnekleri üretmek için kullanılabilir. RooFit, başlangıçta Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi’nde bir parçacık fiziği deneyi olan BaBar işbirliği için geliştirilmiş olsa da CERN’de yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Yazılım esas olarak bir parçacık fiziği veri analizi aracı olarak tasarlanmıştır, ancak genel doğası ve açık mimari yapısı gereği yüksek enerji fiziği dışındaki diğer alanlarda da kullanılmaktadır. • Minuit : Çok parametreli bir fonksiyonun minimum değerini bulmaya ve minimum fonksiyonun şeklini analiz etmeye yarayan bir araçtır. İstatistiksel analizde uygulama alanı, en iyi fit parametre değerleri ve bunların hata paylarını, ”chi-square” veya ”loglikelihood” fonksiyonlarını kullanarak, parametreler arasındaki korelasyonlar da dahil olmak üzere hesaplayarak daha iyi sonuçların alınmasını sağlar. • Proof : Bilgisayar veya birbirine ağ üzerinden bağlı çok işlemcili sunucular üzerinde büyük miktardaki ROOT dosyalarının paralel olarak işlenmesine olanak veren etkileşimli analiz ara yüzüdür. PROOF, öncelikle, parçacık fiziği deneylerinde Merkezi Analiz Tesisleri ve ilgili çalışma gruplarına (Tier-2 ve Tier-3’ler) ait toplu sistemler için bir alternatif olarak düşünülmüştür. Bununla birlikte, çok seviyeli temel işlere izin veren çok katmanlı bir mimari sayesinde coğrafi olarak ayrılmış alanlar ve heterojen makineler (GRID’ler) üzerinde dağıtılan çok çeşitli sanal kümelere kolayca adapte edilebilmiştir. 41 4.1.2.CMSSW CMSSW, CMS deneyi tarafından toplanan verileri filtrelemek ve analiz etmek için kullanılmaktadır. CMS Olay Veri Modeli (EDM), bir olay kavramının etrafında toplanmıştır. Olay, belirli bir çarpışmayla ilgili tüm hem (RAW) ve yeniden oluşturulmuş veriler için bir C ++ nesne kapsayıcısıdır. İşlem sırasında, veriler bir etkinlik vasıtasıyla bir modülden diğerine geçirilir ve yalnızca olay (event) aracılığıyla erişilir. Etkinlikteki tüm nesneler tek tek veya toplu olarak ROOT dosyalarında saklanabilir ve dolayısıyla doğrudan ROOT’da analizi yapılabilir. Bu durum, testlerin ayrı ayrı modüller üzerinde ayrı ayrı yürütülmesine izin verir. Bir olayı işlemek için gereken yardımcı bilgiler Olay Kurulumu’na çağrılır ve Olay Ayarı aracılığıyla erişilir. CMSSW’da birbirinden uzak kullanıcılar tarafından geliştirilip yenilenebilmesi için modüller kullanılmıştır. Böylelikle, yeni bir analiz metodu ya da filtre geliştirildiği takdirde bütün kullanıcılar tarafından görülebilmektedir. CMS verileri, FEVt (FullEVenT) olarak adlandırılan ham, yapılandırılmış (RECO) ile içinde fizik objelerini barındıran (AOD) olarak adlandırılabilecek üç sınıfta kategorize edilebilir. • RECO (Reconstructed), olayların yeniden yapılandırılması programı tarafından oluşturulan nesneleri içeren veri katmanının adıdır. Ham verilerden türemiş ve uygun bir biçimde fizik analizi için yeniden yapılandırılmış fizik objelerine erişim sağlamaktadır. Olay yeniden yapılandırma bir kaç adımda gerçekleşmektedir: Dedektöre özgü bir işlem olan birinci aşamada, dedektör verilerinin açılması ve çözülmesi ile başlanarak dedektör kalibrasyon sabitlerinin uygulanmasıyla nesneler yeniden oluşturulur. İkinci, silikon ve müon dedektörlerinde saptanan izler ile global parçacıkları yeniden yapılandırılmasıdır (tracking). Diğer bir evre ise, birincil ve ikincil vertex adaylarını yeniden yapılandıran Vertexing (herbir etkileşim köşelerinin birleştirilmesi) aşamasıdır. Son olarak parçacık tanımlama aşamasında, çok çeşitli karmaşık algoritmalar kullanılarak, standart fizik nesne adayları yaratılır (elektronlar, fotonlar, muonlar, kayıp enine enerji ve jetler gibi..). • AOD (Analysis Object Data), fizik analizi için uygun, kompakt bir formatta veri sağlamak için RECO bilgilerinden türetilir. AOD verileri doğrudan fizik analizleri için kullanılabilir. AOD, bir fizik analizinin tüm tipik kullanım biçimlerini destekleyecek olay hakkında yeterli bilgiyi içermektedir. Bu nedenle, tüm üst düzey fizik nesnelerinin (müonlar, elektronlar, tau, vb. gibi) bir kopyasını bulundurur. • PAT (Physics Analysis Tools), bilgiler RECO ve AOD’da en az alanı kullanan ve en yüksek esnekliğe izin verecek şekilde saklanır. Bu, birbirine bağlanan nesneleri içeren Veri şekilleri için özellikle geçerlidir. Kullanıcının analizini kolaylaştırmak için, ilgili RECO bilgilerini birleştiren bir dizi yeni veri biçimi oluşturulmuştur. Bu yeni formatlar, bunları yapmak ve işlemek için kullanılan araçlar ile birlikte Fizik Analizi Araç 42 Seti veya PAT olarak adlandırılır. PAT, fiili olarak, kullanıcıların RECO’nun çıktısı olan fizik nesnelerine nasıl erişeceklerinin yoludur. Simülasyon ve yeniden yapılandırma zincirinde her adımdaki işlem bilgileri, mantıksal olarak veri katmanı (data tier) olarak adlandırılarak gruplandırılır. Şekil 4.1’de CMS’de veri gruplandırmasının şeması verilmiştir. Şekil 4.1: Veri katmanlarının gruplandırılması. 4.1.3.GRID Son yıllarda üretilen veri miktarının artması ile veri işleme süreci değişmiştir. Artık tek bir bilgisayar ya da sunucu bu işler için yeterli olmayıp çok işlemcili sunucu kümeleri kullanılmaktadır. Aralarında olan hızlı ağ bağlantısı sayesinde büyük veri işleme, analiz süreçleri her bir sunucu ve sunuculardaki işlemcilerin çekirdekleri arasında paylaştırılmaktadır. GRID (Worldwide LHC Computing Grid) adı verilen bu sistem Tier-0, Tier-1, Tier-2 ve Tier-3 olmak üzere LHC’de alınan verilerin kaydedildiği dört farklı seviyeden oluşmaktadır. Her bir seviyede farklı hizmetler bulunmaktadır [51]. Yazılım mimarisi : Sunucuların çoğunluğu SLC5 yada SLC6 tabanlı linux işletim sistemlerini kullanmaktadır. ATLAS ve CMS gibi büyük deneylerin kullandığı ROOT, Geant4, Athena, CMSSW gibi bütün yazılımlar, bu sunuculara yüklüdür. Sunucularda analizden simülasyona kadar bütün işlemler yapılabilir. Ayrıca bu sunucularda Open MP ve Open MPI gibi sunuculardaki bütün işlemci çekirdeklerini kullanacak ve diğer sunuculara da aynı şekilde işleri dağıtacak şekilde çalışan sistemler yüklüdür. Donanım mimarisi : Sunucu sistemlerinde çok çekirdekli işlemciler ve yüksek kapasiteli hafıza birimlerinden oluşan sistemler kullanılmaktadır. Bu birimler 24 saat aralıksız çalışacak şekilde dizayn edilmişlerdir. Diskler veriyi güvenli yedeklemek için ”raid” sistemleri ile oluşturulmuştur. 43 GRID’de bulunan verilere ulaşabilmek ve analizini yapabilmek için, farklı araçlar geliştirilmiştir. CMS deneyinde python dilinde yazılmış CRAB (CMS Remote Analysis Builder) adı verilen analiz sistemi kullanılmaktadır. . 4.2.Analiz Metodu LHC’de üretilen yüksek luminozite değerinin bir sonucu olarak, 3.2.5.2 bölümünde detaylı şekilde anlatılan HE kalorimetresinin aktif materyali olan plastik sintilatörlerinde ve sintilatörden geçen yüklü parçacıklar tarafından üretilen ışığı toplayan WLS fiberlerinde bozulmaya sebep olmuştur. Bu durum, foto dedektörlere gelen fotonların sayısının azalması anlamına gelirken, dedektörün performansında bir düşüşe yol açmaktadır. LHC’nin 2012-2015 çalışma yılları arasında, dedektörde meydana gelen radyasyon hasarı, birbirinden bağımsız iki metot kullanılarak araştırılmıştır: • Bu yöntemlerden ilkinde, dedektörde meydana gelen radyasyon hasarını belirlemeye yönelik özel olarak dizayn edilmiş bir sistem kullanılmaktadır. Bu sistemde, özel bir UV lazer sistemi yardımı ile her dedektör kanalının sinyalindeki düşüş belirlenerek, kalibrasyon sabitleri elde edilmektedir. Bu sabitler kullanılarak ise, 2012 yılında 1. ve 7. katmanlar için, bir radyasyon modeli üretilmiştir. Bu modelde, sintilatördeki ışık kaybı HE’nin her bir tablasına uygulanan belirli parametreler ile birlikte eksponansiyel bir azalma fonksiyonu ile temsil edilmektedir. 2012-2016 yılları için bu model ve gerçek verilerden alınan sonuçların grafiği Şekil 4.2’de verilmektedir [52]. Koyu noktalar lazer verilerini gösterirken sürekli çizgi ise veriye uygulanan üstel fit fonksiyonunu göstermektedir. Şekilde görülen ışık geçirgenliği parametresi (D), eksponansiyel fonksiyonun düzeltme sabitidir [33]. Bu çalışma için kullanılan radyasyon hasarı modelinde, HE’deki her bir kulenin plastik sintilatörlerinin maruz kaldığı radyasyon hasarı ve sintilatörlerden fotodedektörlere giden ışığın azalma oranı saptanmıştır. 44 Şekil 4.2: Lazer sistemi ile alınan HE radyasyon hasarı katsayıları (Katman 1). • Tez kapsamında da kullanılan ikinci yöntem, çapraz doğrulama yapılabilmesi için çarpışma verilerinden yararlanılarak gerçekleştirilen radyasyon hasarı çalışmalarıdır. İlk olarak yine 2012 yılında, daha sonra 2015 yılında gerçekleşen bu çalışmalarda lazer verileri ile alınan sonuçların doğruluğu test edilmiştir. LHC, 2016 yılının Ekim ayının sonunda, aynı yılın Mayıs ayında başlayan RunII protonproton çarpışma veri alımına son verilmesi ile birlikte toplamda 41f b−1 luminozite değerinde veri üretmiştir. Şekil 4.3’de hem CMS tarafından kaydedilen hem de LHC tarafından sağlanmış toplam luminozite değerleri grafiği gösterilmektedir. 45 Şekil 4.3: 2016 yılı CMS dedektörü tarafından kaydedilen toplam luminozite. Bu bağlamda 2016 veri alım süreci boyunca, belirli olay seçimlerinin kullanılmasıyla kalorimetre kanallarındaki enerji birikiminin zamana bağlı karşılaştırması yapılarak, dedektörde meydana gelen radyasyon hasarı saptanmıştır. İlk aşama olarak çarpışma verilerinin Bölüm 4.1.3’de anlatılan GRID sisteminde kaydolmasının ardından, radyasyon hasarının olmadığı öngörülen ve Şekil 4.3’de 1f b−1 luminozite değerine karşılık gelen referans periyodu seçilmiştir. 2016 yılı içerisinde dedektör kanallarında depolanan enerjinin periyotlar halinde karşılaştırılabilmesi için belirlenen ∼ 2f b−1 ’lık veriye karşılık gelen zaman aralıkları içinden, toplanan luminozite ∼ 0, 5f b−1 olacak şekilde run1 aralıkları seçilmiştir. Bu periyotlara ait gün ve seçilen run aralıkları ile bunlara karşılık gelen luminozite ile o zamana kadar elde edilen toplam luminozite miktarları Tablo 4.1’da gösterilmektedir. 1 Veri toplama sürecinin başlangıcı ile bitişi sürecine verilen addır. 46 Periyot numarası Gün Aralığı Run Aralığı 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 28-31 Mayıs 1-3 Haziran 14-15 Haziran 20 Haziran 28-29 Haziran 5-6 Temmuz 10-11 Temmuz 15-16 Temmuz 20-21 Temmuz 24-25 Temmuz 8-10 Ağustos 14-16 Ağustos 27-29 Ağustos 3-4 Eylül 7-9 Eylül 26-27 Eylül 9-10 Ekim 17-18 Ekim 24-25 Ekim 26-27 Ekim 274159-274251 274316-274387 275059-275125 275375-275376 275847-275931 276384-276454 276544-276587 276831-276834 277071-277094 277194-277420 278406-278509 278822-278957 279684-279715 279966-280017 280251-280383 281639-281707 282735-282814 283359-283416 283885-283934 283964-284044 Anılan run aralığına LHC’nin sağladığı dair toplam (o zamana kadar) −1 Luminozite(f b ) toplam Luminozite(f b−1 ) ~0.535 ~1.0 ~0.536 ~2.0 ~0.547 ~4.0 ~0.498 ~6.0 ~0.533 ~9.0 ~0.503 ~11.0 ~0.541 ~13.0 ~0.477 ~15.0 ~0.461 ~17.0 ~0.582 ~19.0 ~0.571 ~22.0 ~0.524 ~24.0 ~0.594 ~26.0 ~0.598 ~29.0 ~0.549 ~31.0 ~0.654 ~33.0 ~0.684 ~35.0 ~0.554 ~37.0 ~0.601 ~39.0 ~0.50 ~41.0 Tablo 4.1: Analizde kullanılan veri aralıklarının özellikleri Başlangıçta belirlenen referans periyoduna göre yapılan bu karşılaştırma, zaman içinde seçilen her bir aralığın sisteme ait birçok özelliğinin hemen hemen eşit koşullarda olmasını gerektirmektedir. Bu nedenle, olay sayısını belirleyen parametre olan luminozite değerleri eşit olarak ayarlanmıştır. Buna ek olarak, kanallarda biriken enerji miktarının, belirlenen periyotlarda aynı olaylardan kaynaklı olması gerekliliği, analiz sürecinde belirli veri seti ile çeşitli olay ve tetik seçimleri yapılmasının nedenidir. 4.2.1.Analizde Kullanılan Veri Setleri CMS deneyinde, müon yapılandırma sisteminin son derece gelişmiş olması nedeniyle, iki müondan Z bozonu üretimi olayları çok iyi şekilde seçilebilmektedir. Bu nedenle analizde Z −→ µ− µ+ süreci olayları üzerine yoğunlaşılarak İkili Müon Prompt Reco setleri (Tablo 4.2) seçilmiştir. Bölüm 3.2.7’de anlatıldığı üzere, L1 ve HLT tetiklerinden geçen olaylar, DQM sistemine iletilmesinin ardından, yine bu sistem aracılığı ile hem online hem de offline olarak kontrol edilmektedir. Yapılan bu kontrollerden sonra, kaydedilen verinin alt sistemler de göz önüne alınarak her bir luminozite bölgeleri kontrol edilip, fizik için uygunluğuna bakılmaktadır. 47 /DoubleMuon/Run2016B-PromptReco-v2/RECO /DoubleMuon/Run2016C-PromptReco-v2/RECO /DoubleMuon/Run2016D-PromptReco-v2/RECO /DoubleMuon/Run2016E-PromptReco-v2/RECO /DoubleMuon/Run2016F-PromptReco-v1/RECO /DoubleMuon/Run2016G-PromptReco-v1/RECO /DoubleMuon/Run2016H-PromptReco-v2/RECO Tablo 4.2: Analizde kullanılan veri setleri. Bunun sonucu olarak, analizlerde sağlıklı olayların kullanılabilmesi için, Java Script Object Notation (JSON) dosyası belirlenen run aralığında, “iyi” olarak adlandırılan luminozite bölgelerini içerecek şekilde oluşturulur2 . 4.2.2.HLT Seçimi ve Olay Seçimleri Bölüm 3.2.7’de anlatıldığı üzere, tetikleme LHC’de büyük öneme sahiptir. Bu sebeple yapılan hesaplamalar, veri toplama süreci boyunca izlenmesi gereken istikrarlı bir tetikleme seçimi gerektirmektedir. Yapılan araştırmalar doğrultusunda 2016 verileri için ikili müon tetiği (HLT Mu17 TrkIsoVVL TkMu8 TrkIsoVVL) kullanılması öngörülmüştür. Adından da anlaşıldığı üzere bu tetik, ilk aşamda iki müonlu olaylarının meydana gelmesi durumunda devreye girmektedir. Tetikten geçen olaylarda kullanılan müonlar için bir ön seçim uygulanması gerekmektedir. Bunun nedeni, kullanılan verilerin içinden hedefe uygun bir aralık seçilip, arda kalan verilerin analizde kullanılmaması ve Z −→ µ− µ+ üretiminin gerçekleştiği olayların yüksek oranda seçilmeye çalışılmasıdır. Bu bağlamda, • ilk müonun enine momentumuna 12 GeV ve ikinci müonun enine momentumuna 10 GeV, • ikili müon sisteminin invaryant kütlesine 40 GeV, • seçilen müonların çoğunlukla Z bozon üretimi sürecinde kullanılması gerekliliği doğrultusunda, her müon için izleyici izolasyon enine momentumuna 5 GeV, ön seçimleri uygulanmıştır. Kullanılan HLT yolunun ve ön seçimlerin tutarlılığı, ikili müon sistemindeki kinematik değişkenlerin periyotlar arasındaki değişiminin karşılaştırılmasıyla anlaşılabilir. Şekil 4.4’ de bazı periyotlar için ikili müon kütle dağılım ve ikili müon enine momentum grafikleri ile 2 Bu analizlerde kullanılan JSON dosyası: https://cms-service-dqm.web.cern.ch/cms-service-dqm/CAF/certification/Collisions16/13TeV/Cert_271036284044_13TeV_PromptReco_Collisions16_JSON_NoL1T.txt linkindedir. 48 birlikte bu niceliklerin ilk periyoda göre normalize edilmiş grafikleri verilmiştir. İlk histogramdan görüleceği üzere, uygulanan 40 GeV ön seçimi oldukça tutarlıdır zira bundan düşük değerlerde, ilk periyoda normalize edilmiş grafiklerde bazı sapmalar görülmektedir. Şekil 4.4: İkili müonun kütlesi (üst) ve enine momentumu (alt). Şekil 4.5’de ise, birincil ve pozitif tarafta beliren müonlar için, pseudorapidite (η), azimutal açı (ϕ) ve enine momentum (pt ) niceliklerinin olay sayısına göre değişimi verilmektedir. Bu grafiklerden görülebileceği gibi, birincil müonun dedektörde belirdiği η aralığı zaman içinde büyük bir değişime uğramamasına karşın, enine momentumun bağımlılığında yaklaşık 10 GeV’den düşük değerler öncesinde önce bazı tutarsızlıklar vardır. 49 Şekil 4.5: Birincil müonun kinematik değişkenlerinin özellikleri. 4.2.3.HE Kanallarında Depolanan Enerjinin Hesabı Bölüm 3.2.5.2’de detaylı şekilde anlatılan HE kalorimetresinde, herbir derinlik için okuma kanalları iη parametresi ile verilmektedir. HE kalorimetresinde toplamda 16 ile 29 arasında numaralandırılmış 14 tane okuma kanalı bulunmaktadır. Her bir iη kanalı ve dedektör derinliği için kanallarda depolanan enerji, RecHit3 spektrumunun integrasyonu ile hesaplanmaktadır. Hesaplama sırasında, dedektörde istenmeyen olayların yarattığı arka plan olaylarını ve elektroniklerden kaynaklı gürültü sinyallerini elemek için Emin = 4GeV enerji eşiği; yüksek enerjili olayları önlemek için ise Emax = 200GeV değeri üst sınır olarak seçilmiştir. Her bir veri aralığı için, ”ratio” olarak adlandırılan radyasyon hasarı faktörü R(n), seçilen periyotta, HE kanallarındaki Rechit enerji toplamının, ilk periyottaki enerji toplamına oranından hesaplanmaktadır (4.1). 3 Her bir okuma kanalındaki yapılandırılmış enerji değeri. 50 R(n) = Eave (n) Eave (1) (4.1) Burada , Eave (n) olarak verilen nicelik, Eave (n) = Etot (n, iη, d, Emin , P U ) Nevt (n, P U ) (4.2) şeklinde tanımlanmaktadır. Bu enerji değeri, her d derinliğinde bulunan her dedektör kanalı (iη) için, Emin eşik enerji seviyesi göz önünde bulundurularak, her bir pile-up (PU)4 aralığı için ayrı ayrı hesaplanmıştır. Enerji integrasyonu hesabının her PU aralığı için yapılmasının başlıca nedeni, dedektörde gerçekleşen olay sayısının zaman içinde değişikliklere uğramasıdır. Bu yöntem ile belirlenen aralıklarda gerçekleşen olaylar periyotlar arasında ayrı ayrı karşılaştırıldığında, PU bağımlılığı en aza indirilmiş bulunmaktadır. Analiz sırasında, RecHit enerji integrasyonunda; 10-30 PU aralığı ikişerli olarak bölünmüş ve her aralık için ayrı ayrı hesaplanmış, her iη halkası ve her bir dedektör derinliği için, enerji oranlarının dağılımı PU değerinin bir fonksiyonu olarak çizilerek, 16-26 aralığında doğrusal fonksiyon ile fit edilmiştir. Bir sonraki aşamada radyasyon hasarı oranının elde edebilebilmesi için bu fit fonksiyonundan hareketle, 24 PU değerine karşılık gelen oran kullanılmıştır. Seçilen fit aralığı ve oran hesabı yapılırken, periyotlar arasında olay istatistiğinin hangi aralıklarda ortak olarak yüksek olduğu göz önüne alınmıştır. Şekil 4.6’de bu fit örneklerinin 18f b−1 periyoduna denk gelen sonuçları bulunmaktadır. 4 Her bir proton kümesi çarpışması başına düşen ortalama etkileşme sayısı. 51 Şekil 4.6: Derinlik-1’de radyasyon hasar faktörlerinin elde edilmesi için kullanılan fit grafikleri. Ancak yıl sonuna doğru LHC’de üretilen anlık luminozite değerinin artmasından kaynaklı olarak, Şekil 4.7’de görüldüğü üzere gerçekleşen olayların PU aralıklarında birinci periyodun değerlerine göre değişimler olmuştur. Şekil 4.7’de birinci periyottan başlayarak ondokuzuncu periyoda kadar PU değerinin olay sayısınına göre olan grafiği verilmiştir. Bazı periyotlarda PU aralıklarına göre olay sıklığı, birinci periyodun olay sıklığına göre oldukça farklıdır. Şekil 4.7’da verildiği üzere PU değerlerinde olan değişimler sonucunda, kullanılan metodu geliştirmek için enerji oranlarının belirlenmesi sürecinde bir değişikliğe gidilmiştir. Bu metodda, RecHit enerji integrasyon değeleri, PU değerlerinin fonksiyonu olarak çizildikten sonra, her bir periyot için farklı aralıklar belirlenip bir doğrusal fonksiyon ile fit edilerek, 24 PU değerinde enerji değerleri elde edilip daha sonra ilk periyottan alınan değerler ile oranına bakılmıştır. Bu metoda ait fit grafikler, periyot 11 için Şekil 4.8’de verilmektedir. 52 Şekil 4.7: Belirlenen periyotlar (sırasıyla 1’den 19’a kadar) için pile-up grafikleri. 53 Şekil 4.8: Derinlik-1 kanalları için ikinci yöntem kullanılarak yapılan fit grafiği (mavi noktalar referans periyodunu, siyah noktalar ise 11. periyodun enerji integrasyon değerlerini göstermektedir). Radyasyon hasarı katsayılarının belirlenmesinden önce, radyasyon hasarı kalibrasyonu çalışması yapılması gerekir. Bunun nedeni, elde edilen katsayıların, gerçekten beklenen değerlere yaklaştırılmasıdır. Bu bağlamda, doğrusallık düzeltmesi olarak adlandırılan çalışma, R’nin ölçülen değerlerine, Rtrue = a(iη)[Rmeas − 1] + 1 54 (4.3) formülü kullanılarak uygulanır. Burada kalibrasyon katsayıları, R değerinin elde edildiği PU değerine, bu değerin çıkarıldığı enerji eşik değerine ve fitin uygulandığı PU aralığına bağlıdır ve R değerinin PU ve eşik enerji değerine bağımlılığını doğrusal bir fonksiyona yaklaştırılarak telafi etmektedir. Bu faktörler, radyasyon hasarının teorik olarak beklenmediği referans periyoduna uygulanır. Başlangıçta, referans olarak seçilen periodun kalorimetre halkalarındaki enerjileri, Rtrue 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 0,98 1,072 1,05 değerleri ile ölçeklendirilerek, Rmeas değerinin orijinal enerji dağılımlarına göre, yukarıda açıklanan süreç tekrarlanarak radyasyon hasarı oranları çıkartılır. Sonrasında, her dedektör halkası ve her dedektör derinliği için, Rtrue değerine karşı Rmeas dağılımlarına, Denklem 4.3 kullanılarak fit uygulanır ve katsayı faktörleri a(iη) çıkartılır. Elde edilen bu faktörler, bir önceki aşamada saptanan radyasyon hasarı oranlarına uygulanır. Şekil 4.9: HE’de, Derinlik-1-2-3 kanalları için doğrusallık düzeltmeleri. 55 Her dedektör derinliğine (Derinlik 1-2-3 ) ait her kanal için, bu fit grafikleri Şekil 4.9’de verilmektedir. Bu faktörlerin değerleri sırasıyla Derinlik-1 iη17 − iη29 kanalları için; 0, 469975 − 0, 43265−0, 423642−0, 414052−0, 427392−437392−0, 437042−0, 434626−0, 452791− 0, 454947−0, 433318−0, 439376, Derinlik-2 iη18−iη29 kanalları için; 0, 469975−0, 445101− 0, 456835−0, 468548−0, 463545−0, 480727−0, 477257−0, 4718−0, 47994−0, 435633− 0, 423088 − 0, 41996 ve Derinlik-3 iη16, iη27, iη28 kanalları için; 0, 433104 − 0, 470368 − 0, 496905 olarak hesaplanmıştır. 56 5.BULGULAR Bu bölümde, Bölüm 4.2.3’de anlatılan iki farklı yöntem kullanılarak, her iη kanalı ve derinlik için hesaplanan radyasyon hasarı katsayıları gösterilmiştir. Bu temsillerde, uygulanan metoda göre C++ dilinde yazılmış analiz kodu kullanılmış, bu kodun GRID sistemi (Bölüm 4.1.3) üzerinden çalıştırılması sonucunda elde edilen enerji histogramları ROOT yazılım çerçevesinde işlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, yapılan güvenilirlik testi doğrultusunda irdelenmiştir. A- Radyasyon Hasarı Katsayıları: Bu çalışma sonucunda elde edilen bulgular Şekil 5.1-5.3 doğrultusunda değerlendirilmiştir: • İlk metot kapsamında elde edilen radyasyon hasarı katsayılarının, veri alım süresi boyunca (2016 yılı) kaydedilen toplam luminozitenin bir fonksiyonu olarak dağılımının verildiği Şekil 5.1’den görüldüğü üzere, son periyotlarda ve genel olarak Derinlik-2 kanallarındaki düşük istatistikten kaynaklı olarak, hata barları oldukça büyük çıkmaktadır. Bunun sebebi, Bölüm 4.2.3’de anlatılan, periyotlar arasında PU dağılımlarının farklılık göstermesidir. • Diğer taraftan ikinci metodun kullanılması beklenildiği gibi daha hassas sonuçlara yol açmaktadır (Şekil 5.2). • Bunların yanı sıra, radyasyon hasarı katsayılarında 13f b−1 luminozite değerinde gözlenen ani bir düşüşün sebebinin, uzunca bir süre araştırıldıktan sonra, parçacıkların yeniden yapılandırma sürecindeki bir takım değişiklikler olduğu ortaya çıkmıştır. Bu beklenmedik davranışın önlenmesi ve sonuçların bu durumdan çok etkilenmemesi için, radyasyon hasarının düşük olduğu kanala normalizasyon yapılması çözümü gündeme gelmiştir. Bu bağlamda en iyi sonucun alınabilmesi için iki farklı deneme yapılmıştır: – Birincisinde, Derinlik-2 iη18, iη19 ve iη20 kanallarının ortalaması alınarak, – İkincisinde doğrudan Derinlik-3 iη16 kanalının kullanılmasıyla yapılan normalizasyonla alınan sonuçların ardından, HE dedektörünün geometrisinden kaynaklı olarak, Derinlik-2 kanallarındaki radyasyon hasarının Derinlik-3’e göre daha yüksek olmasından dolayı, normalizasyon işleminin Derinlik-3 iη16 kanalı ile yapılması gerektiği ortaya çıkmıştır. Bu doğrultuda normalizasyon işlemi, doğrusallık düzeltmeleri gerçekleştirilmeden önce uygulanmış ve daha sonra düzeltmeler yapılarak radyasyon hasarı katsayıları elde edilmiştir. Şekil 5.3 iη16 Derinlik-3 kanalına göre normalize edilmiş sonuçları göstermektedir. 57 Şekil 5.1: Doğrusallık düzeltmelerinin uygulanmadığı (sol) ve uygulandığı (sağ) durumlarda ilk metodun kullanılmasıyla elde edilen sonuçlar. 58 Şekil 5.2: Doğrusallık düzeltmelerinin uygulanmadığı (sol) ve uygulandığı (sağ) durumlarda ikinci metodun kullanılmasıyla elde edilen sonuçlar. 59 Şekil 5.3: Doğrusallık düzeltmelerinin uygulanmadığı (sol) ve uygulandığı (sağ) durumlarda ikinci metodun kullanılmasıyla, Derinlik-3 iη16 kanalına normalize edilmiş sonuçlar. 60 B- Güvenilirlik Testi Elde edilen sonuçların doğruluğunun kontolü için ”güvenilirlik testi” olarak adlandırılabilecek bir çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada, 35f b−1 ve 41f b−1 lüminozite değerlerine karşılık gelen periyotların enerji değerleri, normalizasyon işleminden sonra elde edilen radyasyon hasarı katsayıları ile ölçeklendirilerek, yukarıda anlatılan ikinci metot yardımıyla tekrar hesaplanmıştır. Bu testin sonucunda beklendiği üzere, Derinlik-1 ve Derinlik-2 için Şekil 5.4 ile verilen sonuçlar, 1 değerine yakın çıkmıştır. Elde edilen bulgular, hesaplanan radyasyon hasarı katsayılarının doğruluğunu kanıtlar niteliktedir. Şekil 5.4: Güvenilirlik testinin çıktıları. 61 6.DEĞERLENDİRME VE SONUÇ Deneysel yüksek enerji fiziğinde hızlandırıcılar kapsamındaki çarpışmaların sonucunda parçacıkların dedektörün aktif materyali ile etkileşimi doğrultusunda ortaya çıkan radyasyon hasarının tespiti ve elde edilen verilerin dedektörün ilgili kısımlarına uygulanarak, bir tür kalibrasyon yapılması fizik analizlerinin güvenilirliği açısından oldukça büyük öneme sahiptir. Evrensel düzeydeki pek çok merkezde farklı dedektör farklı dedektör performansı geliştirme çalışmaları yapılmaktadır. CERN’de uzun yıllardır amaca hizmet eden uluslararası platformlardan birisidir. 2009 yılı ve sonrasında sürdürülmekte olan proton-proton çarpışmaları çerçevesinde, LHC-CMS deneyi düzeneklerinden HCAL’ın alt dedektörü olan HE’nin, dedektördeki konumu nedeniyle yüksek radyasyon seviyelerine maruz kaldığı bilinmekte ve bu hasarın saptanması konusundaki çalışmalar devam etmektedir. Radyasyonun yarattığı hasarın HE’de oluşturduğu performans kaybı iki farklı yöntem ile araştırılmaktadır. Bu tez kapsamında, proton-proton çarpışma verilerinin kullanıldığı ikinci yöntem doğrultusunda araştırmalar yapılmıştır. 2016 yılı süresince meydana gelen hasarın tespitinde temel olarak dedektörün demet eksenine göre kanalların konumlarını veren derinlik parametresi ile dedektörde depo edilen enerji değerlerinin zaman içindeki değişimi incelenmiştir. Bu doğrultuda; • Zaman içindeki enerji değerlerinin karşılaştırılması yapılırken kullanılacak verilerin aynı koşullar çerçevesinde ele alınmasının öneminden hareketle, iki müondan Z bozon (µ + µ → Z) oluşumu olaylarının seçilimini sağlayan özel bir tetikleyici seçilmiştir. Bununla beraber elde edilen tek müon ve ikili müon kinematik özelliklerinden yola çıkarak, bu özelliklere belirli ön seçimler uygulanmıştır. • Dedektörde depolanan enerji değerlerinin incelenmesinde gerçekleşen olayların sayılarının önemli olması, her PU aralığının kendi içinde değerlendirilmesini gerektirmiş ve bu grafiklere uygulanan fit ile PU etkisi minimuma indirilmek istenmiştir. Fakat LHC’nin zaman içinde daha yüksek luminozite değerlerine çıkması nedeniyle, PU değerlerinde ortaya çıkan yükseliş, uygulanan yöntemde küçük bir değişikliğe gidilmesine ve bu doğrultuda daha iyi sonuçların alınmasına yardımcı olmuştur. • Radyasyon hasarı belirleme aşamasında bir diğer yöntem olan lazer kalibrasyon yönteminden alınan sonuçlar online olarak dedektörden alınan verilere uygulandığı için, analiz boyunca her düzeltme aşamasında bu faktörler belirlenerek, histogramların üretilme aşamasında enerji değerlerine düzeltme olarak yansıtılmıştır. • Analiz süresince elde edilen bulgulardan görüldüğü üzere, ∼ 10f b−1 luminozite değerinde görülen düşüş nedeniyle sonuçları başka bir kanala normalize etme gerekliliği 62 doğmuştur. Bu sebeple sonuçlar, radyasyon hasarnının en düşük olduğu Derinlik 3 iη16 kanalının değerlerine bölünmüştür. • Son bir aşama olarak ise elde edilen faktörleri gerçek değerlerine yakınlaştırmak için radyasyon hasar değerlerine doğrusallık düzeltmesi yapılmıştır. Bu çalışma doğrultusunda referans periyodu enerji değerlerine uygulanan belirli faktörler ile elde edilen enerji değerleri arasındaki fark incelenerek ilgili düzeltme katsayıları elde edilmiştir. HE dedektöründe her derinlik kanalı için radyasyon hasarı faktörleri hesaplanmış ve Sonuç olarak; • Yukarda özetlenen analizler ve HCAL performans grubuna takdim edilen sonuçlara göre, HE dedektörünün okuma kanallarının proton demetine göre konumlanmasından kaynaklı en yüksek hasarın iη28 Derinlik-1 kanalında olduğu, kanal numarası küçüldükçe radyasyon hasarının azaldığı ve diğer derinlik kanallarında Derinlik-1’e göre daha az radyasyon hasarı gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuç beklenen sonuçlarla örtüşmektedir. 63 KAYNAKLAR [1] Boz, M., Modern Fizik Biliminin Gelişim Serüveni: Fizikçi Gözüyle Evren, Dünya, Yaşam ve Zamana Dair’den, Mikro Evrenin Standart Modeli’ne, Bilim ve Ütopya, N. K. Pak–Özel Kapak Dosyası, Mart 2016. [2] Pak, N. K., Boz, M., Kuantum Fiziği, ODTÜ Fizik Bölümü , 13 Nisan 2013. [3] Pak, N. K., Yoğunlaştırılmış Kuantum Ayar Alan Teorisi Atölye Çalışması, Hacettepe Üniversitesi, Fizik Mühendisliği Bölümü, Mart-Haziran, 2014. [4] Pak, N. K., Mikroevrenin Standart Modeli ve Süpersimetri, Bilim ve Ütopya, 167, 22– 31, Mayıs, 2008. [5] Pak, N. K., Higgs Bulundu, Bilim ve Ütopya, 218, 60–67, Mayıs 2012. [6] CMS Collaboration, Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC, Phys. Lett. B 716 30, 2012. [7] Riegler, W., Particle Physics Instrumentation,CERN, Geneva, Switzerland,CERN, Geneva, Switzerland, 2014. [8] Flakus, F.N., Detecting and measuring ionizing radiation - a short history, IAEA BULLETIN, VOL 23, No 4. [9] Knoll, G.F., Radiation Detection and Measurement , 3rd edition, John Wiley & Sons Inc., New York, 1999. [10] Grupen, C. and Shwartz, B., Particle Detectors, 2 nd Edition , Cambridge University Press, 2008. [11] Particle Data Group PDG, Passage of particles through matter, Nuclear and Particle Physics, vol. 33, no. 27, pp. 258-270, July 20 [12] Lohmann, W., Kopp, R. & Voss, R., Energy Loss of Muons in the Energy Range 1 – 10.000 GeV , CERN-85-03, 1985. [13] Zschornack, G., Handbook of X-ray Data, Springer, 2007. [14] Cherenkov, P. A., Visible radiation produced by electrons moving in a medium with velocities exceeding that of light, Phys. Rev. , 52:378–379, Aug 1937. [15] Heaviside, O., On the electromagnetic effects due to the motion of electrification through a dielectric, Philosophical Magazine Series 5. 27 (167): 324.,London, 1889. 64 [16] Zorn, C., Plastic and liquid organic scintillators , in Instrumentation in High Energy Physics , 2nd Edition, F. Sauli ed., chapter 4, pp. 218–279, World Scientific, 1993. [17] Frank, I., & Tamm, I., Coherent visible radiation from fast electrons passing through matter, C. R. Acad. Sci. USSR , 14:109–114, 1937. [18] Jelley, J. V., Cherenkov Radiation and its Applications , Pergamon Press, London/New York, 1958. [19] Sellmeier, W., Zur Erkl � arung der abnormen Farbenfolge im Spectrum einiger Substanzen. Annalen der Physik und Chemie , 219:272–282, February 1871. [20] Polyanskiy, M. N., Refractive index database, http://refractiveindex.in. [21] Mavromanolakis, G., Quartz fiber calorimetry and calorimeters , arXiv: physics/0412123v1, 2004. [22] Ahmed, S. N., Physics & Engineering of Radiation Detection, Elsevier, 2007. [23] Forster, T., Zwischenmolekulare Energiewanderung und Fluoreszenz, Ann. Phys. 2, 1948. [24] Wick, K., Paul, D., Schröder, P., Stieber, V., and Bicken, B., Recovery and dose rate dependence of radiation damage in scintillators, wavelength shifters and light guides, Nucl. Instr. and Meth. A , 61 , 472–486, 1991. [25] Majewski, S., Radiation Damage in Plastic Scintillators, Proceedings of the Workshop on Calorimetry for the Supercollider, ed. M.G.D. Gilchriese, World Scientific, Singapore, pp. 451-485., 1990. [26] Young, K.G., et al. Effects of radiation on scintillating fiber performance., IEEE Trans. Nucl. Sci., 40 (4), 461–465, 1993. [27] Bross, A.D., and Pla-Dalmau, A., Radiation damage of plastic scintillators , IEEE Trans. Nucl. Sci.39 1199, 1992. [28] Holm, U., and Wick, K., Radiation Stability of Plastic Scintillators and Wave Length Shifters,IEEE Trans. Nucl. Sci.36 579, 1989. [29] Schonbacher, H., and Witzeling, W., Degradation of acrylic scintillator and wavelengthshifter material by nuclear radiation, Nucl. Instr. Meth,165, 1979. [30] Marini, G., et al., Radiation Damage to Organic Scintillation Materials, CERN report 85-08, 1985. [31] Wick, K, et al., Nucl. Instr. Meth. A277, 1989. 65 [32] Bicken, B. et al., Recovery and permanent radiation damage of plastic scintillators at different dose rates , IEEE Trans.Nucl.Sci. 36 188.,(1991) [33] CMS HCAL collaboration, Dose rate effects in the radiation damage of the plastic scintillators of the CMS Hadron Endcap Calorimeter, JINST 11 T10004 [1608.07267], 2016. [34] Busjan,W., Wick, K., and Zoufal, T., Shortlived absorption centers in plastic scintillators and their influence on the fluorescence light yield , Nucl. Instrum. Meth. B 152 89, 1999. [35] Seguchi, T., Hashimoto, S., Arakawa, K., Hayakawa, N., Kawakami, W., and Kuriyama, I., Radiation induced oxidative degradation of polymers — I: Oxidation region in polymer films irradiated in oxygen under pressure , Radiat. Phys. Chem. 17, 1981. [36] Brüning, O., S., Collier, P., et. al., LHC Design Report, CERN, Geneva, 2004. [37] C. Lef‘evre, The CERN accelerator complex. Complexe des acc ́el ́erateurs du CERN, CERN, Geneva, 2008. [38] Evansand, L., Bryant, P., LHC Machine, JINST, 3 S08001, 2008. [39] https://home.cern/cern-people/updates/2016/10/lhc-report-end-2016-proton-protonoperation [40] CMS Collaboration, Technical proposal. CERN, Geneva, 1994. [41] ATLAS Collaboration, ATLAS: technical proposal for a general-purpose pp experiment at the Large Hadron Collider at CERN. CERN, Geneva, 1994. [42] LHCb Collaboration, LHCb : Technical Proposal, CERN, Geneva, 1998. [43] ALICE Collaboration, ALICE: Technical proposal for a Large Ion collider Experiment at the CERN LHC. CERN, Geneva, 1995. [44] CMS Collaboration, The CMS experiment at the CERN LHC, JINST 3 S08004, 2008. [45] CMS Collaboration, The Magnet Project Technical Design Report, CERN-LHCC-9710 , May 1997. [46] CMS Collaboration, Tracker Technical Design Report, CERN-LHCC-98-006, CMSTDR-5 , 15 Apr 1998. [47] CMS Collaboration, The Electromagnetic Calorimeter Technical Design Report, CMS TDR 4 , 15 Dec 1997. 66 [48] CMS Collaboration, The CMS hadron calorimeter project: Technical Design Report. Technical Design Report CMS. CERN, Geneva, 1997. [49] ROOT, https://root.cern.ch/. [50] CMSSW Reference Manual, http://cmssdt.cern.ch/SDT/doxygen/. [51] CERN, The Grid: A system of tiers, http://home.web.cern.ch/about/computing/gridsystem-tiers. [52] CMS Collaboration, Measurement of Radiation Damage of HCAL Endcap Calorimeter (HE) using Laser data collected in Run1 (2012 data, sqrt(s)= 8 TeV) and in Run2 (2015, 2016 data, sqrt(s)=13 TeV), CMS-DP-2016/052, 2016. 67 ÖZGEÇMİŞ Kimlik Bilgileri Adı Soyadı: Merve Nazlım Ağaras Doğum Tarihi: 04.12.1990 Doğum Yeri: ANTALYA E-posta: [email protected] Adresi: Hacettepe Üniversitesi Beytepe Kampüsü Fizik Mühendisliği Bölümü 06800 Çankaya/ANKARA Eğitim Lisans: Hacettepe Üniversitesi, Fizik Mühendisliği Bölümü (2009 - 2014) Yüksek Lisans: Hacettepe Üniversitesi, Fizik Mühendisliği Bölümü (2014 - 2017) Yabancı Dil ve Düzeyi: İngilizce İş Deneyimi: Araştırmacı, CERN (2015-) Araştırma Görevlisi, Hacettepe Üniversitesi, Fizik Mühendisliği Bölümü (2016 - ) Deneyim Alanları: Deneysel Yüksek Enerji Fiziği, Dedektör Fiziği. Tezden Üretilmiş Projeler ve Bütçesi: Tezden Üretilmiş Yayınlar: Hazırlık sürecinde olan CMS Internal Note: CMS Collaboration,HCAL Calibration in 2016,CMS-DP-2017/017, https://twiki.cern.ch /twiki/bin/view/CMSPublic/HcalDPGResultsCMSDPS2017017, 2017. M. N. Agaras, R. Ciesielski, J. Damgov, A. Steppenov, V. Gavrilov, I. Vodopiyanov, Measurements of radiation damage of HCAL calorimeters with 2012 and 2016 collisions data, CMS DN-17-007, 2017. Tezden Üretilmiş Tebliğ ve/veya Poster Sunumu ile Katıldığı Toplantılar: HE Raddam with Collision Data, HCAL Calibration, 20 Mayıs 2016, CERN. HE Radiation Damage Study with Data, HCAL DPG Meeting, 5 Ağustos 2016, CERN. 68 HE Radiation Damage with Collision Data, HCAL Calibration, 12 Ağustos 2016, CERN. HE Raddam Studies Based on Collision Data, HCAL DPG Meeting, 2 Eylül 2016, CERN. HE Raddam with Data, HCAL Calibration, 23 Eylül 2016, CERN. HE Raddam, HCAL Calibration, 21 Ekim 2016, CERN. HE Radiation Damage Study, HCAL DPG Meeting, 28 Ekim 2016, CERN. HE Radiation Damage with Collision Data, HCAL DPG Meeting, 4 Kasım 2016, CERN. 69
