T.C. KAFKAS ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ESTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI CMS DENEYİNDE KULLANILAN HF DEDEKTÖRLERİNİN

Transkript

1 T.C. KAFKAS ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ESTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI CMS DENEYİNDE KULLANILAN HF DEDEKTÖRLERİNİN ENERJİ LİNEERLİĞİ VE ENERJİ ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ M.ŞAHİN BÜLBÜL (YÜKSEK LİSANS BİTİRME TEZİ) 1

2 DANIŞMAN; YRD. DOÇ. DR. MİTHAT KAYA KARS

3 ÖZET Bu çalışmada, CERN deki LHC hızlandırıcısı üzerinde kurulmakta olan CMS deneyindeki İleri Hadron Kalorimetre sinin (HF) enerjinin çözünürlüğü ve lineerliği incelenmiştir. HF dedektörü, CMS deneyinin uç kısmında bulunmaktadır. 2,6< η <4,7 rapitite aralığındaki (çok küçük açılardaki) saçılmaları incelemek amacıyla kurulmuştur. İçerisinde kuartz kablolar ve demir soğurucular bulunmaktadır. Dedektöre gelen ışın, kuartz kablolar içerisinde Çerenkov sinyaline dönüşmektedir. Bu sinyal, fotoçoğaltıcılar tarafından yükseltilir. Elde edilen veriler, Veri Dönüşüm Merkezi nde (Data Acquisition Center, DAQ) toplanır. Hızlandırılan demetlerin her etkileşmesi, bir run numarası ile adlandırılır. Bu çalışmada, 2003 Temmuz ayında alınan sırayla 7929, 7934, 7936, 7938, 7940 run numaralı veriler kullanılmıştır. Bu veriler yine aynı sırayla 300, 200, 150, 100 ve 50 GeV enerjili Pion demetleri ile elde edilmiştir. Enerji çözünürlüğü ve lineerliği, dedektörün güvenirliğinin test edilmesi açısından önemlidir. Ölçülen enerjinin, giren enerjiye oranı 1 civarında olursa dedektörün enerjisi; lineerdir. Enerjisi lineer olmayan dedektörlerde giren enerji ile ölçtüğümüz enerji arasında büyük farklılıklar vardır. Gelen enerji ile üretilen sinyal sayısı orantılıdır. Bu orandaki dalgalanmalar, enerjinin çözünürlüğünü belirler. şöyle bulunur; Enerji çözünürlüğü, ortalama enerjideki sapma; σ ve ortalama enerji; E olmak üzere σ/e = a/(e) ½ + b/e + c 3

4 Formülde yer alan a; Birincil parçacıkların dalgalanmasını, b; Gürültü terimini ve c; Kalorimetrenin yapım kusurlarını temsil eden katsayılardır. Anahtar Kelimeler: CMS, HF, Dedektör, Kalorimetre, Enerji Çözünürlüğü, Enerji Lineerliği III SUMMARY In this study, there is an investigation about forward hadron (HF) calorimeter s energy resolution and linearity. HF kalorimeter is essambled on the LHC accelerator in CERN. HF dedector is located at the forward part of CMS experiment. HF s rapitity is between 4,7 and 2,6. It catches in caming beams with little angles. HF dedector made of bunch of quartz fibers inserted in iron absorbers. In coming beam produces a Cherenkov signal in quartz fibers. This signal is amplified by photomultipliers. Obtained data are stored at Data Acquisition Center (DAQ). 4

5 In this study, data which had been taken during July of 2003 was used. Run numbers of these data were; 7929, 7934, 7936, 7938, They obtained with Pions at 300, 200, 150, 100 and 50 GeV energy. Energy resolution and linearity are important parameters for being sure that we have getting the data from the HF calorimeter. If the radio of measured energy and in coming beam energy is equal to 1, then the energy of dedector is linear. So there will be an important variation between the mesured energy and the coming energy, if dedector isn t linear. There is a relationship between coming energy and produced signal. Changes in this relation determines energy resolution. The formula of energy resolution is; σ/e = a/(e) ½ + b/e + c Where, Sigma (σ) shows bias at average energy, E is mean energy, a is for changes in number of primer particles, b is noise term, c symbolizes setting faults. Key words: CMS, HF calorimeter, Energy linearity, Energy resolution IV 5

6 ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR Maddenin derinliklerine inmeye çalıştıkça çok daha büyük enerjilere, dolayısıyla daha masraflı düzeneklere ihtiyaç duymaktayız. Bir kristalin molekül yapısı x-ışınları ile incelenebilirken atom altı seviyede inceleme yapabilmek için daha yüksek frekanslı ışınlara ihtiyacımız olur. Ama yüksek frekanslı ışın, maddenin incelemek istenen yapısını bozar. Dolayısıyla incelemek istediğimiz yapıyı hızlandırarak yüksek enerjiye ulaştırıp ya bir hedefle ya da hareketli bir başka yapıyla çarpıştırarak bilgi sahibi olma yoluna gitmeliyiz. Bu tür yöntemler çok masraf ve emek istemektedir. Çok masraflı olan ve ilk etapta sadece maddenin ve doğanın yapısını araştırmayı hedefleyen yüksek enerji fiziği çalışmaları, bir lüks değil bir gerekliliktir. Ülkemizde yüksek enerji ile ilgili deney yapılabilecek bir çalışma merkezi bulunmamaktadır. Bu nedenle yüksek enerji üzerine çalışmak isteyen fizikçiler yurtdışında çalışmak zorundadır. Yurtdışındaki önemli yüksek enerji araştırma merkezlerinden birisi de içerisinde CMS deneyi de bulunan CERN dür. Dolayısıyla CERN deki CMS deneyinin bir parçası olan HF dedektöründen elde edilen verileri, analiz etmeyi öğreten değerli hocam; Yrd. Doç. Dr. Mithat KAYA ya teşekkürlerimi sunarım. V 6

7 İÇİNDEKİLER ÖZET... III SUMMARY.... IV ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR.V İÇİNDEKİLER....VI ŞEKİLLER DİZİNİ...VIII ÇİZELGELER DİZİNİ IX 1.GİRİŞ.1 2.MATERYAL VE YÖNTEM Materyal CMS Dedektörü CMS Dedektörünün Konumu ve Kurulumu CMS Dedektörünün Amacı CMS Dedektöründe Süpersimetri Parçacıklarının Araştırılması CMS Dedektöründe Higgs Parçacıklarının Araştırılması CMS Dedektörünün Genel Özellikleri CMS Dedektörünün Kısımları Merkezi İzleme Sistemi Kalorimetreler 8 7

8 Elektromanyetik Kalorimetre Elektromanyetik Kalorimetrelerde Duş Oluşumu Elektromanyetik Duşun Enerji Çözünürlüğü Üzerindeki Etkisi Hadronik Kalorimetre Hadronik Duşlar En İleri Hadronik Kalorimetre İleri Hadron Kalorimetrelerin Yapısı Kalorimetredeki Çerenkov Işıması Ve Fotoçoğaltıcılar Müon Sistemi Nerede Hangi Parçacık Tespit Edilecek? Root Programı Yöntem İleri Hadron Kalorimetresinin Test Edilmesi Ve Kalibrasyonu Deneysel Yapı Hf Dedektörün Verimliliğinin Ölçülmesi..30 VI Konum Taraması Kalibrasyon Tek Foto-Elektron Yakalanması Lineerlik (Enerjinin Doğrusallığı) Enerji Çözünürlüğü

9 3. BULGULAR SONUÇ VE TARTIŞMA KAYNAKLAR EK ,Run İçin Enerji Taraması Yaptıran Program EK Run İçin Konum Taraması Yaptıran Program EK 3 LINEERLIK.C...55 EK 4 Sigma/mean-Enerji.C.56 ÖZGEÇMİŞ...57 VII ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 1. Dedektörün yanal halkaları ve kapak kısımlarının görünümü. Şekil 2. CMS dedektörün iç yapısından bir kesit. Şekil 3. En İleri Hadron Kalorimetresi nin rapitite aralığı. Şekil 4. Kalorimetredeki jet oluşumu. Şekil 5. Elektromanyetik kalorimetrenin yapısı. Şekil 6. Elektromanyetik duşun basit modeli. Şekil 7. Demir sıvı argon kalorimetre içindeki duş profillerinin duş derinliği ile 9

10 değişimi. Şekil 8. En ileri hadron kalorimetresinin yapısı. Şekil 9. Parçacıkların ilerleyebilecekleri maksimum mesafe. Şekil 10. Kullanılan ROOT programının amblemi. Şekil 11. Farklı kulelere uygulanan farklı gerilimler. Şekil 12. Fotoçoğaltıcılara uygulanan voltajı ayarlayan HV kalibrasyon üniteleri. Şekil 13. Bir kulede bulunan uzun ve kısa kuartz kablolar. Şekil 14. Uzun ve kısa kuartz kabloların yerleştirilme düzeni. Şekil kuleden oluşan yapı. Şekil 16. Kuartz lifler kulelere yerleştirirken. Şekil 17. Yerleştirilmesi tamamlanmış kuartz lifler. Şekil kuleden oluşan ikili yapılara (kamalara) başlanmış olan fotoçoğaltıcılar ve Robox üniteleri. Şekil Gev lik Pion ışınlarının kulelerdeki konum taraması. Şekil GeV enerjili Pion demetlerinin üç pozisyon için enerji grafikleri. Şekil GeV enerjili Pion demetlerinin üç pozisyon için enerji grafikleri. Şekil ,100,150,200,300 GeV enerjili Pion demetlerinin üç farklı pozisyondaki enerji lineerliği. Şekil ,100,150,200,300 GeV enerjili Pion demetlerinin üç farklı pozisyondaki enerji çözünürlüğü. 10

11 VIII ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 1. Farklı açı değerlerine karşılık gelen rapiditeler. Çizelge GeV enerjiye sahip protonların demir içerisinde kaybettiği enerjileri. Çizelge 3. Kalorimetrelerde kullanılan parçacığın elde edilme yöntemleri. Çizelge 4. Kulelerin eta ve phi numaralarının yer aldığı tablo. Çizelge 5. 1,2 ve 3.Pozisyonlardaki farklı enerjili Pionların oluşturduğu duşu gören kuleler. Çizelge 6. Farklı pozisyonlardaki toplam enerji (esum) ve ortalama enerji (mean) değerleri. Çizelge 7. Farklı pozisyonlardaki enerjinin ortalama (mean) ve sapma (sigma) değerleri. 11

12 IX 1. GİRİŞ Tezin hazırlanmasında kullanılan temel malzeme CMS dedektörünün bir parçacı olan HF kalorimetresidir. Bu kalorimetrenin amacını ve yapısını iyi anlamak için CMS deneyinin amacını ve yapısını incelemek gerekmektedir. Bu sebeple ilk olarak CMS dedektörün konumu, kurulumu, amacı, teknik özellikleri, kısımları ve hangi kısımlarda hangi parçacıkların yakalanacağı hakkında bilgi verilmiştir. HF dedektöründen alınan verileri analiz etme yöntemleri yöntem başlığı altında verilmiştir. Dedektörlerin verimliliğinin ölçülmesi için gerekli olan ölçütlerden enerji çözünürlüğü ve lineerliği, karşılaştırma yapılabilmesi amacıyla diğer ölçütlerle birlikte verilmiştir. Aynı bölümde kullanılan yöntemin daha iyi anlaşılabilmesi için, deneyde kullanılan kalibrasyon ve deneysel düzeneğin çalışma prensibi daha detaylı açıklanmıştır. En son kısımda ise bahsedilen materyal ve yöntemler kullanılarak elde edilmiş veriler ortaya konulmuştur. Ayrıca bu verilerin ne anlama geldiği açıklanmıştır. 12

13 Ek olarak verilen C++ bilgisayar dili tabanında yazılmış veri analiz programları (kodlar) kullanılarak, veriler elde edilmiş ve elde edilen veriler grafiklere dökülmüştür. Kullanılan bu kodlar tezin oluşması için çok önemli olduğundan tezin sonuna eklenmiştir. 2. MATERYAL VE METOD 2.1. MATERYAL CMS Dedektörü Bu çalışma esnasında kullanılan veriler, CMS dedektör sisteminden elde edildiği için sistemin ve amacının iyi tanınması gerekmektedir CMS Dedektörünün Konumu Ve Kurulumu İkinci Dünya savaşı sonrasında Avrupa ülkeleri bilim ve teknolojide geri kalmamak amacıyla bir araştırma merkezi kurmaya karar verdi. Bir çok Avrupa ülkesinin ekonomik katkısıyla, İsviçre ile Fransa sınırında, CERN kuruldu. Parçacık fiziği araştırmaları yapılan bu merkezde hızlandırıcılar ve hızlandırıcılar üzerine kurulmuş çeşitli dedektör sistemleri vardır. CMS, bu sistemlerden birisidir. Diğer dedektör sistemleri; ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ve LHC-B dir (A Large Hadron Collider Beauty) [1]. 13

14 Tüm parçacık hızlandırıcıları ve dedektör sistemleri yerin 100 metre altına yerleştirilmiştir. Bunun nedeni; yüksek enerjide oluşan radyasyonun yayılmasını önlemektir [2]. Yüksek enerji fiziği araştırmaları için protonlar, dairesel hızlandırıcılarda belirli enerjiye ulaşıncaya kadar hızlandırılır. CERN de kullanılacak olan hızlandırıcının adı; Büyük Hadron Çarpıştırıcısı dır (LHC). Bu hadron çarpıştırıcısının amacı; her bir protonu yaklaşık 7 TeV mertebesinde enerjiye ulaştırıp iki protonu merkezi çarpıştırarak 14 TeV lik bir enerjinin açığa çıkmasını sağlamaktır yılında tamamen çalışmaya başlaması planlanan LHC nin parlaklığının (luminosity) her 15 nanosaniye için 1, cm -2 s -1 olması beklenmektedir [3]. CERN de kurulması planlanan 27 km lik bir çevreye sahip olan hızlandırıcı içerisinde yüksek enerjili hadronları yörüngede tutabilmek için gerekli olan yüksek manyetik alanlar süperiletkenler ile sağlanmıştır. CERN deki araştırmalarda kullanılan süperiletken Niobium-Titanium malzemesidir. Bu süperiletkenle 1.8 Kelvin derecesinde, 10 Tesla manyetik alan şiddetine ulaşılması beklenmektedir [3]. LHC makinesindeki 7 TeV lik enerjilerde dönen proton demetleri ilk olarak daha küçük yarıçaplı PS (Proton Sinkrotronu) makinesinde 26 GeV lik enerjiye çıkarılır. PS den daha büyük bir hızlandırıcı olan SPS ye (Super Proton Sinkrotron) yollanan protonlar 450 GeV e ulaşır. Buradan da LHC ye gelen protonlar 7 TeV lik enerjiye ulaşır [2]. İstenilen enerjiye ulaştırılan parçacık demetleri dedektör sistemleri içinde etkileştirilecek ve incelenecektir. 14

15 CMS dedektörü yerin altına aşamalı olarak kurulacaktır. CMS dedektörü, silindir görünümünde olduğundan yanal ve kapak kısımları olarak iki temel kısımda incelenebilir (Şekil 1). Bu parçalardan kapak kısımları aşağıya ilk indirilecek kısımlardır. Bunlar hazırlanmış olan depolara çekilecek ve diğer yanal kısımlar parça parça indirilecektir. Bu indirme işlemi, güçlü vinçlerle sağlanacaktır [4]. Bu aşamalı indirilişin sebebi; LHC üzerinde dedektör için ayrılan yerle, yerleştirilecek olan CMS dedektörün boyutlarının birbirine yakın olmasıdır [4]. Şekil 1. Dedektörün yanal halkaları ve kapak kısımlarının görünümü [4]. Beş halkadan oluşan yanal kısımlar parçalanarak aşağıya indirilecektir. İki tanesi bir kapağa, iki tanesi de diğer kapağa doğru çekilecektir. Ortada tek bir halka bırakılacaktır. Ortadaki halkaya selenoid yerleştirilecektir. Hadronik, Elektromanyetik ve Merkezi İzleme dedektörleri selenoidin içerisine sonradan yerleştirilecektir [4]. Kalorimetreler yerleştirildikten sonra kapak kısımları takılacak. En son aşamada, kapak kısımlarıyla LHC hızlandırıcısı arasındaki bağlantıyı oluşturacak ve geliş doğrultusundaki saçılmaları inceleyecek olan En İleri Hadron Dedektörleri yerleştirilecektir [4] CMS Dedektörünün Amacı 15

16 CMS dedektörünün temel amaçlarından birisi; süpersimetri parçacıklarının diğeri ise; Higgs parçacığının araştırılmasıdır [5]. Temel parçacıkların daha temelinde başka yapıların var olup olmadığı, kuark ve lepton ailelerin sayısının sadece üç olup olmadığı, evrende madde-antimadde simetrisinin olup olmadığı ve evrenin ilk anlarında maddenin bir başka hali olarak kuark-gluon plazmasının mevcut olup olmadığı gibi konuları araştırmak, CMS deneyinin diğer hedefleri arasındadır [5] CMS Dedektöründe Süpersimetri Parçacıklarının Araştırılması Yüksek enerjilerde standart modelin yetersiz kalabilmesi ile hem yüksek hem de düşük enerjilerdeki durumları tanımlamak amacıyla süpersimetri teorisi kurulmuştur. Bu teori ile birlikte her temel parçacığın bir de süper parçacığı mevcuttur. Bu şekilde temel parçacık sayısı iki katına çıkar [6] CMS Dedektöründe Higgs Parçacıklarının Araştırılması Evrenin oluşumu esnasında meydana gelen en önemli olaylardan birisi de kuvvetler birliğinin dağılmasıdır. Günümüzde elektromanyetik kuvvet ile zayıf nükleer kuvvet birleştirilebilmiş ve elektrozayıf kuvvet olarak kanıtlanmıştır. Bu da zamanla kuvvetler birliğinin bozulduğuna bir kanıttır. Kuvvetler birliğinin bozulması sırasındaki geçiş çok önemlidir. Çünkü elektromanyetik kuvvetin taşıyıcı parçacığı olan foton, standart modele göre kütlesiz olup 16

17 zayıf nükleer kuvvetin taşıyıcı parçacıkları Z ile W belirli kütleye sahiptirler. Dolayısıyla bu geçiş kütle kazanılmasıyla açıklanabilir [6]. Higgs alanı bu kütle artışını açıklamak için bulunmuştur. Ancak henüz tam olarak kanıtlanmamıştır. Bu teoriye göre; evren tıka basa Higgs alanıyla kaplıdır. Bu alan maddeye kütle kazandırmaktadır. Hareket halindeki nesnelerin sonsuza kadar hareketli kalmamasının nedeni kütledir. Kütle olmasaydı yaşadığımız evren yavaşlamaz ve oluşmazdı. CMS deneyi Higgs alanını kanıtlamayı hedeflemiştir. Higgs alanının taşıyıcı parçacıkları Higgs parçacıklarıdır. Bu parçacığın keşfi için iki araştırma merkezi çalışmaktadır. Bunlardan biri; Avrupa Parçacık Fiziği Laboratuarı (CERN), diğeri; ABD nin Fermi Ulusal Laboratuarı (FNAL). Amerika daki çalışma merkezi, 160 GeV lik enerjiye kadar Higgs taraması yapılabilmektedir. Higgs parçacıklarının keşfi için evrenin oluşum anlarındaki enerjilere yaklaşılması gerekmektedir. Günümüzde bu yüksek enerjiye en yakın enerji, LHC de sağlanabilecektir. CMS dedektöründe ise 600 GeV lik bir enerji aralığında bu parçacık taranabilecektir [7] CMS Dedektörünün Genel Özellikleri CMS deneyinde; 36 devlet, 160 enstitü, 2008 bilim adamı ve mühendis çalışmaktadır. Bu çalışma grupları, iş paylaşımı içerisinde, tasarım, yapım, kurulum ve deneme gibi aşamalarda görev almaktadırlar. Evrenin yapısının çözümlenmesi gibi önemli bir amaç doğrultusunda Dünya uluslarının ortaklaşa çalışmaları da bu deneylerin önemini arttırmaktadır [3]. 17

18 ton dur [3]. CMS dedektörünün uzunluğu; 21,6 m ve çapı; 14,6 m olup toplam ağırlığı CMS dedektörü içten dışa doğru dört temel yapıdan oluşmaktadır (Şekil 2). 1. İzleme sistemi çarpışma sonrasındaki yörüngelerin takibinde kullanılacaktır. 2. Kalorimetreler oluşan ürünlerin enerji kayıplarını ölçecektir. 3. Selenoid yüklü parçacıklara manyetik alan uygulanmasını sağlayacaktır. 4. müon sistemi ise müon takibinde kullanılacaktır. Şekil 2. CMS dedektörünün iç yapısından bir kesit. 18

19 Çarpışmalarda aynı tür parçacık kullanılır. Ama bir tane kullanılamaz. İstenilen doğrultuda demetlerin çarpışması sağlanır. Doğru açı ve hızda doğru çarpışmalar olmalıdır. Bu sebeple istenilen tepkimenin gerçekleşmesi çok uzun zaman alabilir. LHC içerisinde proton demetleri, birbirleri içinden saniyede 40 milyon kez geçecekler. Her geçişte ortalama 20 proton-proton çarpışması olması bekleniyor [8]. Dolayısıyla saniyede ortalama 800 milyon çarpışma olacaktır. Ama her çarpışma, araştırmalar için istenilen çarpışma olmayacaktır. Higgs parçacığının 10 trilyon çarpışmadan yalnızca birinde oluşması bekleniyor. Bu da bir gün içerisinde tek bir higgs parçacığına rastlanabileceğini göstermektedir [6]. Dedektör, farklı saçılma açılarında ortaya çıkabilecek tüm oluşumlar için tasarlanmıştır (Şekil 3). Tüm kısımlarının hangi saçılma açısında çalışacağı bellidir. Bu hesaplamalar rapidite ile belirtilir. η = - ln [tan ( θ/2)].. (2.1) [9]. Rapidite; η ile ifade edilir. θ ise gelen demetin ekseni ile yapılan açıdır (Çizelge 1) Çizelge 1. Farklı açı değerlerine karşılık gelen rapiditeler. θ ,4 15, ,7 2,1 η 0 0, ,03 2,

20 Şekil 3. En İleri Hadron Kalorimetre sinin rapitite aralığı. CMS dedektörü içindeki kalorimetreler; hadronları incelemek amacıyla tasarlanmış Hadronik kalorimetreler ile elektromanyetik etkileşmelerin inceleneceği Elektromanyetik kalorimetrelerden oluşmaktadır. Geliş doğrultusundaki saçılmaları yakalamak amacıyla da uç kısımlara En İleri Hadronik kalorimetreler yerleştirilmiştir [3]. Kalorimetrelerin de katılması ile sistemin kısımlarının içten dışa doğru sırası: 1.Merkezi İzleme Sistemi (Central Tracking) 2.Elektromanyetik Kalorimetre (Electromagnetic Calorimeter-ECAL) 3.Hadronik Kalorimetre (Hadronic Calorimeter-HCAL) 3.1. Hadronik Silindir (Hadronic Barrel-HB) 3.2. Hadronik Taban Kapağı (Hadronic Endcap-HE) 4. Küçük Müon Selenoidi 5. Müon Sistemi 6. En İleri Hadron Kalorimetresi (HF) 20

21 CMS Dedektörünün Kısımları Merkezi İzleme Sistemi İzleme sisteminde yüklü parçacıkların izlerini tayin etmeye yarayan konum ölçümleri yapılacaktır. Yüklü parçacıklar, manyetik alan içerisinde spiral yörüngeler izleyeceklerdir. İzlerdeki bu eğrilik, parçacıkların momentumunun ölçülmesine yarayacaktır. Bu nedenle izleyici dedektör, elektromanyetik duş oluşumlarından sonra elektron ile fotonun ayrımı için önemlidir [3]. Sistemin diğer bir amacı ise; yüksek momentumlu müonların ve elektronların izlerini TeV mertebesindeki momentum çözünürlüğü ile tayin etmektir. Dedektör, 2 GeV den büyük momentum çözünürlüğü olan tüm parçacık izlerini belirlemeyi de amaç edinmiştir. Bu özelliği elektron tanımlaması için önemlidir. Momentum çözünürlüğü; Δp/p ile belirlenir [3]. CMS güçlü bir izleme dedektörüdür. CMS dedektör sistemi içinde etkileşen parçacıkların ilk izlenmesi Merkezi İzleme Sistemi nde gerçekleşecektir. Bu dedektör sistemi silikonşerit dedektörleri ile iç ve dış mikroşerit gaz odacıklarından oluşur [3] Kalorimetreler Parçacık incelemeleri için yörünge bilgisi çok önemlidir. Yörüngesi bilinen parçacığın hareket denklemi inceleyerek parçacık hakkında bilgi sahibi olunabilir. Bu yörünge hesapları için geliştirilmiş olan dedektörlere kalorimetreler diyoruz [10]. 21

22 Bilindiği üzere kalori bir enerji birimidir. Dolayısıyla kalorimetrelerde enerji hesapları da yapılabilir. Kalorimetre içine giren parçacıklar dedektör içerisindeki madde tarafından durdurulmaya çalışılırken çarpışmalar ile çağlayanlar,duşlar yada diğer adıyla jetler oluşur (Şekil 4). Çarpışmalar ile açığa çıkan ısı hesaplandığında parçacığın enerjisi bulunmuş olur. Kalorimetreler içerisinde sinyal almak için aktif bir ortam ya da enerji soğurulması ölçümleri için madde blokları kullanılır [10]. Şekil 4.Kalorimetredeki jet oluşumu. Oluşan ısı enerjisinin çok küçük bir bölümü sintilasyon veya Çerenkov ışımaları şeklinde harcanabilmektedir. Bu ışıma sinyalleri, gelen parçacığın enerjisi ile doğru orantılıdır. Yapı itibariyle iki temel kalorimetre mevcuttur. Bunlar; Elektromanyetik kalorimetre ve Hadronik kalorimetrelerdir. Elektromanyetik kalorimetrede elektromanyetik etkileşmeler, Hadronik kalorimetrede ise kuvvetli etkileşmeler olur. Elektron, pozitron ve foton gibi parçacıklar elektromanyetik kalorimetreler ile hadronlar gibi ağır parçacıklar da Hadronik kalorimetreler ile ölçülür [10]. Elektromanyetik kalorimetrelerde; Compton olayı, çift oluşumu veya Bremsstrahlung gibi olaylar olur. Kalorimetrenin derinlik ve büyüklük gibi özelliklerini bu olaylar belirler. Hadronik kalorimetrelerde kuvvetli etkileşimin uzunluğu önemlidir. Nötrino dedektörleriyle 22

23 Hadron kalorimetreleri benzer yapıdadırlar. Çünkü nötrinonun etkileşmesi sonucunda oluşan parçacıklar genelde hadronlardır [3]. Kalorimetrelerde cevap verme süresi çok kısadır. Yani bir parçacığın sinyalinden hemen sonra sisteme giren diğer parçacığın sinyali ölçülebilir. Dolayısıyla çok sayıda parçacık incelenebilir. Kalorimetrelerde hem yüklü hem yüksüz parçacıklar incelenebilmektedir. Kalorimetrelerde açığa çıkan enerji başka amaçlarda tekrar kullanılamaz [10]. CMS dedektör sisteminde Hadronik ve Elektromanyetik kalorimetreler birlikte kullanılacaktır. En içte Elektromanyetik kalorimetre kullanılacaktır. Böylelikle elektron ve fotonlar ile hadronların incelenmesinde bir karışıklık oluşmayacaktır. Hadronik kalorimetre içte olsaydı; foton ve elektronlar bu kalorimetrenin içinde bozunmaz ve elektromanyetik kalorimetreye ulaşamazdı [11] Elektromanyetik Kalorimetre Bu sisteme giren parçacıklar enerjilerini yitirerek ölçülmelerine olanak sağlayacak şekilde etkileşirler ve elektromanyetik etkileşmeleri nedeniyle elektron ile foton kesin bir biçimde saptanacak şekilde tasarlanmıştır (Şekil 5). İçinde meydana gelen etkileşmeler nedeniyle elektromanyetik kalorimetre denilir [10]. 23

24 Şekil 5. Elektromanyetik kalorimetrenin yapısı. Elektromanyetik kalorimetre, 25 χ 0 derinliğinde, her biri 4,8 cm 2 lik alana sahip Kurşun tungsten (PbWO 4 ) kristalinden oluşmuştur. χ 0, radyasyonun uzunluğu veya madde içinde elektronun aldığı ortalama serbest yoldur [12]. Kurşun tungsten, kısa radyasyon uzunluğuna (0.9m) sahiptir. Diğer kristallere göre dar duşlu olmasının ve yoğun kalorimetreler için uygun olmasının sebebi; küçük moliere yarıçapına (yaklaşık 2 cm) sahip olmasıdır. Böylece dedektörün boyutu küçük tasarlanabilir. Ayrıca hızlı bir sintilatör ve üretimi kolay olan bir materyaldir [3] Elektromanyetik Kalorimetrelerde Duş Oluşumu Enerjisi 10 MeV üzerindeki fotonların ve elektronların elektron-pozitron çifti ve Bremsstrahlung üretmeleriyle birlikte duş (shower) oluşur (Şekil 6) [13]. 24

25 Şekil 6. Elektromanyetik duşun basit modeli. Bu duşun boyuna ilerlemesini açıklayan basit bir model Heitler tarafından verilmiştir [13 ]. Bu modele göre; 1. Enerjisi kritik enerjiden büyük (E>E k ) olan bir elektron 1 radyasyon uzunluğu kadar ilerledikten sonra enerjisinin yarısını bir Bremsstrahlung fotonuna verir. Kritik enerji; elektronun enerjisini radyasyon ve iyonizasyon yoluyla eşit olarak kaybettiği enerjidir. 2. Enerjisi kritik enerjiden büyük (E> E k ) olan bir foton, 1 radyasyon uzunluğu kadar ilerleyip her bir fotonun sahip olduğu enerjinin yarısına sahip elektron-pozitron çiftine dönüşür. 3. Enerjisi E<Ek olan elektronlar ışıma yapmadan enerjilerini çarpışma yoluyla kaybeder. 4. E>Ek durumunda iyonlaşma yoluyla enerji kayıpları ihmal edilir. Şekil 6 da gösterilen kalın ve üzerinde + işareti olan çizgiler; pozitronu, işaretsiz kalın çizgiler; elektronu ve dalgalı çizgiler fotonları temsil etmektedir. Sayılarla belirtilmiş mesafeler radyasyon uzunluğunu gösterir. Sonuç itibariyle; madde içerisinde ilerleyen radyasyonun bozunumları gösterilmek istenmiştir. Oluşan dallı yapı; elektromanyetik duş olarak adlandırılmaktadır. 25

26 Duşun boyutunu tanımlamak için yatay oluşumda radyasyon uzunluğu (χ 0 ) ve Molier yarıçapı (ρ M ) tanımlanmalıdır. Molier yarıçapı (ρ M ); χ 0 ve E k (kritik enerji) nin oranına denktir. Radyasyonun uzunluğunun ve Molier yarıçapının Z atom numarası ile A kütle numarası arasındaki ilişkisi; χ A/ Z 2 g/cm 2..(2.2) ρ M = 21 χ 0 / E k 7 A/Z ( g/cm 2 )..(2.3) şeklindedir Elektromanyetik Duşun Enerji Çözünürlüğü Üzerindeki Etkisi Sonsuz boyutlarda ideal bir dedektörün enerji çözünürlüğü; duş profilindeki dalgalanmalarla belirlenir. İdeal dedektörlerde istatistiksel bilgiler önemli olduğundan ölçümler tam yapılmalıdır. Dolayısıyla enerji ölçümleri çok önemlidir. Enerji ölçümleri, gelen parçacığın bir takım çarpışmalar sonunda enerjisinin azalarak soğurmasını içerir. Böyle bir duşta üretilen parçacıkların maksimum sayısı, gelen parçacık enerjisi ile orantılıdır. Prensip olarak; parçacıkların üretimindeki dalgalanmalar enerji çözünürlüğünü belirleyecektir [10]. Enerji çözünürlüğüne cihazdan gelen önemli bir katkı da duşları tamamlanmamış kısmıdır. Bu da enerji sızıntısı olarak bilinir. İçerideki herhangi bir eksiklik çözünürlüğü bozar [9]. Kalorimetrenin boyuna ve enine enerji kayıp etkilerinin hesaplanması da enerji çözünürlüğü için önemlidir. Boyuna kayıp enine kayıptan fazladır [9]. 26

27 Elektromanyetik kalorimetrelerdeki elektronik parazitler (gürültü, istenmeyen sinyal) de hesaplamalar sırasında ayıklanmalıdır. Bu ayıklama işlemi sinyal gelmeden önce kalorimetrede ölçülen düşük sinyallerin kaydedilmesiyle mümkündür [10] Hadronik Kalorimetre Hadronik kalorimetreler; hadronik jetlerin enerjilerini ve yönlerini ölçmek için tasarlanmıştır. Merkezde ve ileri uçta olmak üzere iki hadron kalorimetresi mevcuttur. Merkezdeki hadron kalorimetresinin rapititesi 3 den küçüktür. İleri kalorimetredeki rapitite ise 2,6 ile 4,7 arasındaki bölgeyi kapsamaktadır. Merkezi kalorimetre; Hadronik Silindir (Hadronic Barrel-HB) ve Hadronik Kapak (Hadronic Endcap-HE) olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Elektromanyetik kalorimetrenin tasarımına benzer şekilde silindiriktir. HE nin tamamlayıcısı İleri Hadron kalorimetresidir (Hadronic forward-hf). Merkezi Hadronik kalorimetre, manyetik olmayan bakır alaşımı ve paslanmaz çelik soğurucu plakalar arasına yerleştirilen sintilatörlerden yapılmış bir kalorimetredir. Bu kısımda jetlerin kimliğini ve çözünürlüğünü belirleme amaçlı ölçümler yapılacaktır. Soğurucu plakaların kalınlıkları, Hadronik Silindirlerde 5 cm, Hadronik Kapakların da 8 cm dir. HB nin derinliği yaklaşık 79 cm dir [14]. İleri Hadronik kalorimetrelerde ise; ileri jetlerin tanımlaması yapılacak ve enerji çözünürlüğüne bakılacaktır. Bu dedektör sistemleri etkileşme bölgesinden 11 metre uzağa yerleştirilecektir. İleri kalorimetrelerde bakır soğurucular içerisine yerleştirilmiş kuartz lifler 27

28 bulunacaktır. Hadronik duşlara karşı istenilen yanıtları verme özelliğine sahip olan kuartz lifler, Çerenkov ışığına duyarlıdırlar [3]. İleri kalorimetre kısmı ile birlikte Hadronik kalorimetrede rapitite 5 e kadar çıkacağından dik enerji (Transverse Energy-E T ) ölçümleri yapılacaktır [14]. 3-5 rapitite aralığında ve 30 GeV lik enerjinin altında oluşan jetleri eleme imkanı nedeniyle süpersimetri parçacıklarından bir kısmının gözlenmesi mümkün olabilecektir [3] Hadronik Duşlar Enerjisi 5 GeV ve üzerinde olan hadronlar, madde ile etkileştiklerinde esnek çarpışmaların dışında da etkileşmeye uğrarlar. Çarpışmayla birlikte ikincil hadronlar; pionlar, K mezonları, nötronlar ve protonlar oluşturur. Esnek olmayan çarpışmalar ile artan enerji, ikincil hadronların oluşması için harcanır. Kalan enerji ise üçüncül hadronların oluşumu için harcanır. Bu çarpışma yönünde oluşan ileriye doğru dallı yapıya Hadronik duş (Hadronic shower) denir. Bu duş oluşumu, yeni parçacıklar oluşturulacak enerji kalmayıncaya kadar devam eder. Çizelge GeV enerjiye sahip protonların demir içerisinde kaybettiği enerjileri. OLAYLAR TOPLAM YÜZDESİ İkincil Protonların İyonizasyonu 31,6 Elektromanyetik Çağlayan 21,0 Nükleer Bağlanma Enerjisi+Nötrino Enerjisi 20,6 İkincil π ± İyonizasyonu 8,2 E>10 Mev lu Nötronlar 4,9 28

29 E<10 Mev lu Nötronlar 3,9 Arta Kalan Nükleer Uyarılma Enerjisi 3,7 Z>1 İyonizasyonu 2,4 Birincil Protonun İyonizasyonu 2,3 Diğer Olaylar 1,4 Çizelge 2 de görüldüğü gibi enerjinin büyük bir kısmı ikincil protonlarda iyonizasyonla kaybolur. Daha sonra enerjinin ikinci büyük kısmı pionların oluşmasına harcanır ki bu kendini, Hadronik duş içinde iki fotonun oluşturduğu elektromanyetik duş şeklinde gösterir. Enerjinin %20,6 sı çekirdeğin parçalanması neticesinde bağlanma enerjisinde ve nötrinoların üretilmesinden gelmektedir [15]. Hadronların oluşturduğu duşlarla elektromanyetik duşlar arasında çalışma mekanizması açısından benzerlik vardır. Hadronik duşlar yanlara doğru elektromanyetik duşlardan daha fazla yayılır. Çünkü gelen hadronun enerjisinin yarısı ikincil hadrona harcanır. Bu da 350 MeV/c lik bir dik momentumla (Transverse Momentum-P t ) üretilir. Yana yayılmanın sebebi, bu dik momentumdur [14]. Hem Hadronik çağlayanların (duşların) hem de elektromanyetik çağlayanların canlandırılması için Monte Carlo (MC) programları geliştirilmiştir. Bu programlarla kalorimetre performansları ayrıntılı bir biçimde canlandırılır [7]. Hadronik kalorimetrelerin inşa edilmesinde MC kodları kullanılarak canlandırılabilen durumlar; enerji kaybı, parçacık bozunumu, saçılma, Fermi hareketi, gürültü ve nötron soğurulması durumlarıdır. Programlar ölçülen düşük enerjili duşların sonuçları ile 29

30 karşılaştırılarak kontrol edilebilir. Böylelikle yüksek enerjideki duşların davranışları üzerine tahminde bulunulabilir [7]. Hadronik ve elektromanyetik duşlar birbirinden kalorimetre içerisinde bıraktıkları enerji miktarlarına bakarak ayrılabilir. Hadronik duşlar daha büyük etkileşme uzunluğuna sahiptirler. Çünkü daha fazla enerji ile çarpışma gerçekleştirirler. Fazla enerji fazla ürün demektir. Fazla ürün ise; daha uzun duş oluşması anlamına gelir. Etkileşme uzunluğu, nükleer soğurmanın uzunluğudur. Bu parametre, incelenen maddenin bir mollük kütlesinin Avagadro sayısı ile soğurma tesir kesitinin çarpımına bölümüdür. Dolayısıyla kütle arttıkça etkileşim uzunluğu artar. Hadronik duş, elektromanyetik duştan daha uzundur. Dolayısıyla Hadronik kalorimetreler, elektromanyetik kalorimetrelere göre daha uzun olmalıdır [16]. Eğer sadece nükleer olaylar dikkate alınsaydı, duşun genişlemesindeki kararlılık, duştaki parçacıkların enerjilerinin kesim noktasının altına düşmesine kadar artış gösterecekti. Gerçekte duş genişliği önce artar sonra azalır. Bu durum, Demir Sıvı Argon kalorimetre içindeki duş profillerinin duş derinliği ile değişimi biçiminde Şekil 7 de gösterilmiştir. Şekil 7. Demir Sıvı Argon içindeki duş profillerinin duş derinliği ile değişimi [13]. 30

31 Hadronik kalorimetrelerde en çok kullanılan metaller; Bakır, Kurşun ve Demir dir. Duş derinliği yoğunlukla ters orantılı olduğundan yüksek yoğunluktaki maddeler tercih edilmektedir [13]. Genelde Hadronik kalorimetrelerin enerji çözünürlüğü, elektromanyetik kalorimetrelerin enerji çözünürlüğünden daha kötüdür. Çünkü Elektromanyetik kalorimetrelerdeki dalgalanmalara ilave olarak nükleer etkileşmelerden ortaya çıkan dalgalanmalar da Hadronik kalorimetrelerde çözünürlüğün kötüleşmesine katkıda bulunur [17]. Nötrinoların ve yüksek enerjili müonların üretilmesinde kullanılan enerji ve bağlanma enerji kayıpları kalorimetreden sızan enerjiyi temsil eder. Bu olaylardaki dalgalanmalar, hadron kalorimetresinin enerji çözünürlüğüne olan katkısını gösterir [17] En İleri Hadronik Kalorimetre En ileri Hadronik kalorimetre, Hadronik kalorimetre sisteminin bir parçasıdır. Rapitite aralığı; 2,6 4,7 dir. Kuruluş amacı küçük açılarda, dik olarak saçılan enerjiyi iyi bir çözünürlükte ölçüp, ölçümü alınmayan verinin kalmamasını sağlamaktır [3]. En ileri hadron kalorimetreleriyle elde edilen jetlere ileri jetler denir. Bu kısım bu jetleri yakalamak ve tanımlamakla görevlidir. Higgs kütlesinin m H GeV ve 500 Gev m H değerleri için; H WW lνjj ve H ZZ llvv kanallarında Higgs araştırmaları yapılacaktır. Bu ölçümler süpersimetri (SÜSİ) araştırmaları için de önemlidir. 1 TeV kütle civarında WW veya ZZ füzyon mekanizmaları ile oluşacak Higgsler, iki ileri jet ile tanımlanacaktır. Bu jetler yüksek enerjili ve dik momentumlu olacaktır [17]. 31

32 Yaklaşık 9,6 x10 9 Hz değerinde gelen parçacıklar 6x10 6 cm -2 s -1 değerinde akı oluşturacağı için dedektör 4,5-5 rapitite aralığında çok yoğun radyasyona maruz kalacaktır. Bu akı; 100 Mrad/yıl değerinde soğurucu radyasyon dozları oluşturur. Bu sebeple güçlü radyasyona uzun süre dayanabilecek şekilde tasarlanmıştır [3]. LHC nin 60 gün çalışması ve bir gün soğutulması gerekir. Bu sebeple dedektör, sağlam ve az bakım gerektiren bir yapıya sahip olmalıdır. HF üzerine gelen parçacıklar soğurucu kalorimetre içinde yüksek nötron akısına neden olan başlangıç duşları oluştururlar. Bunun için HF aktif maddesi, oluşan düşük enerjili parçacıklara ve nötronlara karşı duyarlı olmamalıdır. Aksi taktirde, kısa sürede istenmeyen sinyallerin arttığı gözlenir [6] İleri Hadron Kalorimetrelerin Yapısı HF dedektörlerinin her biri, soğurucu olarak kullanılan büyük bir bakır bloktan oluşmuştur. Demir soğurucu içine yerleştirilen kuartz lifler gelen parçacıklar ile aynı yöndedir. Bu lifler dedektörün aktif kısmını oluşturur (Şekil 8). HF dedektörlerinin ön yüzüne gelen parçacıklar bu yapı içerisinde duşlar oluşturur. Bu duşların bir kısmı, Çerenkov eşiğinin üstündeki yüklü parçacıklardır. Bunlar lif içerisinde Çerenkov ışıması yapar. Bu ışıma, enerji ölçümlerinin temelini oluşturur [8]. HF kalorimetreleri demet hattı etrafında, silindirik bir simetriye sahiptir. HF deki aktif kısmın çapı; 1,4 m dir. Demet uzunluğu; 1,65m dir (10 nükleer etkileşme uzunluğu) [3]. 32

33 Şekil 8.En ileri hadron kalorimetresinin yapısı. İleri jetlerin enerji çözünürlüğünü belirlemek için derinlik olarak kalorimetre üç ayrı bölüme ayrılır. Demir soğurucu içerisindeki bu etkili çoklu bölmeler üç farklı uzunluğa sahip lifler yardımıyla oluşturulur [15]. Bunlar: 1. Uzun (EM): 165 cm boyunda 2. Orta (HAD): Modülün ön kısmından 22 cm kısa 3. Kısa (TC): Modülün arka yüzünden 30 cm kısa Lifler iç kısımlarda 5x5 cm 2 ve dış kısımlarda 10x 10 cm 2 alanlarında kuleler oluşacak şekilde yerleştirilmişlerdir. Kısa lifler yakalayıcı (TC) bölümünün aktif maddesidir. Diğer liflerin arasına yerleştirilerek enerji kaçışını engellemek amacıyla tasarlanmıştır. Bu lifler; 20x20 cm 2 lik kalın bir kule yapı içine konulmuştur. Tezde kullanılacak olan veriler, uzun Elektromanyetik lifler ve daha kısa olan Hadronik lifler kullanılarak elde edilmiştir [18]. 33

34 Lifin bir ucuna yerleştirilen bir dedektör ile gözlenen ışık miktarı; parçacığın hızına, geliş açısına, lif merkezi ve parçacığın yörüngesi arasındaki uzaklığa bağlıdır. Kırılma indisine, lifin geçirgenlik tayfına ve ışık dedektörünün kuantum tayfının verimine de bağlıdır [19]. Soğurucu olarak demir yada bakırın seçilmesinin sebebi; radyoaktiviteyi azaltmaktır. Kurşun veya tungsten, soğurucu için kullanılsaydı; üç kat daha fazla etkilenmiş olunurdu. Bu malzemelerin diğer faydaları; sert olması, işlenmesinin kolay olması, düşük atom ağılıklı olmaları ve ucuz olmasıdır. Reaksiyonlar sonucunda istenmeyen nötronlar ortaya çıkacaktır. Düşük atom numaralı soğurucular kullanıldığında ortaya çıkan nötron sayılarında azalma olacaktır [19] Kalorimetredeki Çerenkov Işıması Ve Fotoçoğaltıcılar İleri hadron kalorimetreleri bakır soğurucu içerisindeki liflerden oluşur. Kalorimetre sinyali liflerdeki Çerenkov ışığı ile oluşur. Bir parçacığın, vakum (havasız) ortamda, ışık hızından fazla hızlı gitmesi mümkün değildir. Ama bulunduğu ortamdan dolayı ışıktan hızlı gidebilir. Böyle ortamlarda hareket eden parçacıklar, fazla enerjilerini Çerenkov ışıması yaparak yayarlar. Kırılma indisi n olan bir ortamda β= ν /c hızı ile hareket eden parçacık klasik teoriye göre konik bir dalga cephesi boyunca ışık yayabilir. Çerenkov konisinin açısı θc nin, parçacığın β hızı ve kırılma indisi n ile ilişkisi; Cos θc=1/n β..(2.4) 34

35 bağıntısı ile verilir [20]. βmin=1/n bir eşik değeridir ve bunun altında Çerenkov radyasyonu yoktur [20]. Çerenkov sayaçlarında fotoçoğaltıcılar kullanılarak Çerenkov ışıması yapan parçacıklar kaydedilir. Burada kullanılan fotoçoğaltıcıların görevi; elde edilen ışık sinyalini ölçülebilir bir elektrik sinyaline dönüştürmektir [20]. Fotoçoğaltıcılar ışığa duyarlı bir maddeden yapılan katottan, elektron çoğaltan ve dinod adı verilen bir sistemden ve son olarak da sinyalin alındığı anoddan oluşur. Bütün parçalar vakum ortam içerisindedir [17]. Bir foton sisteme girdiğinde; fotokatoda çarparak bir elektron koparır. Kopan bu elektron uygulanan voltaj sayesinde hızlanarak ilk dinota çarpar. Daha sonra bu elektron iki fotoelektron olarak ikinci dinota hareket eder. Sistemde ikincil elektron oluşmuştur. Bu sayı artarak devam eder. Anlaşılabilir sinyal yakalanılınca fotoçoğaltıcılar amacına ulaşmış demektir. Gelen sinyal sayısı ile çıkan sinyal sayısı orantılıdır.bu çoğaltılarak incelenen sinyaller Çerenkov ışımasının bir sonucudur [20] Müon Sistemi CMS dedektöründe, Hadronik kalorimetreden sonra müon ve nötrino ölçümleri yapılacaktır. Müon dedektörü, birkaç GeV den TeV e kadar olan geniş bir aralıkta müonların ve nötrinoların momentumlarını ölçmek ve tanımlamak için kullanılacaktır [8]. Müonlar yüklü parçacıklardır. Ayrıca madde içerisinde diğer parçacıklara göre daha fazla yol alabilirler. Bu sebeple en dış katmanda müon dedektörler sistemi bulunmaktadır [8]. 35

36 Nötrinolar ise yüksüz parçacıklardır. Ayrıca çok küçük olduklarından madde ile zayıf etkileşirler. Dolayısıyla dedektörle direkt etkileşmezler. Varlıkları hakkındaki bilgi, kayıp momentum ölçümlerinin incelenmesiyle elde edilir [8]. Müonlar ilk olarak izleme merkezinde ölçülürler. Daha sonra kalorimetreye geçip oradan da demir blok içinde ve bobinden hemen sonraki eğilmelerin ölçümleri yapılır. Müonlar bu şekilde üç aşamada ölçülür. Demir blok içerisinde dört tane müon istasyonu vardır (MS1-MS2-MS3-MS4). Bunların her biri 12 Alüminyum sürükleme tüpü odacığından meydana gelmiştir. Bu tabakadaki tüplerden sekiz tanesi, demete paralel ve dört tanesi, demete dik olacak şekilde yerleştirilmişlerdir [3]. Demir blok içerisindeki manyetik akı, bağımsız bir momentum ölçme olasılığı sağlar. Farklı müon istasyonları olması, sistemin güvenliğini arttırır. Çoklu istasyonlar, ikincil müonların kontrol edilmelerini de sağlar. İstasyondan istasyona aktarılabilecek olan yüksek enerjili müon radyasyonunu ortadan kaldırmak amacıyla istasyon aralarına cm lik kalınlıklarda soğurucular yerleştirilmiştir Nerede Hangi Parçacık Tespit Edilecek? Merkezi izleme sistemi denilen ilk kısımlarda manyetik alanın etkisi ile yüklü parçacıklar yörüngesel iz bırakarak geçecektir. Bu kısımda elektronların yörüngesel yolları oluşacaktır. Diğer müon, hadron ve fotonlar düzgün bir biçimde yollarına devam edecektir (Şekil 9) [21]. 36

37 Elektromanyetik kalorimetrede foton ve elektron duş oluşumu gerçekleştirecektir. Ama izleri takip edildiğinde birbirinden ayrılabilecektir. Hadronlar ve müonlar yollarına devam edecektir (Şekil 9) [21]. Hadron kalorimetreleri içerisinde hadronlar duş oluşturacaktır. Bu duşlar sayesinde hadron hakkında bilgi sahibi olunabilecek (Şekil 9) [21]. Müonlar müon izleme merkezlerinden de geçecektir. Ama diğerleri buraya kadar bozunmadan gelemeyeceğinden alınan ölçümler müonlar ile alakalı olacaktır (Şekil 9) [21]. Kalorimetreleri kullanarak parçacıkları tanımlama yöntemlerinden bazıları Çizelge 3 de verilmiştir. 37

38 Şekil 9. Parçacıkların ilerleyebilecekleri maksimum mesafe. Çizelge 3. Kalorimetrelerde kullanılan parçacığın elde edilme yöntemleri [16]. PARÇACIK TEKNİK FON e ± Yüklü parçacıkların başlattığı π ± N π O x elektromanyetik duş γ Yüksüz parçacıkların başlattığı elektromanyetik duş Mezon bozunmalarından oluşan γ lar π 0 ve diğer vektör mezonları γ γ invariant kütlesi veya bozunum ürünleri ν Kayıp momentum ile görünen enerjinin karşılaştırılması μ Momentum ile görünen enerjinin Etkileşmeyen π karşılaştırılması;menzil N veya K 0 L Yüksüz parçacıkların başlattığı Hadronik duşlar ROOT PROGRAMI Elde edilen verilerin incelenmesi için Root programı kullanılmıştır (Şekil 10). Bu program C++ dilinde yazılmıştır. CERN deki NA49 deneyi ile birlikte daha önce kullanılan PAW, PIAF ve GEANT gibi programların geliştirilmesiyle oluşturulmuştur. Yeni nesil veri analiz programlarındandır. 38

39 Şekil 10. Kullanılan ROOT programının amblemi. Root ile çalışan ve tezde kullanılan Sigma/mean-enerji.C (enerji çözünürlüğü için) ile LINEERLIK.C (enerji lineerliği için) kodları aynı başlıklar altında ek olarak verilmiştir. 39

40 2.2. YÖNTEM İleri Hadron Kalorimetresinin Test Edilmesi Ve Kalibrasyonu En İleri Hadron Kalorimetresinin içinde bulunduğu bölgenin şartları ve sınırlamaları aşağıdaki gibidir [9]. 1. Yüksek Radyasyon Düzeyleri: Beklenen radyasyon Mega-Gray olarak ölçülmüştür. Radyasyondan dolayı oluşan hasar temel sorunlardandır. 2. Nötronlara Karşı Duyarsızlık: Standart teknikler (sintilasyon, iyonizasyon) temeline dayanan ileri kalorimetreler nötron etkileşmelerinden dolayı gerekli bilgileri sağlayamayabilir. 3. Hızlı Sinyal Toplama: Yüksek parçacık yoğunlukları ve demetleri birbiri içinden geçişindeki yüksek frekans, sinyal süresi üzerine bir kısıtlama getirecektir. Hızlı sinyal toplanması; tetiklemeyi de içeren çeşitli sebeplerden dolayı önemlidir. 4. Radyoaktif Ürünlere Duyarsızlık: Dedektörde indüklenen radyasyon, kalorimetrik sinyallere neden olabilir. Bu durumda elektronik kanallardaki gürültü, sadece ani parıltılara bağlı olmayacaklardır. Pratik olarak radyoaktivite kontrolünde bir takım problemlere neden olacaklardır. Bu sebeple, sinyaller, mümkün olduğu kadar radyoaktif etkilerden korunmalıdır. Farklı rapiditelerde veri toplayacak olan kulelerin yakaladığı parçacıkların enerjilerinin aynı olmayacağı açıktır. Farklı doğrultuda farklı enerjili parçacıklar gelecektir. 40

41 Sinyali almadan, fotoçoğaltıcıların sinyali çoğaltması için uygulanan yüksek voltaj, kalibre edilmelidir. Yukarı kulelere daha düşük enerjili parçacıklar gelecek ve bunların sinyalleri zayıf olacaktır. Yukarı kulelere uygulanan voltaj, aşağı kulelerden daha fazla olmalıdır [22]. Kullanılan fototüplerin markası; Hamamatsu dur (7525HA). Bu fototüpler, farklı kulelere yerleştirilecek ve kulelerin konumuna göre de farklı voltajlar uygulanarak sinyali yükseltecek (Şekil ). 1, 2, 3, 4, 14, 15, 16 ve 17 numaralı kuleler 1700 kv ile çalışacaktır. 5, 6, 7, 8, 9, 19, 20, 21 ve 22 numaralı kulelere 1400 kv uygulanacaktır. 10, 11, 12, 13, 23 ve 24 numaralı kulelere ise 1100 kv uygulanacaktır (Şekil 11) [22]. Şekil 11. Farklı kulelere uygulanan farklı gerilimler. Fotoçoğaltıcıların ihtiyacı olan yüksek gerilimi sağlamak amacıyla, yüksek voltaj (HV, High Voltage) uygulayan üniteler tasarlanmıştır. Bu ünitelere robox (readout box) denilmektedir (Şekil 12). Robox üniteleri, fotoçoğaltıcılarda kullanılan maddenin ufak 41

42 farklılıklarını da kalibre edici özelliklere sahiptir. Fotoçoğaltıcılardan sonra sinyal, bu ünitelerden çıkacaktır [22]. Şekil 12. Fotoçoğaltıcılara uygulanan voltajı ayarlayan HV kalibrasyon üniteleri Deneysel Yapı Bir Demir soğurucu içerisindeki kuartz lifler, gelen parçacıklarla aynı doğrultuda yerleştirilmiştir (Şekil 13). Aktif ortam olarak kuartz liflerin seçilmesinin en önemli nedeni; radyasyona karşı dayanıklı olmasıdır. Duşu oluşturan parçacıklar lifler arasında Çerenkov ışığı tarafından oluşturulur [3]. 42

43 Şekil 13. Bir kulede bulunan uzun ve kısa kuartz kablolar. Hadronik lifleri gösterirken uç kısımlarında yıldız kullanılmıştır. Gerçekte böyle olmamakla birlikte Elektromanyetik liflerden ayırmak amaçlanmıştır. Gelen radyasyon uzun ve kısa olan iki kuartz fiber kablo içerisinden geçerek fotoçoğaltıcılara ulaşır. Uzun kabloya Elektromanyetik kalorimetre, kısa olana Hadronik kalorimetre denir. HF kalorimetresinde yaklaşık 6000 kuartz lif bulunmaktadır [3]. Bu kablolar, 5 mm lik aralıklarla yerleştirilmiştir. Yerleştirmede Hadronik ve Elektromanyetik kalorimetre olarak çalışacak olan uzun ve kısa kuartz kablolar dengeli bir şekilde yerleştirilmiştir (Şekil 14) [3]. 43

44 Şekil 14. Uzun ve kısa kuartzkabloların yerleştirme düzeni. Gelen belirli bir enerjideki parçacık kuartz lif içerisinde duş oluşturacaktır. Bu duş neticesinde Çerenkov ışıması oluşacak ve bu ışık fotoçoğaltıcıya gidecektir. Burada ışık güçlenecek ve sinyale dönüşecektir. ADC lerle sinyal anologdan dijitale çevrilecek ve tüm veriler DAQ de (Veri dönüşüm merkezi) toplanacaktır. Sonuç olarak diyebiliriz ki; gelen enerji ile elde edilen sinyaller ilişkilidir [23]. Bir kule içerisinde bir Elektromanyetik kalorimetre bir tane de Hadronik kalorimetre vardır. Bunlara bağlı toplam iki fotoçoğaltıcı bulunmaktadır. Bu kulelerden ikili yapı (kama) içerisinde 24+24=48 tane bulunmaktadır. Daha sonra tüm bu yapılar birleştirilip sisteme yerleştirilecektir [24]. Çizelge 4. Kulelerin eta ve phi numaralarının yer aldığı tablo. ETA PHI= PHI=

45 Tüm kulelerin kendine ait numarası vardır (Çizelge 4). Kuleler, sağ (phi=3) ve sol (phi=1) olmak üzere ikiye ayrılır (Şekil 15). Bu kuleler taranırken yukarı ve aşağı taramaları yapılmaktadır. Yukarı (upper) tarama yapılan kuleler; 1, 2, 3, 4, 14, 15, 16, 17 ve aşağı (lower) tarama yapılan kuleler; 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 18, 19, 20, 21, 22, 23 ve 24 dür. Tarama esnasında kulelerdeki elektromanyetik lifler depth-1 ve Hadronik kalorimetreler depth-2 olarak kodlanmıştır [24]. Şekil kuleden oluşan yapı. Işık kılavuzları, ışığın ilerlerken gideceği yolu kontrol edebilmek için hazırlanmış düzeneklerdir. Bu düzeneklerin iç kısımları yansıtıcı bir yüzeyle kaplıdır. Gelen sinyalin fotoçoğaltıcılara iletilmesinde kullanılır. Kuartz lifler, dikkatli ve uzun bir çalışma ile tek tek yerleştirilmiştir (Şekil 16). Lifleri yerleştirilmiş yapılar test deneyleri ile CMS deneyine hazır olup olmadıkları kontrol edilmiştir 45

46 (Şekil 17). Lifleri yerleştirilmiş yapılar (kamalar) deney düzeneğine yerleştirmeden önce robox üniteleri de monte edilir (Şekil 18). Aktif olan ortamı oluşturan kuartz lifler 0,015 mm kalınlığındaki fluorin ile karıştırılmış olan kuartz veya plastik ile kaplanmıştır. Liflerin çapı 0,3 mm dir. Kalorimetrenin toplam aktif derinliği 135 cm dir (8,7 nükleer etkileşme uzunluğu). Bu dedektörlerde etkin Moliere yarıçapı 1,55 cm değerindedir [3]. Şekil 16. Kuartz lifler kulelere yerleştirirken. 46

47 Şekil 17. Yerleştirilmesi tamamlanmış kuartz lifler. Şekil kuleden oluşan ikili yapılara bağlanmış olan fotoçoğaltıcılar ve Robox üniteleri. 47

48 HF Dedektörün Verimliliğinin Ölçülmesi HF dedektörünün güvenilirliğini arttırmak için incelenmesi gereken bazı konu başlıkları vardır. Bu konu başlıkları; konum taraması, enerji çözünürlüğü, kalibrasyon, doğrusallık ve tek foto-elektron dağılımıdır [21] Konum Taraması Bir reaksiyon gerçekleştikten sonra elde edilen verilerin incelenmesi için öncelikle bir konum taraması yapmak gerekmektedir. Elde edilen verilerin yoğunlaştığı yerdeki veriler incelenir. Gürültü, parazit ya da pedestal diye adlandırabileceğimiz istenmeyen sinyaller konum taraması ile fark edilebilir Kalibrasyon Homojen olmayan yapılanmalar arasında ekleme hesaplamalar ile homojen hale getirip veriler öyle değerlendirilir. Dolayısıyla her kule için bir kalibrasyon sabiti bulunmalıdır. Bu sabiti bulmak için; tüm kulelerdeki pedestal sinyali, alınan sinyalden çıkararak net sinyal hesaplanmalıdır. Daha sonra, toplam net sinyali kule sayısına bölüp ortalama sinyal bulunmalıdır. Ortalama sinyalin kulenin sinyaline bölünmesi kulenin kalibrasyon sabitini verecektir. Kalibrasyon sabiti belirlenmiş bir dedektör için, kalibrasyon sabiti elde edilen net sinyal ile çarpıldığında ortalama sinyale ulaşılır.[21] Tek Foto-Elektron Yakalanması 48

49 Dedektörün yapılan ölçümlerde tek bir elektronu yakalaması o dedektörün ne kadar güvenilir ve hassas olduğunu gösterir Lineerlik (Enerjinin Doğrusallığı) Sisteme gelen enerjinin tamamını ölçülebilirse dedektör çok iyi çalışıyor demektir. Bu dedektörün doğrusallığını gösterir. Ölçülen enerjiyle sisteme giren enerjinin yakın olması oranlarının 1 civarında olması demektir. Doğrusal olmayan dedektörlerde giren enerji ile ölçülen enerji arasında büyük eşitsizlikler oluşur. Bu oranı sisteme giren enerjiye karşılık gelen grafiğe aktarıldığında bir civarında sapmalar olduğu görünür.[21] Gelen enerji tüm kulelerdeki enerjiler toplanarak elde edilir. Bu enerji, çalışma boyunca toplam enerji anlamına gelen esum ile ifade edilmiştir. Ölçülen enerji ise seçilmiş olan bir pozisyona gelen enerjidir. Ölçülen enerji mean ile ifade edilir. esum/mean oranı farklı enerji değerleri için grafiğe döküldüğünde doğrusal bir yapı gözlenir. Elde edilen grafik, 1 civarında değişir. Bu durumda enerji lineerdir denilebilir Enerji Çözünürlüğü Dedektöre giren enerji, bir takım parçacık üretilmesi demektir. Üretilen parçacık sayısı ile gelen enerji doğru orantılıdır. Bu orantıdaki dalgalanmalar enerjinin çözünürlüğünü belirler. Buna göre tamamlanmamış duşlar çözünürlüğü etkiler. Boyuna ve enine enerji kayıpları da çözünürlüğü bozar.[21] 49