ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ CMS-CASTOR ALT DETEKTÖRÜNÜN FOTOTÜPLERİNİN KALİTE KONTROL TESTLERİ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Sertaç ÖZTÜRK CMS-CASTOR ALT DETEKTÖRÜNÜN FOTOTÜPLERİNİN KALİTE KONTROL TESTLERİ FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2007

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ CMS-CASTOR ALT DETEKTÖRÜNÜN FOTOTÜPLERİNİN KALİTE KONTROL TESTLERİ Sertaç ÖZTÜRK YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI Bu tez.../.../ 2007 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir. İmza... İmza İmza... Prof.Dr. Gülsen ÖNENGÜT Doç.Dr. İsa DUMANOĞLU Yrd.Doç.Dr. Sami ARICA DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No Prof. Dr. Aziz ERTUNÇ Enstitü Müdürü Bu Çalışma Ç.Ü. Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: FEF.2006.YL.35 Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

3 ÖZ YÜKSEK LİSANS CMS-CASTOR ALT DETEKTÖRÜNÜN FOTOTÜPLERİNİN KALİTE KONTROL TESTLERİ Sertaç ÖZTÜRK ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI Danışman: Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT Yıl: 2007 Sayfa: 71 Jüri: Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT Doç. Dr. İsa DUMANOĞLU Yrd. Doç. Dr. Sami ARICA CASTOR, CMS deneyinin bir alt detektörüdür ve 5,5 7, 1 pseudorapidite aralığını kapsayacaktır. CASTOR da sinyal, çarpışma sonucu oluşan rölativisttik yüklü parçacıkların CASTOR detektöründen geçerken oluşturacakları Cherenkov ışınımıdır. Bu ışınım fototüpler tarafından varlanacak ve parçacıkların türleri ve enerjileri hakkında bilgi sağlayacaktır. Bu fototüpler CASTOR a monte edilmeden önce yanıtlama zamanı parametreleri (elektron geçiş süresi, sinyalin yükseliş süresi, puls genişliği), kazanç, karanlık akım, doğrusallık gibi bazı çalışma parametrelerinin test edilmesi gerekir. Bu tez çalışması CMS-CASTOR fototüplerinin test sonuçlarını içermektedir. Anahtar Kelimeler: CMS, CASTOR, BHÇ, Fototüp, Kalorimetre I

4 ABSTRACT MSc THESIS THE QUALITY CONTROL TESTS OF CMS-CASTOR SUB DETECTOR S PHOTOTUBES Sertaç ÖZTÜRK DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF ÇUKUROVA Supervisor: Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT Year: 2007 Pages: 71 Jury: Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT Doç. Dr. İsa DUMANOĞLU Yrd. Doç. Dr. Sami ARICA CASTOR is a sub-detector of the CMS experiment and it will cover 5,5 7,1 pseudorapidity range. The signal in CASTOR will be Cherekov light produced by relativistic charged particles passing through CASTOR after collision. This light will be detected by PMTs and it will provide information about the type and energy of particles. Before assembling CASTOR, these PMTs have to be tested for operational parameters such as timing characteristics (transit time, rise time, pulse width), gain, dark current, linearity. This tesis includes the test results of CMS- CASTOR s PMTs. KeyWords: CMS, CASTOR, LHC, Phototube, Calorimeter II

5 TEŞEKKÜR Bu tezin başlangıcından bitişine kadar sahip olduğu engin bilgi ve deneyimini benden esirgemeyen, değerli zamanını bana ayıran sevgili hocam ve danışmanım Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT e sonsuz teşekkür ederim. Tezin oluşum süresince laboratuardaki sistemlerin çalışır hale gelmesinde en büyük pay sahibi olan Doç. Dr. İsa DUMANOĞLU na teşekkür ederim. Haftasonlarıda dahil olmak üzere Adana yazının sıcağında laboratuarda beraber çalıştığımız, bana hem bir hoca hem de bir arkadaş olan Dr. Kenan SÖĞÜT e teşekkür ederim. Tezin yazım sürecinde bana destek olan sevgili arkadaşım Hüseyin ŞAHİNER e teşekkür ederim. Sayesinde buralara geldiğim anneme ve bana hep destek olan nişanlım Filiz YÜCE ye teşekkür ederim. Ayrıca yardımlarından dolayı tüm Yüksek Enerji Fiziği Grubuna teşekkür ederim. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ I ABSTRACT II TEŞEKKÜR III İÇİNDEKİLER... IV ÇİZELGELER DİZİNİ...VI ŞEKİLLER DİZİNİ...VII SİMGELER VE KISALTMALAR..X 1.GİRİŞ.1 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) Hızlandırıcı BHÇ Fiziği CMS ( Compact Muon Solenoid) Detektörü İzleyici Elektromanyetik Kalorimetre (EKAL) Hadronik Kalorimetre (HKAL) Mıknatıs Müon Sistemi CASTOR (Centauro And Strange Object Research) Detektörü CASTOR Dedektörünün Özellikleri CASTOR Dedektörü İçin Fizik Programı Proton Proton Etkileşmesi Proton Çekirdek Etkileşmesi Çekirdek Çekirdek Etkileşmesi MATERYAL VE METOD Fotoçoğaltıcılar Temel Yapısı ve Çalışması Fotokatot Elektron Görsel Çıkış Sistemi...30 IV

7 Toplama Verimliliği Elektron Çoğaltıcı Bölüm Dinot Biçimi Çoğaltıcı Yanıtı : Tek Elektron Spektrumu İşleme (Çalışma) Parameteleri Kazanç ve Voltaj Temini Voltaj Bölüşümü Elektrot Akımı. Doğrusallık Zaman Tepkisi ve Çözünürlüğü Gürültü Karanlık Akım İstatistiksel Gürültü Çevresel Faktörler Çevre Işığı Manyetik Alan Sıcaklık Etkisi ARAŞTIRMA VE BULGULAR Giriş Çukurova Üniversitesi Yüksek Enerji Fiziği Laboratuarı Fotoçoğaltıcıların Kalite Kontrol Testleri ve Sonuçları Yanıtlama Zamanı Parametreleri Kazanç Karanlık Akım Doğrusallık Toplama Verimliliği SONUÇ...67 KAYNAKLAR...69 ÖZGEÇMİŞ 71 V

8 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 2.1. Genel BHÇ parametreleri (Akgun,2003) Çizelge 2.2. CASTOR kalorimetresinin özellikleri (Mavromanolakis,2004) 19 Çizelge 3.1. Fotokatot Karakteristikleri (RTC kataloğu)...28 Çizelge 4.1. Hamamatsu R5380 fotoçoğaltıcı tüpün özellikleri (Hamatsu,2006)..49 Çizelge 4.2. Test edilen bütün fotoçoğaltıcılar için karanlık akımın ölçülen ve Hamamatsu firması tarafından verilen değerleri VI

9 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 2.1. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı. 5 Şekil 2.2. BHÇ ve LEP için hızlandırma zinciri (Akgun,2003)...5 Şekil 2.3. BHÇ tüneli 6 Şekil 2.4. BHÇ deki Higgs üretimi için Feynman diyagramları; tt ortak üretimi (Akgun,2003)....7 Şekil 2.5. BHÇ deki Higgs üretimi için Feynman diyagramları; W,Z ortak üretimi (Akgun,2003)...7 Şekil 2.6. CMS detektörünün üç boyutlu görünümü 9 Şekil 2.7. CMS detektörünün enine görünümü...11 Şekil 2.8. CMS detektöründe parçacıkların sahip olduğu iz ve yörüngeler...11 Şekil 2.9. CMS detektörünün uzunlamasına görünümü.12 Şekil CASTOR detektörünün şematik şekli..17 Şekil CASTOR detektörü (Gladysz-Dziadus,2006) Şekil BHÇ de Pb-Pb çarpışması için pseudorapidite bölgesine karşı parçacık sayısı (üstte) ve enerji (aşağıda) dağılımları (Norbeck,2006) Şekil 3.1. Bir fotoçoğaltıcı tübün şematik şekli (Philips,1994) Şekil 3.2. Çeşitli tür ve boyutlardaki fotoçoğaltıcı tüpler (Hamamatsu,2006)...25 Şekil 3.3. Çeşitli materyaller için kuantum verimlilik (Electron Tubes,2006)...27 Şekil 3.4. Fotoemisyon olayı (Philips,1994)...29 Şekil 3.5. Tipik bir fotoçoğaltıcı için elektron görsel çıkış sistemi (Schonkeren,1970) Şekil 3.6. Uygulanan potansiyele bağlı olarak toplama verimliliği. (Hamamatsu,2006) Şekil 3.7.a-d. Fotoçoğaltıcılar için çeşitli dinot biçimleri (Philips,1994): (a) Panjur, (b) Lineer odaklayıcı, (c) Kutu ve ızgara, (d) Dairesel odaklayıcı 34 Şekil 3.8. Farklı dinot biçimleri için doğrusallık: (a) kutu ve ızgara tipi, (b) standart voltaj bölüşümü ile panjur tipi, (c) yüksek akım voltaj bölüşümü ile panjur tipi, (d) çok yüksek akım bölüşümü ile lineer odaklayıcı (EMI,1979)...34 VII

10 Şekil 3.9. Mikrokanal levha biçiminin şematik şekli (Philips,1994). Her bir kanal sürekli bir dinot gibi davranır Şekil Tek elektron spektrumu, (a) lineer odaklayıcı fotoçoğaltıcı için, (b) panjur tipi fotoçoğaltıcı için. (Schonkeren,1970) Şekil Gelen elektronun enerjisinin fonksiyonu olarak yaygın olarak kullanılan dinot materyallerinin ikincil yayınım katsayıları (EMI,1979) Şekil Voltaj bölüşüm devreleri. (a) Sadece direnç kullanılan, (b) direnç ve zener diyot kullanılan voltaj bölüşüm devresi (Hamamatsu,2006) Şekil Transistor kullanılarak yapılmış bir voltaj bölüşüm devresi (Hamamatsu.2006)...40 Şekil Farklı aydınlatma şiddetleri altında fotoçoğaltıcı anot ve katotunun akım -voltaj karakteristikleri (Schonkeren,1970) Şekil Geçiş süresi farklılığı (Schonkeren,1970) 42 Şekil Hızlı bir fotoçoğaltıcının elektron çıkış sistemindeki eşpotansiyel çizgileri (Null,1971)...44 Şekil 4.1. Çukurova Üniversitesi Yüksek Enerji Fiziği Laboratuarı..50 Şekil 4.2. Hamamatsu R5380 fotoçoğaltıcı tüp..51 Şekil 4.3. Yanıtlama Zamanı parametreleri 51 Şekil 4.4. Yanıtlama zamanı parametreleri ölçüm test düzeneği 52 Şekil 4.5. Yanıtlama zamanı parametreleri ölçüm düzeneği fotoğrafı...52 Şekil 4.6. LeCroy Osiloskop ekranı...53 Şekil 4.7. Bazı fotoçoğaltıcılar için Yükseliş süresi Voltaj grafiği..54 Şekil 4.8. Bazı fotoçoğaltıcılar için Sinyal genişliği Voltaj grafiği.54 Şekil 4.9. Bazı fotoçoğaltıcılar için Elektron Geçiş Süresi Voltaj grafiği...55 Şekil Test edilen bütün fotoçoğaltıcılar için elektron geçiş süresi dağılımı..56 Şekil Test edilen bütün fotoçoğaltıcılar için yükseliş süresi dağılımı...56 Şekil Test edilen bütün fotoçoğaltıcılar için sinyal genişliği dağılımı..57 Şekil Anot (solda) ve katot (sağda) tabanı.58 Şekil Kazanç ölçüm test düzeneği.58 Şekil Kazanç test düzeneğinin dışarıdan genel görünümü 59 Şekil Kazanç test düzeneği 59 VIII

11 Şekil Test edilen bütün fotoçoğaltıcılar için kazanç voltaj grafiği.60 Şekil Test edilen bütün fotoçoğaltıcılar için 1000 V daki kazanç dağılımı...61 Şekil Test edilen bütün fotoçoğaltıcılar için 1100 V daki kazanç dağılımı...61 Şekil Test edilen bütün fotoçoğaltıcılar için karanlık akım voltaj grafiği..62 Şekil numaralı fotoçoğaltıcı için 1000 V daki anot akımı optiksel yoğunluk grafiği Şekil numaralı fotoçoğaltıcı için katot akımı voltaj grafiği...65 IX

12 SİMGELER VE KISALTMALAR YEF SM BHÇ LEP CMS : Yüksek Enerji Fiziği : Standart Model : Büyük Hadron Çarpıştırıcısı : Büyük Elektron Pozitron Hızlandırıcısı : Küçük Müon Solenoid CASTOR: Centauro ve Acayip Cisim Araştırmaları ZDC CERN RHIC MeV GeV TeV PS SPS P T QCD Λ X 0 A : Sıfır Derece Kalorimetre : Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi : Rölativisttik Ağır İyon Çarpıştırıcısı : Milyon Elektron Volt : Milyar Elektron Volt : Trilyon Elektron Volt : Proton Sinkrotron : Süper Proton Sinkrotron : Dik Momentum : Kuantum Renk Dinamiği : Nükleer Etkileşim Uzunluğu : Işınım Uzunluğu : Atom Ağırlığı X

13 1. GİRİŞ Sertaç ÖZTÜRK 1. GİRİŞ Yüksek enerji fiziği, maddeyi oluşturan temel parçacıkları ve etkileşmeleri inceleyen bir fizik dalıdır. Bu etkileşmeleri açıklamak için standart model (SM) adında bir kuram geliştirilmiştir. SM atom altı dünyayı anlamamızı sağlayan en geçerli ve en iyi kuramdır. Birçok deneysel testten başarı ile çıkmasına rağmen, SM in açıklayamadığı bazı sorular vardır. Bu da SM in ötesinde yeni fikir ve teorilerin doğmasına neden olmuştur. Ortaya atılan bu yeni teorilerin geçerli olması için mutlaka deneysel olarak gözlemlenmesi ve doğrulanması gerekir. Bu amaçla 2007 yılının sonlarına doğru çalıştırılması planlanan ve dünyanın en büyük ve en güçlü parçacık hızlandırıcısı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) inşa edilmiştir. Çevresi yaklaşık 27 km olan BHÇ de, kütle merkezi enerjisi 14 TeV olan iki proton hüzmesi kafa kafaya çarpıştırılacak ve evrenin ilk saniyelerindeki ortam yeniden yaratılacaktır. BHÇ halkası üzerinde bulunan dört büyük deney; CMS (Compact Muon Solenoid), ATLAS (A Torodial LHC Apparatus), ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ve LHC-B (A Large Hadron Collider Beauty), bu araştırmalarda önemli rol oynayacaktır. CMS ve ATLAS detektörleri genel amaçlı detektörler olup, SM in ötesindeki çalışmalar için en uygun detektörlerdir. CMS detektörü, eklenecek iki ileri kalorimetre (CASTOR VE ZDC) ile birlikte BHÇ deki ağır iyon çalışmalarında kullanılmak için uygun hale gelecektir. Ağır iyon-ağır iyon çarpışmalarında nükleer maddeyi çok yüksek enerjilerde incelemek, kuarkların hapisten kurtuluşunu, kuark-gluon plazmasının özelliklerini incelemek mümkün olacaktır (Dumanoğlu,2003). Çukurova Üniversitesi Deneysel Yüksek enerji fiziği grubu 1996 yılından beri CMS deneyinin alt detektörlerinde çalışmalarını sürdürmektedir. Bu alt detektörlerden birisi CASTOR (Centauro And STrange Object Research) kalorimetresidir. Çarpışma sonucu oluşan rölâtivisttik yüklü parçacıkların CASTOR kalorimetresinden geçerken oluşturacakları Cherenkov ışınımı fotoçoğaltıcı tüpler tarafından algılanacaktır. 1

14 1. GİRİŞ Sertaç ÖZTÜRK Her bir detektör birer teknoloji harikası olup birçok bileşenden meydana gelmektedir. Bu bileşenlerden bir tanesi de fotoçoğaltıcı tüplerdir. Fotoçoğaltıcı tüpler temelde ışığı elektrik sinyaline çeviren aygıtlardır ve oldukça duyarlıdırlar. Her detektör parça ve bileşeni deneyin gerektirdiği bazı koşulları sağlamak zorundadır. Dolayısı ile her bir parça detektöre takılmadan önce mutlaka test edilmeli ve deney kriterlerine uygun olup olmadığı garanti edilmelidir. CASTOR kalorimetresinde kullanılacak olan fotoçoğaltıcı tüpler Japon Hamamatsu şirketi tarafından üretilen R5380 üretim numaralı fototüplerdir. Her detektör parçası gibi, bu fotoçoğaltıcı tüplerin de CASTOR kalorimetresine monte edilmeden önce test edilmesi gerekir. Bu amaçla, bu fototüplerden 34 tanesi gerekli kalite kontrol testlerinin yapılması için Çukurova Üniversitesi Yüksek Enerji Fiziği Laboratuarına gönderilmiştir. Kurulan test düzenekleri ile gerekli testler yapılarak detektöre yerleştirilmesi için CERN e geri yollanmıştır. Bu çalışmada CASTOR fototüpleri için yapılan kalite kontrol testleri ve test sonuçları detaylı bir biçimde aktarılmaktadır. 2

15 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 2.1 Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) Hızlandırıcı 20. yüzyılın sonlarına doğru Standart Model atom altı dünyanın en iyi betimlemesini yapan bir kuram olarak gelişti ve Standart Model in öngördükleri çok hassas deneylerle test edildi. Bunları çoğu CERN deki büyük elektron-pozitron çarpıştırıcısında (LEP) gerçekleştirildi. LEP, 1989 yılından 2000 nin sonlarına kadar çalıştı ve Standart Modelin öngördüğü Z ve W bozonlarını üretmeyi (gözlemlemeyi) başardı. Bunlara rağmen Standart Model bazı temel soruları cevaplamada başarısızdır ve bu da standart modelin ötesinde yeni fizik kuramlarının oluşmasına neden olmuştur. Bu yeni fiziği araştırmak için CERN deki eski LEP tünelinde yapımı hala devam eden büyük hadron çarpıştırıcısı (BHÇ) inşa edilmeye başladı. Bitirildiğinde BHÇ, 27 km uzunluğunda dünyadaki en büyük parçacık çarpıştırıcısı olacak ve kütle merkezi enerjisi s 14 TeV olan proton proton (pp) çarpıştırmalarını gerçekleştirecektir. Bu değer Fermilab daki proton-antiproton çarpıştırıcısından 7 kat daha büyüktür ve yeni ağır parçacıkların üretimini mümkün kılar (Akgun,2003). LEP çarpıştırıcısının yeni fiziği araştırma potansiyeli enerjisinden dolayı çok sınırlıydı. Kütle merkezi enerjisi yaklaşık 200 GeV civarındaydı. Sinkrotron ışınımından dolayı, parçacıkların hızlandırma oyukları içerisinde kazandıkları enerji tekrar ışıma yoluyla kayıp edildiğinden ulaşılacak en üst enerji seviyesi sınırlandırılmıştı. Sinkrotron ışınımı sorunundan kurtulmak için iki yol vardır. Bir tanesi hızlandırıcının yarıçapını arttırmak, diğeri ise hızlandırılan parçacıkların kütlesini arttırmaktır (Moortgat,2004). 4 3R 3 4 E, 1 V E, c 2 (2.1) mc 3

16 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK Denklem 2.1 de, R hızlandırıcının yarıçapı, E parçacık enerjisi, m parçacık kütlesi ve son olarak α ince yapı sabitidir. Proton elektrondan yaklaşık 2000 kat daha büyük olduğu için, aynı tünelde 13 enerji kaybı elektronlara kıyasla 10 dolayı bir proton çarpıştırıcısı yapılmasına karar verilmiştir kat daha küçüktür. Bu nedenden BHÇ de ışıklık L cm s olacaktır ki bu değer günümüzdeki hızlandırıcıların ışıklığından 100 kat daha büyüktür. İlk üç yıl için BHÇ nin L cm s 2 1 ışıklıkla çalıştırılması planlanmaktadır. Işıklık (L), her bir demetteki parçacık sayısına ( n 1 ve n 2 ), dönüş frekansına (f) ve demetlerin dik profiline ( ve y ) bağlıdır. x n1n2 L f (2.2) 4 x y BHÇ, pp çarpışmalarının 40 MHz öbek geçiş oranı ile olmasını sağlayacaktır. Bunun anlamı her 25 ns de bir çarpışmanın gerçekleşeceğidir. Her öbekteki proton sayısı yaklaşık olacaktır. Protonları yüksek enerjilere ulaştırmak için bir hızlandırıcı serisi kullanılacaktır. Lineer bir hızlandırıcı protonları 50 MeV e, Booster 1,4 GeV e, PS 25 GeV e, SPS 450 GeV e ve son olarak BHÇ de 7 TeV enerjisine ulaşılacaktır (Akgun,2003). BHÇ de parçacıkların zıt yönlerde hareket edeceği iki ayrı demet kanalı vardır. Bu kanallarda demetlerin odaklanmasını sağlayacak dipol mıknatıslar vardır. Bu mıknatıslar sıvı helyum (1,9 K) sıcaklığında çalışacak ve yaklaşık 8 T lık manyetik alan oluşturacaklardır. BHÇ nin dört farklı çarpışma noktasına yerleştirilmiş dört tane deney yapılacaktır. CMS ve ATLAS çok amaçlı detektörler olup fiziğin geniş bir alanında araştırmalar yapacaktır. ALICE, Pb-Pb çarpışmaları için, LHCb ise özellikle b-fiziği alanında çalışmalar yapmak için tasarlanmıştır. 4

17 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK Şekil 2.1. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Proton iyon elektron pozitron LEP/BHÇ SPS Booster Proton-iyon doğrusal hızlandırıcı PS EPA Elektron-pozitron doğrusal hızlandırıcı Şekil 2.2. BHÇ ve LEP için hızlandırma zinciri (Akgun,2003) 5

18 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK Şekil 2.3. BHÇ tüneli Çarpışma demet enerjisi Enjeksiyon demet enerjisi Dipol alanı şiddeti Işıklık DC demet akımı Öbek boşluğu Öbek ayırımı 7 TeV 450 GeV 8,33 T cm 0,56 A 7,48 m 24,95 ns s Her öbekteki parçacık sayısı 10 Toplam geçiş açısı Işıklık ömrü Her bir dönmedeki enerji kaybı Her bir demet için toplam ışınım gücü Her demette depolanan enerji Halkayı doldurma süresi 300 μrad 10 saat 7 kev 8,3 kw 350 MJ 4,3 dk Tablo 2.1. Genel BHÇ parametreleri (Akgun,2003) 6

19 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK BHÇ Fiziği BHÇ nin ana hedefi, Higgs bozonunun varlığını ve özelliklerini belirlemektir. Standart Model de Higgs bozonunun kütlesinin tahmin edilemediği iyi bilinir. Diğer taraftan Higgs kütlesi çok ağır olamaz. Aksi durumda pertürbatif rejim işlemez, bu da Higgs kütlesinde yaklaşık 1000 GeV lik bir üst limit oluşturur. Güncel ölçümler SM Higgs için 114,1 GeV lik alt limit verir. BHÇ deneyi SM Higgs bozonunun bütün kütle aralığında gözlemlenebilmesini sağlayacaktır (Akgun,2003). Şekil 2.4. BHÇ deki Higgs üretimi için Feynman diyagramları; t t ortak üretimi (Akgun,2003) Şekil 2.5. BHÇ deki Higgs üretimi için Feynman diyagramları; W,Z ortak üretimi (Akgun,2003) Standart Model in parçacık etkileşimlerinin temel teorisi olmadığına inanmak için çeşitli nedenler vardır. Standart model daha temel bir teorinin düşük enerjilerdeki yaklaşıklığı gibi görünmektedir. İlk neden hiyerarşi problemi olarak adlandırılır. Parçacık fiziğinde hiyerarşi problemi, zayıf kuvvetin neden 7

20 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK gravitasyonel kuvvetten kat daha büyük olduğunu sorar. Her iki kuvvet de doğal sabitler içerir. Zayıf kuvvet için bu Fermi sabiti, gravitasyonel kuvvet için ise Newton sabitidir. Standart Model, Fermi sabitine kuantum düzeltmelerini hesaplamak için kullanıldığında, Fermi sabitinin yalın değeri ile kuantum düzeltmeleri arasında hassas ihmaller yapılmazsa Fermi sabiti sıra dışı bir biçimde çok büyük çıkar ( SM de teori tarafından öngörülmeyen çok fazla sayıda serbest parametre vardır. Büyük birleşim teorisi bu problemi SM in SU(3) SU(2) U(1) grubu ile ifade edilen simetrisi daha yüksek bir simetrinin kendiliğinden kırınımının sonucu olarak kabullenerek çözer. SM deki bir diğer çelişki, GeV lik enerji değerinde elektromanyetik, zayıf ve kuvvetli etkileşmelerin çiftlenim sabitlerinin tek bir değere (α G ) doğru yaklaşması fakat bu birleşmenin tam olarak gerçekleşmemesidir. Bütün bu problemler evrensel bir bozon-fermiyon simetrisi öngören ve daha genel bir teori olan süpersimetri (SÜSİ) ile çözülebilir. SÜSİ bilinen parçacıkların süpersimetrik eşlerini ve bazı yeni ayar bozonlarını öngörmektir. BHÇ bu teorinin öngördüğü yeni fizik araştırmalarını sağlayacak enerji seviyesine ulaşabilecektir. BHÇ deki yüksek enerjili ağır iyon çarpışmaları kuark-gluon plazmasını anlamamıza da yardım edecektir (Akgun,2003). araştıracaktır. BHÇ ve özellikle LHCb detektörü, b-hadron kesiminde CP kırınımını 2.2 CMS ( Compact Muon Solenoid) Detektörü CMS, BHÇ nin fizik gereksinimlerini karşılamak için tasarlanmış dört deneyden bir tanesidir. CMS in tasarım hedefleri ve gereksinimleri aşağıda özetlenmektedir (Akgun,2003). I. Yüksek manyetik alan oluşturmak için güçlü bir süperiletken solenoid, II. Mükemmel bir müon sistemi, III. Yüksek çözünürlüklü elektromanyetik kalorimetre, 8

21 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK IV. Kayip E T ölçümlerini gerçekleştirmek ve yüksek çözünürlükte jet belirlemek için hadronik kalorimetre, V. İz momentumlarının ölçümü için iç izleyici sistemi. Müon odacıkları İç izleyici Kristal E-Kal H-Kal Çok ileri kalorimetre Süperiletken bobin Demir boyunduruk Şekil 2.6. CMS detektörünün üç boyutlu görünümü CMS detektörü azimutsal simetri oluşturacak şekilde bir silindirik yapıya sahiptir. Uzunluğu 21.6 m, çapı 14.6 m ve toplam ağırlığı tondur. Detektörde dört tane ana alt sistem vardır. Bunlar; mıknatıs, müon sistemi, izleyici ve kalorimetrelerdir. Detektörün merkez kısmında, parçacık yönüne paralel olan 4 T lık bir manyetik alan uygulanmaktadır. CMS de sağ-el koordinat sistemi geçerlidir. x- ekseni hızlandırıcı haklanın merkez noktasına doğru, y-ekseni yukarıya doğru ve z- ekseni de parçacık demetine ve manyetik alana paralel olacak şekilde yönelmiştir. Bu koordinatlardan başka z-ekseni ile olan kutup açısı θ ve y-ekseni ile olan azimutsal 9

22 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK açı olmak üzere iki açı tanımlanır. Genelde kutup açısı yerine pseudorapidite (η) kullanılır. ln tan (2.3) 2 belirtilmiştir. Pseudorapidite, y rapiditesinin bir yaklaşımıdır ve denklem 2.4 ile aşağıda y 1 2 E ln E p p z z (2.4) Burada E ve p sırasıyla parçacığın enerji ve momentumudur. Pseudorapidite, rapiditenin p >> m ve θ >> 1/γ için çok iyi bir yaklaşımıdır (Akgun,2003) İzleyici CMS fizik programının önemli bir parçası, detektörün yüklü parçacık izlerini belirleme ve onların momentum ve vuruş parametrelerini iyi bir çözünürlükte ölçme kapasitesine bağlıdır. Deneyimler güçlü manyetik alan içerisindeki kuvvetli izlerin müon, elektron, foton ve jetlerin belirlenmesi için çok kullanışlı olduğunu göstermektedir (Moortgat,2004). CMS izleyici sitemi yüksek P T izlerini ( müonlar, yalıtılmış elektronlar ve hadronlar) yüksek momentum çözünürlüğü ve verimiyle yeniden yapılandırmak için kullanılacaktır. Düşük enerjili yüklü parçacıklar ( 1 GeV < P T < 10 GeV ) %85 verimlilikle yeniden yapılandırılırken, enerjisi P T >10 GeV olan parçacıklarda verim %95 e ulaşacaktır (Yetkin,2006). İzleyici alt detektörü yüksek parçacık yoğunluklu bir ortamda çalışacaktır. Bu yüzden detektörün taneli yapıda olması gerekir. Sistem, merkezi bölgedeki piksel detektörler ile geri kalan kısımlarlardaki silikon şeritlerin birleşimidir (Masetti,2005). 10

23 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK Şekil 2.7. CMS detektörünün enine görünümü Şekil 2.8. CMS detektöründe parçacıkların sahip olduğu iz ve yörüngeler 11

24 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK Elektromanyetik Kalorimetre (EKAL) Elektromanyetik kalorimetre (PbWO4 kurşun tungstat kristali) elektronların ve fotonların enerjilerini yüksek duyarlılık ve doğrulukla ölçmek için tasarlanmıştır. Ayrıca hadronik kalorimetre ile jetlerin enerjilerinin ölçülmesine yardım edecektir. Şekil 2.9. CMS detektörünün uzunlamasına görünümü Elektromanyetik kalorimetre, m H 150 GeV için foton bozunum kanalındaki H fotonları ve 140 GeV m H 700 GeV kütle aralığı için de H ZZ ve H WW bozunum kanallarından gelen elektron ve pozitronları ölçerek Higgs araştırmalarında çok önemli bir rol oynayacaktır. Bu fizik amaçları için enerji çözünürlüğü çok iyi olmak zorundadır. Detektör yüksek radyasyonlu bölge içinde olacağından materyaller radyasyona karşılık dayanıklı olmalıdır. PbWO4 yüksek yoğunluğa ve küçük Molieŕe yarıçapına sahiptir. Böylece dar sağanaklara izin verilir ve sintilasyon süreçleri hızlıdır (20 ns). EKAL fıçı ve kapak bölümlerinin birleşimidir. Fıçı kısmı kapak bölümü ise 3 olan aralığı kapsar. EKAL da aralığını, den fazla kristal 12

25 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK kullanılacaktır. Yüksek manyetik alandan dolayı fotoçoğaltıcı kullanılması mümkün değildir. Fıçı bölgesi için silikon avalanj fotodiyot ve kapak bölgesi için de radyasyona dayanıklı vakum fotodiyot kullanılacaktır. EKAL için enerji çözünürlüğü aşağıda yazılı olan denklem 2.5 ile belirtilebilir (Akgun,2003). 2 E a E( GeV ) 2 n E( GeV ) 2 c 2 (2.5) Burada ilk terim istatistiksel hata terimidir ve foton istatistiklerindeki ve duş içerisindeki dalgalanmaları içerir. n ; elektroniklerden kaynaklanan gürültü terimidir ve c ; kalibrasyon hatalarından ve diğer sistematik etkilerden kaynaklanan sabit terimdir Hadronik Kalorimetre (HKAL) Hadronik kalorimetre (HKAL) manyetik bobinin içinde kalan en dıştaki detektördür ve EKAL ı saran bir yapıdadır. HKAL, EKAL ile birlikte jetlerin enerji ve yön ölçümlerini sağlayacaktır. Ayrıca toplam görünür ve kayıp enine enerjiyi de ölçecektir. İyi bir kayıp enerji çözünürlüğü başarmak için kalorimetrenin 5 bölgesini kapsaması gerekir. HKAL, üç adet alt detektörden oluşmaktadır. Hadronik fıçı (HB) ve hadronik kapak (HE) 3 lük pseudorapidite bölgesini örter ve 4 T lık manyetik alan içerisinde bulunur. İleri kalorimetre (HF) manyetik bobinin ve müon sisteminin dışındadır ve 5 lik pseudorapidite aralığını örter. HB ve HE, 50 mm kalınlığında bakır soğurucu ve 4 mm kalınlığında plastik sintilatör levhalardan oluşan örnekleyici kalorimetrelerdir. Işık hibrit fotodiyotlar aracılığı ile varlanacaktır. HKAL, kalorimetrenin kalınlığında bütün hadronik sağnakları elde etmek için tasarlanmış olmasına rağmen, 0 da yüklü pionlar için yaklaşık beş nükleer etkileşim uzunluğu, hadronik dağılımların uçlarındaki düşük enerjiyi elde etmek için yeterli değildir. Bu jet enerjilerinin tam olarak 13

26 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK ölçülememesine sebep olur ve bu da yeni fizik bulguları için çok duyarlı olan enine kayıp enerji ölçümlerini etkiler. Bu problemden kaçınmak ve hadronik sağanaktaki enerji dağılımının uçlarını yakalamak için bir sintilatör katmanı süperiletken bobin ile muon odacıklarının arasına, 1. 4 aralığına yerleştirilmiştir (Moortgat,2004). HF detektörü etkileşim noktasından 11 m uzaklıkta ve 3 5 pseudorapidite bölgesinde yer almaktadır. HF kalorimetresi enine kayıp enerji ölçümünü geliştirecektir Mıknatıs Hadron çarpışmalarında genelde son durumda bulunan parçacıklar müonlardır. Müonların ve diğer yüklü parçacıkların yörüngelerinin eğriliği momentum ölçümleri ve yük bilgisi için gereklidir. Ayrıca mıknatıs sisteminin tasarımı, detektörün tasarımını da etkiler. CMS detektörünün mıknatısı, 13 m uzunluğunda ve 5,9 m iç yarıçapında bir uzun süperiletken selenoittir ve 4 T şiddetinde tek biçimli bir manyetik alan oluşturacaktır. Manyetik akı 1,8 m kalınlığında doyuma ulaşmış demir boyunduruktan geçerek geri döner. Boyunduruk, her biri 3 demir tabakadan yapılmış beş adet fıçı halkası ve iki adet kapaktan meydana gelmektedir. İç bobin yarıçapı izleyici ve kalorimetreleri barındırmak için yeteri kadar büyüktür. Bu yüzden mıknatıs ağırlık, büyüklük ve yapısal sertlik (rijitlik) açısından CMS detektörünün ana elementidir ve diğer bütün fıçı detektör bileşenlerini desteklemek için temel yapısal element olarak kullanılır Müon Sistemi İyi bir müon belirleme ve momentum ölçüm sistemi, CMS deneyinin temel konseptidir. Müonlar, Higgs ve SÜSİ araştırmaları için sadece onları keşfetmekle kalmaz, aynı zamanda onların özelliklerini belirlemede de önemli ipuçları ve işaretler sunar. Müonları belirlemede, müonların yüksek girişkenlik gücüne güvenilir. Bu 14

27 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK yüzden müon detektörleri, diğer bütün yüklü parçacıkların durdurulduğu varsayılan manyetik alanın ve kalorimetrelerin dışındadır. Müon sistemi tetikleyici ilginç olaylar için önemli bir rol oynar. Müon tetiklemesi esnek ( p T eşik değeri ayarlanabilir) ve hızlı (çarpışmadan sonra 3 μs içinde karar verebilir) olmalıdır. Müon sistemi aralarında demir tabakalar bulunan dört tane müon istasyonundan oluşmuştur. Bir fıçı kısmı ( 1. 2 ) ve iki tane kapak ( ) olacak şeklinde parçalara bölünmüştür. Son müon istasyonundan önce soğurucunun toplam kalınlığı iyi bir müon belirlemesine izin verecek 16 etkileşim uzunluğundadır. Müon sisteminde müonları varlamak ve ölçmek için üç farklı teknoloji kullanılır. Bunlar fıçı bölgesindeki sürüklenme tüpleri, kapak bölgesindeki katot şerit odacıkları ve fıçı ve kapak bölgelerinin her ikisinde yer alan dirençli plaka odacıklarıdır. 2.3 CASTOR (Centauro And Strange Object Research) Detektörü Şimdiki ve gelecekteki yüksek enerji ağır iyon deneyleri temel olarak yüksek sıcaklıklı baryonsuz rapidite bölgelerini çalışmak üzerine yoğunlaşmıştır. Baryon miktarının çok olduğu bölgede görülmesi beklenen yeni olgunun potansiyel olarak zengin olması CERN ağır iyon programının tanımlanmasına ve BHÇ deki ileri faz uzayının araştırılmasına yol açmıştır. Farklı kuark yoğuşmalarının görülmesi ile kuarklar arasındaki faz geçişleri çok ilgi çekici hale gelmiştir. Renk süper iletkenliği, renk süper akışkanlığı ya da uç noktalardaki faz geçişi mertebelerinin değişimi karakteristik deneysel sonuçlara yol açar. Ayrıca kozmik ışınlardan ve hızlandırıcı deneylerinden gelen bazı sonuçlar çok küçük açılarda parçacık üretimini ilginç kılmıştır. RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) ve HERA (Hadron Elektron Ring Anlage) dan alınan verilere dayanarak önerilen ve Renk Cam Yoğuşumu (Colour Glass Condensate) olarak adlandırılan QCD maddesinin önerilen yeni biçiminin BHÇ de kontrol edilmesi gerekmektedir. BHÇ de ileri doğrultuda küçük Bjorken-x (derin esnek olmayan saçılmada kullanılan bir ölçekleme değişkeni, gözlenen bir parçacığın taşıdığı momentum kesrini verir) değerlerine erişilebilecektir (Gladysz- Dziadus,2006). 15

28 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK CASTOR projesi kozmik ışın deneylerinde kaydedilen anormal gözlemler sonucu ortaya atılmıştır. Başlangıçta BHÇ deki kurşun-kurşun çarpışmalarında ileri bölgede görünmesi beklenen farklı radikal dalgalanmaları çalışmayı hedefleyen projenin fizik programı son zamanlarda zenginleştirilmiştir. CASTOR pp ve pa çarpışmalarında sadece ağır iyon çalışmalarına değil aynı zamanda difraktif ve düşük-x fiziğine katkı sağlayacaktır. CASTOR QCD nin ~ Bjorken-x deki tedirginmesiz bölgeyi test etme imkanını sağlayacaktır. CASTOR projesinin esinlendiği ilginç olay Chacaltaya Dağında ve Pamirler de yapılan kozmik ışın deneylerinde keşfedilmiştir. Bu deneylerde kullanılan tipik detektörler bir kuşun soğurucu ve duyarlı tabakaların sandviç biçiminde konulmasıyla oluşturulan alt ve üst odalardan meydana gelmektedir. Üst oda temelde, bir kozmik ışın parçacığının havada bir çekirdekle etkileşmesi sonucu oluşan elektromanyetik bileşeni tespit etmektir. Detektörün alt kısmında hadronlar gözlenmektedir. Genellikle üst detektörde görünen olayların bir kısmı, alt detektöre doğru olan devamından birkaç kat daha büyüktür. Bu gibi bir cihazda kaydedilen normal bir olayda hadronik kısım, toplam görünür enerjinin %30 undan daha azını oluşturmaktadır. Bu yüzden olaylardaki farklı durum büyük bir sürprizdi. Centauro olarak adlandırılan bu ilginç olaylar, elektromanyetik bileşenin güçlü bir şekilde azalmasıyla (bazen sıfıra yakın) ve anormal hadron fazlalığıyla karakterize edilir ve ev un yukarısındaki enerjilerde gözlemlenir (Gladysz-Dziadus,2006). BHÇ çok yüksek enerjili kozmik ışın alanını etkili bir şekilde araştıracak ilk hızlandırıcı olacaktır. BHÇ ile birlikte, CASTOR bu araştırmada önemli bir rol oynayacaktır. CASTOR, CMS deneyinde bir alt detektör olarak kullanılacak ve 0,5 ile 0,09 5,5 7,1 aralığındaki açı bölgesini kaplayacaktır. Pb-Pb çarpışmalarında üretilen enerjinin büyük bir kısmı CASTOR ve HF detektörleri tarafından belirlenecektir (Norbeck ve ark.,2006) CASTOR Detektörünün Özellikleri CASTOR detektöründe soğurucu madde, olası en küçük duş ebadını vermesi için tungstendir. Duşun elektron pozitron bileşeni tungsten tabakalar arasındaki ince 16

29 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK kuvartz plakalar tarafından örneklenir. Hadronlar için sinyali oluşturan bileşenidir. Relativistik elektronlar ve pozitronlar kuvartz plakalardan geçerken Cherenkov ışınımı oluştururlar. Kuvartzın kullanılmasının nedeni radyasyonun verdiği zararlara karşı dayanıklı olmasından dolayıdır. CASTOR detektörünün 10 ile 100 MGy aralığında radyasyona maruz kalması beklenmektedir. Kuvartz plakalar Cherenkov ışınımını verimli bir şekilde yakalamak için 45 lik bir açıyla eğdirilmiştir. Yedi tane kuvartz plakadan gelen ışık, 22,5 lik azimutsal açı ile yerleştirilmiş, hava dolu ışık kılavuzları tarafından toplanır. Bu ışık kılavuzları fotoçoğaltıcı tüplere bağlıdır ve üretilen sinyal toplanan ışık miktarı ile orantılı olacaktır (Norbeck ve ark.,2006). 0 Şekil CASTOR detektörünün şematik şekli Foton ve elektron gibi elektromanyetik parçacıklar, pion ve proton gibi hadronik parçacıklara nazaran detektör içinde daha az yol kat ederler. Bu yüzden detektörün ilk 11,5 cm lik kısmı, sırasıyla kalınlıkları 3 mm ve 1,5 mm olan tungsten ve kuvartz plakalara sahiptir. 1,25 m olan hadronik kısımda bu değer sırasıyla 5 mm ve 2 mm dir. 17

30 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK Hava merkezli ışık kılavuzu Aktif bölge Tungsten-Kuvartz plakalar Fotoçoğaltıcı tüp Okuma üniteleri Tungsten tabaka Demet Kuvartz tabaka Yarı sekizgen Şekil CASTOR detektörü (Gladysz-Dziadus,2006) Bu tasarımla, hadronlar tarafından üretilen elektron ve pozitron duşunun çapı birkaç cm mertebesindedir ve diğer tip kalorimetrelerden daha yüksektir. Ayrıca ışık kısa bir zaman periyodunda üretilir ki bu sintilatör temelli detektörlerden çok daha hızlıdır. CASTOR detektörünün önünde, olay bölgesinden gelen parçacıkların tam olarak giriş noktasını belirlemek için ince bir iz detektörü olacaktır. Gelen demetin, gaz molekülleri ya da demetin geçtiği borunun çeperi ile etkileşmesi gibi bazı kaygılar vardır. Bu etkileşim ürünleri CASTOR un son kısmından içeriye doğru girecektir. Fakat kuvartz plakalar 45 lik açıya sahip oldukları için, CASTOR un arkasından giren parçacıkların oluşturdukları ışık çıkışı az olacaktır. CASTOR gibi karmaşık detektörler önemli elektronik gelişimler gerektirir. Elektroniğin, her 25 ns de yeni bir olay okuması gerektiği ve uzun yıllar boyunca yüksek radyasyon ortamında korunmasız olarak çalışacağı BHÇ de bu koşullara meydan okunmaktadır. CASTOR önemli bir biçimde HF detektörüne benzemektedir ve bu da HF sistemlerinin hemen hemen değişiklik yapmadan, CASTOR için kopyalanmasını mümkün kılar (Norbeck ve ark.,2006). 18

31 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK Amaç Konum Yapısı Pb-Pb çarpışmalarında hadronik duşun boylamsal profilini ve hadronik ve elektromanyetik bileşenlerin enerjilerinin ölçümü Etkileşim noktasından 16,4 m uzaklıkta, 5,46 7, 14 pseudorapidite aralığında ve 2π azimutsal biçimde Azimutsal yapıyı oluşturan 8 bölüm, demet yönü ile 45 lik açıyla eğdirilmiş her bölümde 230 tane ardışık absorblayıcı-fiber katman, derinlik 10 λ I, λ I başına 1 ışık kılavuzu + 1 fotoçoğaltıcı (toplam 80 tane fotoçoğaltıcı) Tungsten (W: λ I =10 cm, X 0 =0,365 cm, Yoğunluk=18,5 gr/cm 3 ), Soğurucu her bir bölümde 230 tane katman ve her bir katmanın kalınlığı 0,3 cm Kuvartz dolgu ( =0,6 mm), sert plastik kaplama ( =0,64 mm), Fiber absorblayıcı katman başına 2 adet fiber düzlem Fiber Hacmi Doluluk Oranı %29, 5 Sogurucu Hacmi σ(e)/e Işık Kazancı Toplam Doz %(21 0,3) e için %(0 0,04) E( GeV ) %(95 2) için %(6,5 0,3) e ( ~300 krad E( GeV ) ) için GeV başına ~40 fotoelektron, Tablo 2.2. CASTOR kalorimetresinin özellikleri (Mavromanolakis,2004) CASTOR Detektörü İçin Fizik Programı CASTOR detektörünün eklenmesi ile CMS deneyinin kapasitesi, protonproton ve ağır iyon çarpışmalarının her ikisi için de genişleyecektir. HF ve sıfır decere kalorimetre (ZDC) gibi merkezi kalorimetrelerle birlikte parçacık akışının hemen hemen hermetik bir ölçümü ve enerjisi bulunacaktır. CASTOR tarafından 19

32 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK kaplanan pseudorapidite bölgesi özellikle önemlidir. Şekil 2.12 de bu durum gösterilmektedir. dn/dη, Foton dn/dη, Yüklü de/dη, Elektro-Manyetik de/dη, Hadronik Şekil BHÇ de Pb-Pb çarpışması için pseudorapidite bölgesine karşı parçacık sayısı (üstte) ve enerji (aşağıda) dağılımları (Norbeck ve ark.,2006) En üstteki ilk iki histogram, Pb çekirdeklerinin merkezi çarpışmasından meydana gelen parçacık sayısı - pseudorapidite dağılımını göstermektedir. Alttaki iki histogram ise enerji dağılımını gösterir. CASTOR detektörünün bulunduğu bölge (pozitif η değerleri için) kırmızı bir şerit ile gösterilmiştir. Az miktarda parçacığın kalorimetreyi etkilemesine rağmen, yine de hadronik ve elektromanyetik toplam 20

33 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK enerji akışının büyük bir kısmını taşırlar. Proton Proton çarpışmaları için enerji dağılımı daha yüksek η aralığına kaymıştır ve CASTOR da önemli sinyaller oluşturur. Pb-Pb çarpışmaları için CASTOR, RHIC de elde edilen en küçük x değerinden 200 kat daha küçük x değerine izin verecektir. İlerleyen bölümlerde CASTOR detektörünün önemli rol oynayacağı bazı fizik konuları irdelenecektir (Norbeck ve ark.,2006) Proton Proton Etkileşmesi BHÇ deki proton-proton çarpışmalarındaki ilk amaç Higgs bozonu ve süpersimetrik parçacıklar gibi Standart Model in ötesindeki fiziği araştırmaktır. Bu olayları gözlemlemek için çok yüksek ışıklık gerektiğinden dolayı, CASTOR kalorimetresi özellikle bu özel çalışma için kullanışlı değildir. Yine de proton-proton programına önemli pratik ve temel katkılar sağlamak için kullanılabilir. Hızlı yanıt zamanı ve nispeten büyük enerji depozitesinde dolayı CASTOR, BHÇ nin ilk çalıştırıldığı zamanlarda bir ışıklık monitörü olarak yararlı olabilir. Enerji kayıp mekanizması gibi bazı temel özelliklerin araştırılması Higgs bozonunun keşfi kadar heyecan verici olmasa da bu gibi çalışmalar QCD (Kuantum Renk Dinamiği) yi anlamaya yönelik önemli katkılar sağlayacaktır. Çok ileri açılardaki ölçümler, protonların alçak x bileşenlerinin etkileşimleri hakkında araştırma yapmaya izin vermektedir (Norbeck ve ark.,2006) Proton Çekirdek Etkileşmesi Proton çekirdek etkileşmesi, proton proton ve çekirdek çekirdek etkileşmeleri arasında bir orta sistem sunar. İlgi çekici yeni fizik olaylarını ileri sürerken bu çalışmalar daha küçük ve daha büyük sistemler arasındaki farkları yorumlamada kullanılabilir. Örneğin RHIC deneyinde gözlemlenen, çekirdek çekirdek çarpışmalarında meydana gelen fakat döteron-çekirdek çarpışmalarında gözlemlenmeyen jet söndürme bir çıkış kanalı etkisidir ve büyük hacimde yüksek 21

34 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK enerji yoğunluklu maddenin yaratılmasından kaynaklanır. Yüksek pseudorapidite verisi enerji akışının çalışılması için çok önemlidir. BHÇ de mümkün olacak kütle merkezi enerjisi, çok yüksek enerjili kozmik ışınların atmosferdeki atomlarla veya diğer elementlerle yaptığı çarpışmalardakine yakındır. Kütle numarası A=14-16 olan çekirdekler için proton-çekirdek çarpışmasının temel parametrelerinin ölçümü ultra yüksek enerjili kozmik ışın verilerini açıklamada yararlı olacaktır (Norbeck ve ark.,2006) Çekirdek Çekirdek Etkileşmesi RHIC deneyinden gelen veriler, ultra-rölativistik çekirdek çekirdek çarpışmaları sonucunda oluşan çok yüksek enerji yoğunluklu sistemin partonik olduğunu göstermiştir. Güncel çalışmalar maddenin bu yeni halinin özelliklerini daha ayrıntılı araştırmaya odaklanmıştır. CMS bu çalışmalara çok önemli katkılar yapabilir ve CASTOR detektörü çok önemli veriler sağlayacaktır. Şekil 2.12 de görüldüğü gibi çekirdek çekirdek çarpışmaları, CASTOR detektörü tarafından kaplanan kinematik bölgede, enerjinin büyük bir kısmı depozit edilir. Azimutsal kesimlemesinden dolayı CASTOR etkileşim düzleminin kesin bir hesaplamasını üretebilir. Gluon doygunluğu, çekirdek-çekirdek çarpışmalarındaki en önemli olaydır. Ana fikir, momentum kesrinin azalmasıyla arttığı bilinen gluon sayısının belli bir kritik yoğunluğun aşılmasıyla doyuma ulaşmasıdır. Bu durumda gluonlar önemli bir biçimde birbirleri ile örtüşür (üst üste biner). Örtüşen gluonlar renkli cam yoğuşumu olarak adlandırılır. Çünkü gluonların renk kuantum özelliği vardır ve yüksek faz uzayında camsı bir yapıya sahiptir. Böyle bir durum için dolaylı kanıt RHIC den gelen verilerde gözlemlenmiştir. Böyle yeni bir durumun etkisi üretilen parçacıkların sayısı gibi diğer gözlemler ile açıklanabilir. CASTOR, RHIC de en ileri detektörde bile elde edilenden daha küçük momentum kesir değerlerini ölçebilecektir. Bu veriler sadece büyük renkli cam yoğuşumu etkisinin sonuçlarını ortaya çıkarmakla kalmayacak aynı zamanda gluon dağılımındaki daha farklı değişimleri de gözlemleyecektir. 22

35 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sertaç ÖZTÜRK 1144 TeV lik kütle merkezi enerjilisinde gerçekleşecek Pb-Pb çarpışmaları olası manyetik monopoller üretmek için en uygun çevreyi oluşturacaktır. Manyetik tek kutupların oldukça ağır ve çiftler halinde üretilebileceği beklenmektedir. Bir klasik Dirac tek kutubu e 2 ya da 68.5e değerinde bir kutup kuvvetine sahiptir. BHÇ enerjisinde dahi tek kutupların yüksek enine enerji ile üretilmesi olası değildir. Fakat CMS in 4 T lık manyetik alanının etkisiyle hızlandırılacağından metre başına 82 GeV lik enerji kazanımı olacaktır. Hemen hemen hiçbir parçacığın üretilmediği merkezden uzaktaki çarpışmalarda CASTOR da yaklaşık 1 TeV enerjili bir nesne olarak ortaya çıkabilir. Uzunlamasına (boylamsal) enerji kaybı profiline bakılarak diğer 1 TeV enerjili nesnelerden kolaylıkla ayırt edilebilir. Uygun koşullar altında diğer kutup CMS in diğer sonunda bulunan CASTOR da ortaya çıkabilir. BHÇ deki kütle merkezi enerjisi en yüksek enerjili kozmik ışınların enerjilerine eşittir. CASTOR da normal olayların çalışılması, kozmik ışın deneyleri için öncelikle enerjinin iyi bir kalibrasyonunu sağlayacaktır. Kozmik ışın olayları alışılmışın dışında enerji kaybı profili gösterir. Enerjik kozmik ışınlar için, Centauro, Chiron, Geminion gibi isimlerle tanımlanan yaklaşık %3 lük egzotik ürünler vardır. Bunlar enerji kaybı profillerine ve parçacık türlerinin oranına bakılarak birbirinden ayırt edilir. En fazla egzotik olay kozmik demir çekirdeklerinin atmosfer ile etkileşmesi sonucu oluşur. Bunlardan daha fazla egzotik ürün Pb-Pb çarpışmalarında üretilebilir. Eğer CASTOR kozmik ışınlarda görülen türde olaylar üretmezse, birincil kozmik ışınlar egzotik parçacıklar olabilir (Norbeck ve ark.,2006). Diğer birçok fizik konusu çok küçük açılardaki verileri kullanarak verimli bir biçimde belirtilebilir. Yukarıda bahsettiğimiz fizik araştırmaları için CASTOR detektörü hayati bir öneme sahiptir. CASTOR da üretilen sinyaller fotoçoğaltıcı tüpler tarafından varlanacağından, fotoçoğaltıcı tüplerin seçimi ve doğru çalışma aralıklarının belirlenmesi çok önemlidir. Fotaçoğaltıcı tüpler ile ilgili bilgi bir sonraki bölümde aktarılmaktadır. 23

36 3. MATERYAL METOD Sertaç ÖZTÜRK 3. MATERYAL VE METOD 3.1 Fotoçoğaltıcılar Fotoçoğaltıcılar, ışığı ölçülebilir bir elektrik akımına dönüştüren aygıtlardır. Oldukça duyarlıdırlar ve nükleer ve yüksek enerji fiziğinde daha çok sintilatör detektörü ile birlikte kullanılırlar. Kullanımları oldukça çeşitlidir. Bu bölümde fotoçoğaltıcıların temel yapısını ve özelliklerini tartışacağız Temel Yapısı ve Çalışması Şekil 3.1, bir tipik fotoçoğaltıcının şematik şeklini göstermektedir. Fotoçoğaltıcılar, foto duyarlılığı yüksek materyalden yapılmış bir katot, takiben bir elektron toplayıcı sistem, bir elektron çoğaltıcı bölüm ( dinotlar ) ve son olarak son sinyalin alındığı bir anottan meydana gelmektedir. Bütün parçalar havası boşaltılmış bir cam tübe yerleştirilmiştir. Fotokatot Odaklayıcı elektrot Hızlandırıcı elektrot İlk dinot Cam Görsel giriş sistemi Zarf Çoğaltıcılar Son dinot Anot Ayak Pompalama gövdesi Anahtar Taban Şekil 3.1. Bir fotoçoğaltıcı tübün şematik şekli (Philips,1994) 24

37 3. MATERYAL METOD Sertaç ÖZTÜRK Şekil 3.2. Çeşitli tür ve boyutlardaki fotoçoğaltıcı tüpler (Hamamatsu,2006) Çalışması boyunca bir yüksek voltaj katot, dinot ve anoda uygulanır. Gelen bir foton fotokatotu etkilediği zaman, fotoelektrik etki ile bir elektron yayımlanır. Uygulanan yüksek voltajdan dolayı, elektron ilk dinota doğru yönelir ve hızlanır. İlk dinota çarparak enerjisinin bir kısmını dinottaki elektronlara transfer eder. Bu, ikincil elektronların yayımlanmasına neden olur. Bu elektronlar da bir sonraki diğer dinota yönelir ve hızlanmaya devam eder. Elektronlar sıradaki dinota çarpar ve yeni elektronların yayımlanmasını sağlar. Bu olay böylece devam eder ve bir elektron şelalesi dinotlardan aşağıya doğru oluşturulur. Anotta bu şelale, kuvvetlendirilebilir ve analiz edilebilir bir akım vermek için toplanır. Fotoçoğaltıcılar sürekli bir biçimde; örneğin sabit bir aydınlatma altında, ya da sintilatör sayımında olduğu gibi puls biçiminde çalıştırılabilir. Her iki durumda da, eğer katot ve dinot sisteminin doğrusal olduğunu kabul edersek, fotoçoğaltıcının çıkışında oluşan akım, doğrudan gelen fotonların sayısıyla orantılı olacaktır. Fotoçoğaltıcılara bağlı bir sintilatör çiftinden oluşan bir radyasyon detektörü sadece 25

38 3. MATERYAL METOD Sertaç ÖZTÜRK parçacığın varlığı hakkında bilgi vermeyecek, aynı zamanda parçacığın enerjisi hakkında da bilgi verecektir (Leo,1993). Şimdi fotoçoğaltıcıların çeşitli parçalarını daha ayrıntılı inceleyelim Fotokatot Gördüğümüz gibi fotokatot, gelen ışığı fotoelektrik etki ile bir elektron akımına çevirir. Bu ışığın geçişini kolaylaştırmak için fotoçoğaltıcının camının içine ince bir katman halinde foto duyarlılığı yüksek bir materyal konulur. Bu genellikle kuartz ya da camdan yapılmıştır. Einstein ın çok iyi bilinen fotoelektrik etki formülü, E h, (3.1) şeklindedir. Burada E, yayımlanan elektronun kinetik enerjisi, ν; gelen fotonun frekansı, ise iş fonksiyonudur. Fotoelektrik olayının olabilmesi için, minimum bir ν frekansı gerektiği açık bir şekilde görülmektedir. Fotoelektrik dönüşümü için verimlilik, gelen ışığın frekansına ve materyalin yapısına bağlı olarak değişmektedir. Bu genel spektral tepki kuantum verimlilik, ( ), ile ifade edilir ve saliverilen fotoelektron sayisi ( ), (3.2) katota gelen foton sayisi şeklinde tanımlanır. Burada λ, gelen fotonun dalga boyudur. Bir denk nicelik katot ışınım duyarlılığıdır ve I k S( ), (3.3) P( ) bağıntısı ile verilir. Burada I ; fotokatottan yayımlanan fotoelektrik akımı, P ( ) k ise gelen ışığın parlaklık (ışınım) gücüdür. Katot ışınım duyarlılığı genellikle amper/watt birimi ile verilir ve kuantum verimliliği cinsinden, 26

39 3. MATERYAL METOD Sertaç ÖZTÜRK e S ( ) ( ), (3.4) hc şeklinde yazılır. S(λ) nın birimi A/W ve λ nın birimi nanometre olmak üzere ( ) S ( ) [A/W], (3.5) 1240 dir (Leo,1993). Kuantum Verimlilik, % Plastik Göreli Yoğunluk, % Dalgaboyu, nm Şekil 3.3. Çeşitli materyaller için kuantum verimlilik (Electron Tubes,2006) 27

40 3. MATERYAL METOD Sertaç ÖZTÜRK Şekil 3.3, bugün fotoçoğaltıcılarda kullanılan bazı fotoelektrik materyallerin kuantum verimlik dalgaboyu (λ) grafiğini göstermektedir. Bir fotoçoğaltıcı seçilirken göz önünde bulundurulan ilk şey, gelen ışığın dalgaboyu için o fotoçoğaltıcının duyarlılığıdır. Şekil 3.3 de gösterilen fotokatotlar için verimlilik tepesi yaklaşık olarak 400 nm civarındadır ve sintilator ile kullanmak için oldukça uygundur. En yaygın kullanılan fotokatot türleri tablo 3.1 de verilmiştir. Katot Tipi Bileşimi Zirveye Ulaştığı Kuantum Dalgaboyu, λ (nm) Verimlilik S1(C) Ag-O-Cs S4 SbCs S11 (A) SbCS Süper A SbCs S13 (U) SbCs S20 (T) SbNa-KCs S20R SbNa-KCs TU SbNa-KCs Bialkali SbRb-Cs Bialkali D Sb-K-Cs SB Cs-Te Tablo 3.1. Fotokatot Karakteristikleri (RTC katalogu) Bugün kullanılan çoğu fotokatot yarı iletken materyallerden yapılmıştır. Metal ya da diğer fotoelektrik malzemeden ziyade yarı iletken seçimi, bir fotonu kullanılabilir bir elektrona çevirmek için çok daha fazla kuantum verimliliğe sahip olmasından kaynaklanır. Gerçekte çoğu metalde, kuantum verimlilik % 0,1 den daha büyük değildir. Bunun anlamı, bir fotoelektronun yayımlanması için ortalama 1000 tane fotonun gerekmesidir. Yarı iletkenler ise yaklaşık olarak % 10 ile % 30 arasında kuantum verimliliğe sahiptir. Bu fark maddelerin kendine özgü yapılarından 28

41 3. MATERYAL METOD Sertaç ÖZTÜRK kaynaklanır. Örnek olarak, bir elektronun madde içinde, x derinliğinde bir foton soğurduğunu varsayalım. Yüzeye hareketi sırasında bu elektron, yol boyunca atomik elektronlarla çarpışacağı için ΔE x(de/dx) şeklinde enerji kaybına uğrayacaktır. Metallerde bu atomik elektronlar yaklaşık olarak serbesttirler ve büyük enerji transferine neden olurlar. Dolayısı ile de/dx oranı büyüktür. Bu yüzden potansiyel engeli geçerek yeterli enerji ile yüzeye ulaşma olasılığı azdır. Bu sonuçtan dolayı kullanılacak materyalin hacmi ince bir katman şeklinde kısıtlanır. Bu katmanın kalınlığı kaçış derinliği olarak adlandırılır (Leo,1993). Şekil 3.4. Fotoemisyon olayı (Philips,1994) Metallerin aksine yarı iletkenler, enerji bandında sadece birkaç serbest elektrona sahiptirler ve geri kalan elektronlar atoma sıkı sıkı bağlıdır. Valans bandından salınan elektron yüzeye ulaşmadan önce sadece birkaç serbest elektron ile etkileşecektir. Dolayısıyla fotoelektronun yeterli enerji ile yüzeye ulaşma ihtimali daha olasıdır. Kaçış derinliği ve verimlilik daha fazladır. Fotokatotların yapımındaki yeni bir gelişme de galyum fosfat (GaP) gibi negatif elektron eğilimli materyal kullanımıdır. Bu materyallerde yüzeye yakın bant yapısı, iletim bandının alt enerji seviyesi vakum potansiyelinin üstünde olsun diye eğdirilmiştir. İş fonksiyonu bu yüzden negatiftir. Bir potansiyel engel olmaksızın, bir elektronun kaçması için sadece yüzeye ulaşacak kadar enerjiye sahip olması yeterlidir. Bu tip materyaller % 80 ne varan kuantum verimliliğe sahip olabilirler. 29