Deneysel Yüksek Enerji Fiziği FZK Uludağ Üniversitesi

Transkript

1 Deneysel Yüksek Enerji Fiziği FZK 4206 Uludağ Üniversitesi

2 Nedir? Parçacık Fiziği, temel parçacıkların keşfi, özelliklerinin ölçülmesi ve aralarındaki temel etkileşmeleri inceler. İncelemeleri yapabilmek için yüksek enerjilerde deney yapmak gerekir. Parçacık Fiziği = Yüksek Enerji Fiziği Nükleer Fizik ise temel parçacıklardan oluşmuş karmaşık sistemleri inceler. Konusu elektron, proton, nötron gibi alt parçacıklardan oluşmuş atom ve bu parçacıkların etkileşmelerini inceler.

3 Tarihsel Gelişim BC : Antikçağ BC: Bilimsel Gelişim ve Klasik Mekanik BC: Kuantum Teorisi Günümüze: Modern Fizik (Standart Model)

4 Tarihsel Gelişim Temel Parçacık Fiziği, 1897'de J.J.Thomson'ın elektronu (corpuscules) keşfetmesiyle başlar. Sıcak bir filamandan yayılan katot ışınlarının (parçacık demeti) bir mıknatıs ile saptırılabilmesi ile bunların elektrik yükü taşıdığı, ve bükülme yönünden de bu yükün negatif olduğu belirlenmiştir. 1905, A. Einstein, bir parçacık gibi davranan ışık kuantumunu (foton) önerdi. Fotoelektrik olay (E hn-w), Kütle ve enerjinin eşdeğerliği, Özel görelilik.

5 Tarihsel Gelişim 1909, E. Rutherford, alfa parçacıklarının geri saçılması için atomun içinde küçük, yoğun ve pozitif yüklü birşey (çekirdek) olduğu sonucuna vardı lerin sonunda atomun elektron ve protondan oluştuğu, negatif yüklü elektron ve pozitif yüklü proton nötr atomu oluşturuyor olarak düşünülür. Atom Modelleri:

6 Tarihsel Gelişim 1927' de bazı radyoaktif maddelerin sürekli spektruma sahip elektronlar yayınladığı gözlemlendi Protonun çevresindeki elektronlar ancak belirli enerjilerde yayınlanabilir. Buradaki elektronlar sürekli spektruma sahip. Sonuç olarak bunlar yörünge elektronu değil çekirdekten çıkan elektronlardır. Radyoaktif bozunmalar de P. Dirac pozitron varlığını postüle etti. Schrödinger denklemini (parçacığın enerjisi ve momentumu gibi bilgileri içeren dalga fonksiyonunun uzay ve zamana bağlı değişimi) görelilik teorisi ile uyumlu hale getirmeye çalışırken elektron spinin ½ olduğunu ve denklemi sağlayan bir parçacık (pozitron) olması gerektiğini öngördü.

7 Tarihsel Gelişim 1932, J. Chadwick, nötron keşfi. manyetik alanda sapmayan, kalın ortamda nüfüz edebilen ve parafin gibi bir malzemeden proton kopartan bir parçacık. 1932, Carl D. Anderson kozmik ışın deneyleri sırasında bir antiparçacık olarak tanımlanan positronu Sis Odasında gözlemledi. Parçacık fiziğin başlangıcı...

8 Tarihsel Gelişim bugün

9 Dersin İçeriği Tüm temel (alt) parçacıkların üzerine yapılan çalışmalar Aralarındaki kuvvet etkileşmeleri Reaksiyona sebep olan fiziksel etkiler Madde enerji ilişkisi Maddenin kaynağı Bu derste parçacıkların araştırılmasında, Yapılan deneylerin mekanizması Nasıl gerçekleştirildiği Nasıl hızlandırıldığı ve çarpıştırıldığı Deteksiyon mekanizması

10 Parçacık Fiziğinde Birimler S.I. Birimleri: kg, m, s günlük karşılaşılan cisimler için doğal bir seçimdir, fakat parçacık fiziği için oldukça büyük birimlerdir. Parçacık Fiziğinde Doğal Birimler kullanılmaktadır: kuantum mekaniğinden ħ görelilikten ışığın hızı: c (3x108 m/s) parçacık fiziğinden enerji birimi: GeV proton durgun-kütle enerjisi~938 MeV/c2=1.673x10-24 g Enerji: GeV Momentum: GeV/c Kütle: GeV/c2 Zaman: (GeV/ħ)-1 Uzunluk: (GeV/ħc)-1 Alan: (GeV/ħc)-2 ħ=c=1 Böylece,bütün fiziksel nicelikler GeV cinsinden ifade edilir h Planck sabiti, h = h/2π = 6.626x10-34 J.s = 4.14x10-15 ev.s ħ indirgenmiş Planck sabiti, ħ = h/2π

11 Neden Yüksek Enerji Fotonların yayınlanma mekanizması; Ex = EL -EK E = h ν ν= c / λ Ex = hc / λ λx = hc /Ex Bu şekilde maddeye bağlı karakteristik bir ışınım salınır (X-Işını)

12 Neden Yüksek Enerji Temel parçacıkları inceleyebilmek için yüksek enerjilere ihtiyaç vardır. ev : 1 Volt' luk elektrik potansiyeli altında bir elektronun kazandığı kinetik enerjidir. 1 ev ~ 1.602x10-19 Joule 1 V ~ 1 Joule/Coulomb Yüksek demet enerjisi Daha kısa dalgaboyu Daha iyi çözünürlük

13 Neden Yüksek Enerji Büyük Patlama Proton Atom Evrenin ilk anlarını açıklayabilmek Dünyanın yarıçapı Dünya-Güneş uzaklığı Galaksilerin yarıçapı Evrenin boyutu cm

14

15 Neden Yüksek Enerji Mesafe Enerji ilişkisi: de Broglie bağıntısı λ = h / P parçacığın momentumuna bağlı olarak Ona eşlik eden dalganın dalgaboyunu verir. Yüksek Enerjide: hc = 1234 ev.nm hc = J.nm λ = h / P = 2pħc / Pc Soru: 1 GeV' lik elektron yaklaşık olarak 1 GeV/c momentuma sahiptir. Bu elektronun dalgaboyu nedir ve atomu nasıl görür? Soru: 100 GeV' lik elektronun dalgaboyu nedir ve atomu nasıl görür?

16 Neden Yüksek Enerji Işığın doğasının farklı deneyler sonucunda madde-dalga ikilemine sahip olduğu görülmüştür. Mesela ışık kırınım olayında dalga, fotoelektrik olayda madde gibi davranmaktadır. Fransız fizikçi Louis de Broglie doktora tezinde bir parçacık olarak düşünülen elektronun hızlandırıldığında bir dalga gibi davranıp, dalgalara ait özellikler (kırınım, girişim) göstereceğini önerdi. Bu öneri tüm momentuma sahip parçacıklar için geçerlidir. Fakat parçacığın dalga yapısı göstermesi ve atomik boyutta etkileşme yapması için kütlesinin çok küçük olması gerekir. Soru: 400 m/s hızla hareket eden 10 g kütleli bir kurşun için de Broglie dalgaboyu nedir?

17 Neden Yüksek Enerji Kütlenin büyük olması dalgaboyunu çok küçülttü. Madem momentum büyük (kütlesinden dolayı) hızı düşürürsek, υ ~ 0.01 m/s olursa dalgaboyu λ = h / mυ ~ 6.63x10-30 m Sonuç: Madde dalga özelliği göstermesi için kendisine eşlik eden dalgaboyu civarında bir boyuta sahip olmalıdır. Bir bilardo topu dalga özelliği gösterip atomik etkileşme yapamaz. Soru: 54 V luk bir potansiyel farkı altında hızlandırılan elektronun dalgaboyu nedir?

18 Neden Yüksek Enerji 1926 yılında Davisson-Germer, elektronun dalga özelliği gösterdiğinin deneyini yapmıştır. Isıtılımış filamandan üretilen elektronlar Potansiyel farkı altında hızlandırılıp Ni kristalinden saçılması gözlenir. Saçılma açısı d sinθ = n λ Soru: Deneyde kullanılan Ni için d = nm ve elektronlar 54 V luk potansiyel altında 500 lik açı ile sapıyor ise saçılan elektronun λ =? Not: de Broglie dalgaları Bohr atom modeline de açıklma getiriyor. Bu modelde elektronlar ancak belirli yörüngelerde (de Broglie dalgaboylarının tam katlarında) bulunabilir.

19 Neden Yüksek Enerji De Broglie parçacığın dalga ile temsil edilebileceğini söylemiş. Bu dalgalar parçacığa eşlik ediyor ve parçacıklar aynı hıza sahiptir. Schrödinger denklemi parçacıkları onların dalga fonksiyonları ile tanımlayarak parçacıkları uzay-zaman değişimi altında inceler. Schrödinger denklemi, belirli kısıtlamalara maruz bırakılmış bir parçacığa eşlik eden ψ dalga fonksiyonun diferansiyel denklemidir (örnek: çekirdeğin elektrik alanı ile atoma bağlı bulunan bir elektrona eşlik eden ψ dalga fonksiyonu) Dalga fonksiyonunun fiziksel yorumu Max Born tarafından yapıldı. Bir dalganın genliğinin karesi ile şiddeti arasındaki orantıdan yararlanarak, dalga fonksiyonunun karesinin parçacığın birim hacimde bulunma ihtimalini verdiğini ortaya koydu. Parçacıkların bir dalga fonksiyonu ile hareketinin tanımlanması, parçacıklar arası etkileşmenin bilardo topları gibi çarpışmalar şeklinde değil dalga fonksiyonlarının etkileşmesi şeklinde düşünmemize yol açar.

20 Neden Yüksek Enerji Büyük dalgaboylu küçük enerjili Küçük dalgaboylu büyük enerjili Momentum (Enerji, E = P.c) arttıkça daha ayrıntılı inceleme yapılabilir. Ancak bu hassasiyet sınırlıdır; dx.dp ħ (Heisenberg Belirsizlik İlkesi) Örneğin atomik boyutlarda dx m kesinlikte bir işlem için foton dp ħ / dx 100 MeV/c momentumuna sahip olmalıdır.

21 Parçacıkların Sınıflandırılması İstatistiksel mekaniğin temel postülatlarından birisi; Bir parçacığın herhangi bir durumda bulunma ihtimali, diğer kuantum durumunda bulunma ihtimali ile aynıdır. Kuantum durumu spini, Enerji-Momentum, Konumu Bu durum serbest parçacıklar için geçerlidir. Sisteme dışardan etki eden E alan, B alan veya Yerçekim gibi kısıtlamaların olmadığı durumlarda söz konusudur. Kısıtlamalar olduğunda, parçacıkların bütün durumlarda aynı ihtimalle bulunabilme hali ortadan kalkar. Spin, bir parçacığın kuantum durumunu belirlemede önemli faktörlerden biridir.

22 Serbest Parçacık Parçacıkların Sınıflandırılması - Spin Spin : bir parçacığın durgun olduğu sistemde sahip olduğu açısal momentum değeridir. = L = r P r m v r v ) =m ( r ( w r )) =m ( Bohr atom modeline göre elektronlar belirli yörüngelerde bulunmakta ve geçişlerde belli enerjili fotonlar yayınlamaktadır. Ancak manyetik alan içerisinde birbirine çok yakın spektrum çizgileri gözlendi. Bu durum 1925 de Hollanda'lı fizikçiler Uhlenbeck ve Goudsmit tarafından açıklandı: Elektron, orbital etrafında dönerken aynı zamanda kendi ekseni etrafında da dönmektedir. Spin birimi ħ dır, elektron, proton, nötron gibi parçacıklar ħ/2 spine, foton ise 0 spine sahiptir.

23 Serbest Parçacık Parçacıkların Sınıflandırılması - Spin Pauli dışlama ilkesi, bir atomda iki elektronun aynı anda aynı enerji seviyesinde bulunamayacaklarını ifade eden prensip. (1945 Nobel Fizik ödülü) Pauli, elektron spini 4. kuantum sayısını ifade etmiştir. (1,2,3?) Bu da spinin saat yönünde veya ters yönde olabileceği şeklindedir. Pauli'ye göre, bir orbitale spini 1/2 olan bir elektron yerleşmişse, aynı orbitale yerleşen ikinci elektronun spini ters yönde (yani -1/2) olmalıdır. Böylece birbirine ters yönde spinli iki elektronun yer aldığı orbital dolmuş olur. Doğru Yanlış 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p... Doğru Yanlış

24 Serbest Parçacık Parçacıkların Sınıflandırılması - Spin Elektron ve proton gibi yarım spinli parçacıklar Pauli dışarlama ilkesine uyarlar. Bu parçacıklar Fermi-Dirac istatistiğine uyarlar. Bu tür parçacıklara fermion denir. Foton gibi tam spinli parçacıklara Pauli dışarlama ilkesine uymazlar. Bu parçacıklar Bose-Einstein istatistiğine uyarlar. Bu tür parçacıklara bozon denir. Elektronların enerji seviyelerinde yerleşimi

25 Serbest Parçacık Parçacıkların Sınıflandırılması - Spin Spinlerine göre sınıflandırma

26 Serbest Parçacık Parçacıkların Sınıflandırılması - Spin Kuarklarına göre sınıflandırma Kuark yükleri toplandığında proton yükü +1 nötron yüksüz pion +1

27 Standart Model Temel parçacıkların nasıl düzenlendiğini ve farklı kuvvetler aracılığında birbirleri ile nasıl etkileştiğini açıklayan bir teoridir. Temel parçacıklar kuarklar ve leptonlar olarak isimlendirilen iki aileye ayrılırlar Bu ailelerin her biri altı parçacıktan oluşur I. nesil en hafif - III. nesil an ağır olmak üzere üç nesle ayrılır Parçacıklar arasında da etkileşmeyi sağlayan 4 farklı kuvvet ve kuvvet taşıyıcıları vardır

28 Temel Kuvvetler Kuvvet taşıyıcıları aracılığı ile doğada 4 temel etkileşme vardır. 1. Gravitasyonel (kütle çekimi) 2. Zayıf 3. Elektromanyetik 4. Kuvvetli

29 Temel Kuvvetler Bütün parçacıklar her kuvvet taşıyıcısından etkilenmezler. Örneğin elektron ve proton elektromanyetik kuvvet taşıyıcısı olan fotondan etkilenirler. Foton yayınlayabilir ve soğurabilirler. Yüksüz olan nötrino ise foton tarafından etkilenmez ve böylece foton yayınlayıp soğuramaz. Parçacıklar arası etkileşmelerin kuantumlu alanlarla temsili Feynman Diyagramları yardımı ile göz önünde canlandırılabilir.

30 Temel Kuvvetler (Feynman Diyagramları) Fermiyonlar Kuvvet taşıyıcılar e+e γ µ+µ Elektron positron yok olması (Elektromanyetik Etkileşme) n p e- νe Nötron bozulması (Zayıf Etkileşme) K+ π + π + π Kaon bozunumu (Zayıf ve Kuvvetli Etkileşme)

31 Temel Kuvvetler (Feynman Diyagramları) Sezilgen foton Elektromanyetik Zayıf Kuark tipinde değişim (çeşni değişimi) Kuarklar arası Nükleonlar arası

32 Temel Kuvvetler Gravitasyonel Etkileşmeler: (Kütle-Çekimi) Kütlesi olan tüm parçacıklar arasında gerçekleşir Kütleler arası uzaklığın karesi ile ters orantılıdır Evrendeki büyük yapılarda belirgin olur Ufak kütlelerde ihmal edilebilir Kuvvet taşıyıcı graviton dur Deneylerde gözlemlenmemiştir G = 6.672x10-11 N.m2/kg2

33 Temel Kuvvetler Zayıf Etkileşmeler: Kuark değişimini gerçekleştirir Radyoaktif bozunumlar (beta bozunması) Çekirdek birleşimi (Güneş) Kuvvet taşıyıcıları W+,W-,Z0 bozonlarıdır 1983 de SPS' de gözlemlendi (Super Proton Synchrotron) Fusion / Fission

34 Temel Kuvvetler Elektromanyetik Etkileşmeler: Yüklü parçacıklara etki eder Sonsuz menzile sahiptir Elektrik ve Magnetik kuvvetlerin etkisi altında kendini gösterir Kuvvet taşıyıcısı foton dur QED teorisi (Quantum ElectroDynamic) Foton Yüklü parçacık Yüklü parçacık Yüklü parçacık

35 Temel Kuvvetler Kuvvetli Etkileşmeler: Çok kısa menzile sahiptir Kuvvet taşıyıcıları gluon (glue) dur Kuarklar arasında renk kuvveti bulunmaktadır Uzaklık arttıkça bu kuvvette artar Baryonlar arasında geçerlidir mezon değişimi ile gerçekleşir QCD teorisi (Quantum ChromoDynamics)

36 Temel Kuvvetler Özetle; Etkileşim Kuvvet Taşıyıcısı Menzili (m) Şiddet Örnek Kararlı Sistem Gravitasyonel Graviton Sonsuz 6 x Serbest düşme Güneş sistemi Zayıf W+,W-,Z βbozunması Yok Elektromanyetik Foton Sonsuz 1/137 Cep telefonları Atomlar, moleküller Kuvvetli Gluon Çekirdek reaksiyonları Hadronlar, Çekirdek SoRu: Yüklü parçacıkların etkileşimini bir şekil ile gösteriniz? soru: Çekirdek içerisinde protonlar nasıl bir arada bulunabilmektedir?

37 Temel Kuvvetler CeVaP cevap

38 Temel Kuvvetler

39 Higgs Bozonu Kuarklar, yüklü leptonlar ve zayıf etkileşme bozonları (kuvvet taşıyıcıları) ile etkileşip onları kütle sahibi yaparken foton ve gluon ile etkileşmeyen parçacık Yani kuarkların, leptonların ve kuvvet taşıyıcıların kütlesinin kaynağını açıklayacak parçacık Standart modelin tamamlanmasında önemlidir Henüz gözlemlenememiştir (Ocak 2012)

40 Hızlandırıcılar Parçacık fiziğinde deneyler yapabilmek için parçacıklara yüksek enerjiler vermek gerekir Parçacıkların kinetik enerjileri Arttırılmalıdır Yüksek enerji Büyük kütleli parçacık üretimi En basit hızlandırıcı kullandığımız! televizyonlar veya monitorler Livingston Blewett

41 Hızlandırıcılar EB Ec.m mt Sabit hedef Demet enerjisi Kütle merkezi enerjisi Hedef kütle Çarpışan demet Işınlık (Limunosity) N1,2 A R Demetteki parçacık sayısı Demet tesir Demet yarıçapı

42 Hızlandırıcılar Hızlandırma 2 şekilde 1. Elektrostatik (electrostatic) alan Katot ışını, TV Van de Graaf üreteci (1929) Cockcroft Walton üreteci (1932) 2. Salındırıcılı (oscillating) alan Modern hızlandırıcılar...

43 Hızlandırıcılar Doğrusal Hızlandırıcılar Wideroe Doğrusal Hızlandırıcı Alvarez Doğrusal Hızlandırıcı FERMILAB

44 Hızlandırıcılar Siklotron (Cyclotron) yüklü parçacıklar yüksek frekansta değişen voltaj düzleme dik B Dairesel Hızlandırıcılar - Vakum demet hattı - Hızlandırıcı Kaviteler - Bükücü magnetler - Odaklayıcı magnetler

45 Hızlandırıcılar Hızlandırıcı Kaviteler Radyofrekans ile voltaj kutuplanması Bükücü magnetler Demeti dairesel hat boyunca büker? Odaklayıcı magnetler Demeti toparlar

46 Parçacıkların Madde ile Etkileşimi Tesir kesiti (σ) φ Gelen parçacık akısı A Reaksiyon hızı d ρ σ= Atar Soğurucu hedef alanı Hedef yoğunluğu mmol Molar kütle NA Avagadro sayısı Birim zamanda verilen bir türdeki etkileşmelerin (reaksiyon) sayısı Gelen parçacık akısı x Hedef parçacıkların sayısı 1 mb = cm2 1 GeV-2= mb 1 mb = 2.57 GeV-2

47 Parçacıkların Madde ile Etkileşimi Parçacıkları algılamak için parçacık madde ile etkileşmeli En önemli etkileşme süreçleri EM Yüklü parçacıklar - İyonizasyon ile enerji kaybı (ağır parçacıklar, e-, e+) - Foton salınımı ile enerji kaybı (e-,e+) Fotonlar - Fotoelektrik - Compton - Çift oluşumu Diğer önemli EM süreçleri - Çoklu saçılma - Sintilasyon ışığı - Cerenkov ışığı - Transition

48 Parçacıkların Madde ile Etkileşimi Ağır yüklü bir parçacık (m, Ze, v) serbest atomik elektron (me, e, 0) Ile çarpışmalar yaparak enerji kaybeder. Ağır yüklü parçacık = mgelen>>me proton, k, π, µ Birim uzunluktaki enerji kaybı (iyonizasyon & uyarılma) Temel sabitler re = elektron klasik yarıçapı me = elektron kütlesi Na = Avogadro sayısı c = ışık hızı Gelen parçacık z = yükü β = v/c γ = (1-β2)-1/2 Wmax= bir çarpışmada max. enerji transfer =0.1535MeV-cm2/g [ m γ v W max de Z z 2 2 e 2 =2πN a r e me c ρ ln( ) 2β dx A β2 I2 Bethe-Bloch formulü Soğurucu ortam I = ortalama iyonizasyon potansiyeli Z = atom numarası A = atomik ağırlığı ρ= yoğunluğu δ= yoğunluk düzeltmesi C = kabuk düzeltmesi W max = 2m e ( cβγ ) 2 1 +m e / M 1+( βγ ) 2+( m e / M ) 2 2m e ( cβγ ) 2 ]

49 Parçacıkların Madde ile Etkileşimi Enerji kaybı fonksiyonu Ortalama iyonizasyon enerjisi

50 Parçacıkların Madde ile Etkileşimi [ 2 2m e γ 2 v 2 W max de C 2 2 Z z 2 c =2πN a r e m e c ρ ln ( ) 2β δ 2 dx A β2 Z I2 δ = gelen parçacığın elektrik alanının ortamdaki elektronların yük yoğunluğu ile nasıl perdelendiğini tanımlayan parametre δ 2lnγ+ζ, ζ = materyele bağlı sabit C kabuk düzeltme, gelen parçacığın Hızının bağlı elektronların orbital hızı ile karşılaştırılabilir olduğu durumlarda geçerlidir, küçük bir düzeltmedir ]

51 Parçacıkların Madde ile Etkileşimi Elektronların madde ile etkileşimi Atomdaki orbital elektronlar ile inelastik saçılma Ortamdaki atomların iyonizasyonuna ve uyarılmasına neden olur. Çarpışmalarla Durdurma Gücü (Collisional Stopping Power) Atomlarla elastik saçılma (enerjisi değişmez) Çekirdek ile inelastik saçılma Bremsstrahlung (frenleme ışını) (Radiative Stopping Power)

52 Parçacıkların Madde ile Etkileşimi Fotoelektrik etki σ α Z5 Compton saçılması 2 29 Nitrojen 2 E << mc σ=σ T = m 3 E 2E 1 2 E >> mc σ= σ T ln mc mc ( Çift oluşumu σ α Z2 ) Kurşun

53 Parçacıkların Madde ile Etkileşimi Çoklu saçılma (Multiple Scattering) Sintilasyon ışığı (Scintillation Light) Cerenkov ışığı (Cerenkov radiation) Geçiş ışıması (Transition radiation)

54 Parçacıkların Madde ile Etkileşimi Radyasyon uzunluğu (Lr) madde içerisinde ilerleyen elektronun enerji kaybını ifade eden önemli bir büyüklüktür A 2 L r= ( g cm ) Z ( Z+1 )ln(287 / Z ) Yüksek enerjiili elektronların enerjisinin 1/e sini Bremsstrahlung ile kaybetmesi için alacağı ortalama yol Yüksek enerjili fotonların çift oluşumunu gerçekleştirmesi için ortalama serbest yolunun 7/9 udur

55 Detektörler Neden detektör? Çarpışmadan sonraki parçacıklar... Yüksek Enerji Detektörleri (YED) elementer parçacıklar belirlemek için dizayn edilir. Herbir deney kendine ait bir detektör sistemine sahiptir, fakat genel olarak bir YED; Parçacığın yükünü, yönünü ve momentumunu ölçmeli Çarpışmada herbir yöndeki elektronların ve fotonların taşıdıkları enerjiyi ölçmeli Çarpışmada herbir yöndeki hadronların (protonlar, pionlar, nötronlar, v.s) taşıdıkları enerjiyi ölçmeli Çarpışmada oluşan elektronları ve muonları tespit etmeli Nötrinolar gibi detekte edilmeyen parçacıkların varlığını momentum korunumdan tespit etmeli Yukarıda sayılan özellikleri yeterince hızlı yapabilmeli Ölçülen bilgileri eksiksiz kayıt edilebilmeli Radyasyon tehlikelerine karşı güvenilir olmalı

56 Detektörler CERN SLAC DESY FERMILAB BROOKHAVEN KEK CESR Soru : Yukarıda bahsedilen 4 detektörün genel özelliklerini veriniz

57 Detektörler SUPERCONDUCTING COIL CALORIMETERS ECAL Scintillating PbWO4 crystals HCAL Plastic scintillator/brass sandwich IRON YOKE TRACKER Silicon Microstrips Pixels Total weight : 12,500 t Overall diameter : 15 m Overall length : 21.6 m Magnetic field : 4 Tesla MUON BARREL Drift Tube Resistive Plate Chambers ( DT) Chambers (RPC ) MUON ENDCAPS

58 Detektörler Bir YED etkileşme noktası etrafını çevreleyen (tıpkı bir soğan gibi) alt detektörlerden oluşur. Böylece etkileşen parçacıkların detekte edilmeden kaçması engellenir. Tipik bir YED' in çarpışma noktasından itibaren dış katmanlara doğru alt detektörlerin bileşenleri şu şekildedir; Vertex Detektör İz Takip Edici Detektör Elektromagnetik Kalorimetre Hadronik Kalorimetre Muon Kalorimetre

59 Detektörler Vertex Detektör Vertex detektörler çarpışmadan sonra ortaya çıkan kısa ömürlü parçacıkları detekte eder. Çarpışma noktasına en yakın olan alt detektördür.amacı etkileşme noktasına çok yakın kısa ömürlü bozunan parçacıkların izlerini ölçmektir. Ağır b ve c kuarklarını içeren ve ömürleri yaklaşık ve sn civarında olan parçacıklar kısa ömürlüdür Tipik olarak çok ufak yarıçaplı silindirik tabakalardan yapılmıştır. Yaklaşık bir kola kutusu büyüklüğündedir. Bir çok vertex detektör yarıiletkendir. Bununla birlikte gazlı detektörler de kullanılmaktadır. ALEPH

60 Detektörler İz Takip Edici Detektör Çarpışmadan sonra oluşan yüklü parçacıkların enerjilerinin bir kısmını iyonizasyon vasıtasıyla kaybettirerek parçacıkların yükünü, momentumunu ve yörüngesini belirler Güçlü magnetik alan içerisinde bulunur (CMS' de 4T) Magnetik alan parçacıkların yörüngelerinin dairesel olarak bükülmesine neden olur. Herbir yörüngenin yarıçapı parçacığın momentumunu, bükülme yönü ise paracığın yükünün işaretini belirler Genel olarak büyük hacimli gaz sürüklenme odaları (Drift Chambers) iz detektörü olarak kullanılır. Gelen yüklü parçacıklar gaz atomlarını iyonize ederek elektron-iyon çiftleri oluşturur. Elektronlar pozitif yüklü sinyal teline doğru bir elektrik alan etkisinde sürüklenirler. Tele varış zamanları ölçülerek gelen yüklü parçacığın izlediği yol belirlenir.

61 Detektörler İz Takip Edici Detektör BaBar Genel olarak büyük hacimli gaz sürüklenme odaları (Drift Chambers) iz detektörü olarak kullanılır. Gelen yüklü parçacıklar gaz atomlarını iyonize ederek elektron-iyon çiftleri oluşturur Elektronlar pozitif yüklü sinyal teline doğru bir elektrik alan etkisinde sürüklenirler. Tele varış zamanları ölçülerek gelen yüklü parçacığın izlediği yol belirlenir. Gazlarda bir elektron-iyon çifti oluşturmak için gerekli iyonizasyon potansiyeli 30eV iken, Yarıiletken tabanlı Silikonda bir elektron-hol çifti oluşturmak için gerekli iyonizasyon potansiyeli 3,6eV' dur.

62 Detektörler İz Takip Edici Detektör İz takip ediciler silikon şeritlerden oluşan bir tabaka (Silicon Strip Detector) da olabilir Silikon şeritler kullanmak çok kısa mesafelerde büyük sinyal oluşturduğu için gaz detektörlere göre daha avantajlıdır Silikon içerisinde ise sürüklenen elektron ve hollerdir CMS

63 Detektörler Elektromagnetik Kalorimetre (ECAL) Amacı e-, e+ ve γ tarafından taşınan enerjiyi ölçmektir ECAL ince (~ 15 mm) kurşun levhalar ve aralarına yerleştirilmiş sintilasyon kristallerden oluşur ATLAS

64 Detektörler Elektromagnetik Kalorimetre (ECAL) Yüksek enerjili e- ortamın atom çekirdeği ile elektromagnetik etkileşme, bremsstrahlung yaparak yüksek enerjili γ üretir. Bu γ ortamın atom çekirdeğinin Coulomb alanından etkilenerek tekrar e- ve e+ çiftleri oluşturur. Oluşan e- tekrar yeni γ ve oluşan yeni γ larda yeni e- e+ çiftleri üretir. Sonuç olarak elektromagnetik kalorimetreye giren yüksek enerjili e- γ lar, e+ ve e- lardan oluşmuş bir elektromagnetik sağanağa dönüşür. Bu durum meydana gelen ikincil parçacıkların enerji değerlerinin iyonizasyon ile enerji kaybı yapacağı enerji değerlerine düşmesine kadar devam eder.

65 Detektörler Hadronik Kalorimetre (HCAL) Hadronik kalorimetreler çarpışmadan sonraki hadronların (proton, nötron, pion ve diğer mezonların) enerjilerini ölçer. Elektromagnetik kalorimetrede oluşan sağanağa kıyasla hadronik kalorimetredeki sağnak daha karmaşıktır. Bu durum, inelastik hadronik etkileşmeler sonucu çeşitli parçacıkların sağanak oluşturmasından dolayıdır.

66 Detektörler Muon Kalorimetre Çarpışmadan sonra oluşan yüklü parçacıklardan muonlar, kalorimetrelerden sonra detektörün en dış kısmında bulunan muon detektörlerinde algılanırlar Muonların kütlesi elektrondan yaklaşık 200 kat fazla olması sebebiyle atomlarla elektriksel bir etkileşmeye girmezler. Bu nedenle elektromagnetik sağanak oluşturmaz Enerjileri 5 GeV civarında olan muonlar, bakır, çelik gibi metallerin her milimetresinde yaklaşık 1 MeV enerji kaybına uğradıkları için çok fazla enerji kaybetmeden kalorimetreleri geçebilir

67 Detektörler

68 Detektörler

69