Parçacık Fabrikalarında Fizik: B-Kuarklı ve C-Kuarklı Mezonlar Çalıştayı, Mart 2012, HTE, Ankara

Transkript

1 Parçacık Fabrikalarında Fizik: B-Kuarklı ve C-Kuarklı Mezonlar Çalıştayı, Mart 2012, HTE, Ankara

2 ANA BAŞLIKLAR Parçacık Fabrikaları D Mezon Üretim Süreçleri Olay Üreticileri Olayların Analizi Tartışma ve Sonuç

3 PARÇACIK FABRİKALARI Belirli türdeki parçacıkları çok sayıda (~ 10 9 ) üretmek ve onların özelliklerini analiz etmek için tasarlanmış çarpıştırıcı bazlı bilimsel makinalardır. Fabrikalar, dikkate değer olayların verimli biçimde teşhis edilebilmesi için, operasyonun her saniyesinde milyonlarca çarpışmayı sınıflandırırlar.

4 ENERJİ ÖNCÜSÜ VE IŞINLIK ÖNCÜSÜ PARÇACIK FABRİKALARI THM(PF) DAFNE (Frascati) K mezon Fabrikası Demet Enerjisi E = 0.7 GeV Işınlık = 4.5 x cm -2 s -1 VEPP 2000 (Novosibirsk) Baryon /Mezon Fabrikası Demet Enerjisi E = 1 GeV Işınlık = 1 x cm -2 s -1 VEPP 4M (Novosibirsk) Baryon /Mezon Fabrikası Demet Enerjisi E = 6 GeV Işınlık = 2 x cm -2 s -1 BEPC II (Çin), D mezon Fabrikası (BES III) Demet Enerjisi E = 1.89 GeV Işınlık = 3.3x cm -2 s -1 KEKB (KEK), B Mezon Fabrikası (Belle) Demet Enerjisi Ee- = 8.33 GeV, Ee+=3.64 GeV Işınlık = 2.1x cm -2 s -1

5 1-100 GEV ARASINDAKİ PARÇACIK FABRİKALARI Yandaki şekil, bazı önemli parçacıkların üretimi için eşik değerini içeren, geniş bir enerji aralığı üzerinden, elektron pozitron çarpıştırıcıların sağladığı parçacık üretimlerinde (ışınlık) piklerin nasıl oluştuğu göstermektedir. Parçacık fabrikaları bu eşik bölgelerinin her birinde çok sayıda parçacıklar üretecektir. Tau-Charm Fabrikası Phi Fabrikası B Fabrikası Z Fabrikası Boost parametreleri: KEKB(Japonya) bg =0.425 PEP-II(Amerika) bg =0.56 THM PF(Türkiye) bg =0.68

6 B FABRİKASI B-fabrikaları, çok sayıda B-mezonu (b kuarklı mezon) oluşturarak ve analiz ederek, evrenin ilk zamanlarındaki koşulları keşfetmek için çalışan bilimsel makinelerdir. B fabrikalarının başka bir rolü de, evrende maddenin baskın olmasının ve karşıtmadde bulunmamasının sebebini anlamak için, B-mezonları ve karşı parçacıklarının arasındaki farkları araştırmaktır. B fabrikalarından bazıları: Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi'ndeki (SLAC) PEP-II çarpıştırıcısı ve BaBar dedektörü, Japonya daki KEKB çarpıştırıcısı ve Belle detektörüdür. B-fabrikaları mikroskopik dünyayı keşfederek evrenin oluşumundan sonraki ilk hallerini ortaya çıkaracaktır.

7 TAU-CHARM FABRİKASI Tau-charm fabrikası için orijinal fikir, 1987 yılında ortaya çıkmıştır. Tau-charm fabrikası, tau lepton ve tılsımlı mezonlar olarak bilinen egzotik parçacıkları seri olarak üretmek için elektron ve pozitronları çarpıştırmaktadır. Fizikçiler bunların bozunduğu parçacıkların özelliklerini incelemektedir. Tau, J/psi ve tılsımlı mezonlar yeni olmamakla birlikte, bunlar 15 yıldır farklı makinelerde çalışılmaktadır. Yeni olan ise tau-charm fabrikasının bunları çok sayıda miktarlarda üretmesidir. Tau-charm fabrikasının dedektörünün temel elemanları göstermektedir. Şekilde gösterildiği gibi her bir katman özel bir amaç için çalışmaktadır ve parçacıkların farklı tiplerini belirlemeye yardımcı olmaktadır.

8 ÖRNEK:TAU-CHARM FABRİKASI Demet Kesiti 8*440 mm2 Şekil: Tau-charm fabrikasının temel parametreleri

9 ÇALIŞMASI DURMUŞ VE ŞU ANDA ÇALIŞAN TAU-CHARM PARÇACIK FABRİKALARI 2 x cm -2 s x cm -2 s -1

10 KÜTLE MERKEZİ ENERJİSİ VE IŞINLIK P1 ve P2 momentumlu ve m1 ve m2 kütleli iki parçacığın çarpışmasında, kütle merkezi (KM) sisteminde enerjinin karesi Lorentz değişmezi nicelik s=(p1+p2)²=(e1+e2)²=4*e1*e2 ile tanımlanır, elektron demet enerjisi 1 GeV ve pozitron demet enerjisi 3.56 GeV alırsak kütle merkezi enerjisi Ecm= s=3.77 GeV olur. Etkileşme bölgesinde birim kesit alanda birim zamanda birbiriyle karşılaşan parçacık sayısı, R= s.e. L int (reaksiyon hızı)

11 NEDEN CHARM FİZİĞİ? Enerji bölgesi 3-5 GeV aralığında, elektronpozitron yokolması ile ilgili fizik oldukça ilginçtir. Özellikle, bu enerjiler iyi bilinen vektör mezonların (ccbar bağlı durumları) rezonans üretimini içerir. Bunların üretimleri ve bozunumlarını çalışmak kuarklar arasındaki etkileşme dinamiği hakkındaki bilgimizi genişletir.

12 KUARKLAR, LEPTONLAR VE KUVVET TAŞIYICI PARÇACIKLAR Hadronları oluşturan ağır kuarklar b ve c kuarklarıdır. Bu hadronlar (mezonlar / baryonlar) etkin bir şekilde algılanabilir. Yuklu zayıf akım ceşni karışımına yol acar. *PDG2010 verilerine göre güncellenmiştir.

13 D-MEZONLARIN ÜRETİMİ Elektron ve pozitron yüksek enerjilerde çarpıştıklarında yok olarak Y(ccbar) vektör mezonunu rezonansta üretirler. Bu mezon ise charm kuark içeren D mezonlarına bozunur.

14

15 OLAY ÜRETİCİLERİ MC Olay Üretimi Pythia KKMC CalcHEP

16 RASTGELE SAYI NEDİR? Monte Carlo olay üreticilerin temelinde rastgele sayı üretimi vardır. Belirli Fizik yasaları çerçevesinde bir sürecin oluşma olasılığını bu olay üreticileri ile hesaplayabiliriz. Rastgele sayı üreticisi, rastgele sayı dizisi üreten bir bilgisayar alt programıdır. Sayılar tek başlarına rastgele değildir; sadece uzun sayı dizileri rastgelelik açısından değerlendirilebilir. Rastgele bir sayı, her basamağın aynı oluş olasılığına sahip olduğu, ardışık basamakların birbirinden tamamen bağımsız oldukları bir basamaklar serisi olarak tanımlanır. Örneklendirirsek: Yazı-Tura denemeleri, Zar atma, Loto

17 OLAY ÜRETİCİSİ: PYTHIA Yüksek Enerji Fiziğinde parçacıkların çarpışması sonucu üretilen olayların simülasyonu için kullanılır. SM ve SM ötesi modellerin öngörüleri çerçevesinde 2-- >1, 2-->2, 2-->3 süreçlerinin hesaplanması ile parçacıkların bozunma ve dallanma oranı ile olay bilgisini veren bir MC olay üreticidir. Charm fabrikasında olay üretimi ile ilgili süreç doğrudan bulunmamaktadır; ancak 1 ff-->g*/z (tek üretim) ->Düşük enerjilerde iyi çalışmıyor! 12 ff-->ff (hard QCD) ->e + e - -->cc PY1ENT() ile olay üretimi örnek: parçacık tabancası PY2ENT() ile olay üretimi örnek: y(cc) bağlı durum üretimi ve sonrasında bozunum, y-->dd

18 PYTHIA CALL PY2ENT(IP,KF1,KF2, PECM) 2-parton sistemi ve 2 ayrı parçacık sistemi IP: olayda parton/parçacık satır no KF1, KF2: partonparçacık çeşni kodu PECM: Sistemin toplam enerjisi Sistem kütle merkezi çerçevesindedir. Ornek Program: IMPLICIT DOUBLE PRECISION(A-H, 0-Z) CALL PY2ENT(0,4,-4,3.8D0) CALL PYLIST(1) END

19 PYTHIA Problem PY2ENT(0,4,-4,3.8D0) NEV>269? cc sisteminin ~ eşit olasılıkla D 0 D 0 ve D + D - geçişi kararsız olmaktadır. Çözüm: PY2ENT(0,411,-411,3.8D0)! 411 D + PY2ENT(0,421,-421,3.8D0)! 421 D 0

20 CALL PYEDIT(3) YÜK ÇOKLUĞU

21 HİSTOGRAM Yük Çokluğu R6=84810/N=%42.4 R4=82200/N=%41.1 R8=20520/N=%10.3 R2=11170/N=%5.6 R10=1208/N=%0.60 R0=57/N=%0.03 R12=25/N=%0.01 Y Ekseni: Histograma Doldurulan Olay Sayısı X Ekseni: Yüklü Parçacık Sayısı

22 YÜKLÜ PARÇACIK ÇOKLUĞU Y Ekseni: Histograma Doldurulan Olay Sayısı X Ekseni: Yüklü Parçacık Sayısı Npi: 200K olaydan ~42K olay 3 tane yüklü pion, ~38k olay 4 tane yüklü pion veriyor.

23 ENİNE MOMENTUM DAĞILIMI Y Ekseni: Histograma Doldurulan Olay Sayısı X Ekseni: Enine Momentum Pionların ortalama pt leri ~0.3 GeV civarında. Kaonlarınki ise ~0.4 GeV civarında. Pionların sigması ~0.17 civarında kaonların sigması ise~0.2 civarında.

24 ENERJİ DAĞILIMLARI Y Ekseni: Histograma Doldurulan Olay Sayısı X Ekseni: Enerji Pi+, Pi-, K+ ve K- enerji dağılımları

25 PYTHIA SONUÇLARI PYTHIA' da DD olayları KM çerçevesinde üretilmiştir. cc sisteminin ~ eşit olasılıkla D 0 D 0 ve D + D - geçişi kararsız olmaktadır, bu nedenle ve D 0 D 0 ve D + D - olayları ayrı ayrı üretilmiştir. Yük çokluğu histogramları elde edilmiştir. Pion ve Kaonların enine momentum ve enerji dağılımları elde edilmiştir. Düşük enerjilerde Pythia' da ff-->ff sürecinde y rezonansları ekli olmadığı için istenen olaylar üretilememektedir. İlk durumun asimetrik enerjili olması nedeniyle rezonans parçacığı y bir boost kazanır. Bozunumundan gelen D mezonları ileri yönde dağılım gösterir. Bu olayın simülasyonu için özel hazırlanmış programların kullanılması gerekmektedir.

26 KKMC KKMC, tau lepton çift üretimi eşik enerji değerinden 1 TeV ' e kadar olan kütle merkezi enerjilerinde e + e - -->ff+ng, (f=m,t,d,u,s,c,b) süreci için Elektrozayıf Standart Modelin hassas tahminleri üzerine kurulan bir olay üreticidir. KKMC' nin, gelecek lineer çarpıştırıcıları, b, c ve tau fabrikaları için kullanılması uygundur. BESIII' de KKMC, ISR etkileri ve demet enerji yayılmasını içerecek şekilde charmonium durumlarını üretmek için kullanılır. KKMC, J/y, y(2s), y(3770), y(4040) içermektedir. ve diğer charm rezonanslarını

27 KKMC Charm.input NEVT 1000 BeginX CMSene=xpar(1) 3.8D0 KFfin KeyHad=xpar(50) 50 1 EndX pro.output parametreler hesaplama bilgisi arabirim programların bilgisi olay listesi tesir kesiti pro.hst histogram bilgisi KKMC rezonans bozunumlarının olay üretimini desteklediği halde, rezonans bozunumu olaylarını ve FSR etkilerini içerecek şekilde BesEvtGen gibi daha güçlü modeller kullanılmaktadır. KKMC, gelen elektron ve pozitron demetlerinin kütle merkezi çerçevesinde çalışmaktadır. Asimetrik enerjiler durumunda, MC olaylarının boost edilmesi gerekmektedir.

28 KKMC ÇIKTISI

29 CalcHEP CalcHEP, Feynman diyagramlarının hesabı, çok parçacık faz uzayı integrali ve olay üretimi için kullanılan bir paket programdır. SM model dosyaları hazır gelmektedir. Kullanıcı kendi model dosyalarını hazırlayabilmektedir. Bu programın da düşük enerjilerde kullanımı için bir model dosyası geliştirdik.

30 CalcHEP Model dosyaları, extlib1.mdl dışarıdan lib. desteği func1.mdl parametre sınırlamaları lgrng1.mdl etkileşme lagrangiani terimleri prtcls1.mdl parçacık bilgileri vars1.mdl değişkenler

31 Etkileşme köşeleri, ye + e - yd + D -, yd 0 D 0 CalcHEP f yee g Y D + D - y(3770) rezonansı yakınlarındaki diğer rezonansların da katkıları dikkate alınmalıdır. Örneğin, y(2s), y(3770), y(4040).

32 Kütle (MeV) Toplam Bozunma Genişliği (MeV) GD +D - GD 0D 0 PDG (2010)* Y (3770) Y (2S) Y (4040) Makale ±1.3 [b] 27.3± ±1.4 [b] PDG (2010)* [a] 0.304± ± ±1.4 - Ge -e ±0.18 * f ye -e [c] [c] Makale PDG (2010)* 0.317±0.0 9 [a] Makale 4039± ±8 [b] 80± ±11.4 [b] gözlenmiş gözlenmiş (0.86±0.07) * [c] *PDG 2010 Fit [a] H.B.Li and X.S.Qin, arxiv: v2 [hepph] [b] Y-J Zhang and Q.Zhao, arxiv: v2 [hepph] [c] PDG 2010 verilerinden hesaplanmıştır. g yd0d [c] [b] 9.05±2.3 [b] 0.34 [b] g yd+d [c] [b] 7.72±1.0 2 [b] 0.34 [b]

33 CalcHEP OLAY ÇIKTISI

34 ASİMETRİK ENERJİLERDE HIZLILIK DAĞILIMI Ee=1 GeV, Ee+=3.56 GeV Soldaki şekilde asimetrik enerji durumunda D+D- mezonları eta ~2 civarında dağılım gösteriyor. Sağdaki şekilde simetrik enerji durumunda D+D- mezonları eta ~0 civarında dağılım gösteriyor. Ee=1.9 GeV, Ee+=1.9 GeV Toplam tesir kesiti s~3.9 nb

35 CalcHEP SONUÇLARI Bir model tanımlandı. Bozunma genişlikleri ve dallanma oranları hesaplandı ve deneysel sonuçlarla karşılaştırıldı. y(2s), Y(3770), y(4040) üretimi ve bunların DDbar durumlarına katkısı dikkate alındı. Gelen demetlerin enerjileri asimetrik seçildi. Son durumdaki parçacıkların hızlılık (rapidity) dağılımı incelendi.

36 SONUÇLAR Parçacık fabrikalarında olay üretimi oldukça önemlidir. Bunun için olay üreticileri üzerine bir çalışma yapılmıştır. Bunlardan Pythia' nın cc bağlı durumunun bozunumunda kullanılabilceği, KKMC' nin kütle merkezi sisteminde charm olaylarının üretiminde kullanılabileceği ve CalcHEP' in de düşük enerjilerde charm olaylarının üretiminde kullanıcı model dosyaları ile çalışabileceği gösterilmiştir.

37 KAYNAKLAR 1) R.G.Ping, Event Generators at BESIII, Chinese Phys. C Vol.32, No. 8, ) H.B.Li and X.S.Qin, Study of the branching ratio of y(3770)-> DD in e + e - ->DD scattering, arxiv: v2 [hep-ph]. 3) Y.J.Zhang, and Q.Zhao The Lineshape of y(3770) and low-lying vector charmonium resonance parameters in e + e - ->DD,arXiv: v3 [hep-ph]. 4) T. Sjöstrand, S. Mrenna, P.Skands, Pythia 6.4 Physics and Manual, hep-ph/ ) S. Jadach, B.F.L. Ward, Z.Was, The Precision Monte Carlo Event Generator K K for two fermion final states in e + e - collisions, Comput.Phys.Commun.130:260(2000), e-print:hep-ph/ ) A.Pukhov et al., arxiv:hep-ph/ ; e-print: hep-ph/

38