ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Türker KARAMAN CMS HCAL DETEKTÖRÜNDE KULLANILAN HPD LERİN KALİBRASYON ÇALIŞMASI FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2010

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ CMS HCAL DETEKTÖRÜNDE KULLANILAN HPD LERİN KALİBRASYON ÇALIŞMASI Türker KARAMAN YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI Bu tez /.../2010 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir Prof.Dr.Aysel KAYIŞ TOPAKSU Prof.Dr. Gülsen ÖNENGÜT Yrd.Doç.Dr. Numan BAKIRCI DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. İlhami YEĞİNGİL Enstitü Müdürü Bu Çalışma Ç. Ü. Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: FEF2010YL18 Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

3 ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ CMS HCAL DETEKTÖRÜNDE KULLANILAN HPD LERİN KALİBRASYON ÇALIŞMASI Türker KARAMAN ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI Danışman : Prof. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU Yıl: 2010 Sayfa:63 Jüri : Prof. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT Yrd. Doç. Dr. Numan BAKIRCI Hadron kalorimetresi (HCAL) ECAL in alt detektörleri ile birlikte, kayıp dik enerjinin ve jetlerin ölçülmesi için tasarlanmış komple bir kalorimetre sistemidir. Hadron kalorimetresi; ileri hadron (HF), hadronik kapak (HE), hadronik dış (HO), hadronik fıçı (HB) olmak üzere 4 tane alt detektörden oluşmaktadır. HCAL de LED kalibrasyon sistemi, HPD lerin ve elektronik aygıtların kalibrasyonunda ve detektörün tepkisini anlamakta büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada HCAL ın tüm alt detektörlerinin LED kararlılığı anlatılmaktadır. Anahtar Kelimeler: HCAL, CMS, BHÇ, HPD. I

4 ABSTRACT MSc THESIS THE STUDY OF CALIBRATION OF HPD USED IN THE CMS HCAL DETECTOR Türker KARAMAN ÇUKUROVA UNIVERSITY INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF PHYSICS Supervisor : Prof. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU Year: 2010 Sayfa:63 Jury : Prof. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT Asst. Prof. Dr. Numan BAKIRCI The Hadron calorimeter in conjuction with the ECAL subdetectors form a complete calorimetry system for the measurement of jets and missing transverse energy. Hadronic Calorimeter (HCAL) consists of four subdetectors, Hadronic Barrel (HB), Hadronic Endcap (HE), Hadronic Outer (HO) and Hadronic Forward (HF). In HCAL, the LED calibration system plays an important role in the calibration of HPDs and electronics and understanding the detector response. Key Words: LHC, CMS, HCAL II

5 TEŞEKKÜR Bu tez çalışmasının planlanmasında ve yürütülmesinde ilgi ve desteğini esirgemeyen danışman hocam Sayın Prof. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU ya, engin bilgi ve tecrübelerinden yararlandığımız Sayın Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT e sonsuz teşekkürlerimi sunarım. CERN deki deneysel çalışmalarım sırasında yardımlarını esirgemeyen birlikte çalıştığım Sayın Yrd. Doç.Dr. M. Numan BAKIRCI ya, Pawel De Barbaro ve Dmitry Vishnevsky ye teşekkürü bir borç bilirim. Her zaman yanımda olan ve manevi desteklerini esirgemeyen sevgili anneme ve ablam Tuğba KARAMAN a teşekkür ederim. Benim için çok değerli Kübra KAYA ya, yardımlarını esirgemeyen sevgili dostlarım Agah&Sevilay YILDIZ a, Hasan AVDAN a ve Alper DOĞAN a teşekkür ederim. Ayrıca CERN deki çalışmalarımı maddi olarak destekleyen TAEK e (Türkiye Atom Enerjisi Kurumu) teşekkürü bir borç bilirim. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ...I ABSTRACT... II TEŞEKKÜR... III İÇİNDEKİLER... IV ÇİZELGELER DİZİNİ... VI ŞEKİLLER DİZİNİ... VIII SİMGELER VE KISALTMALAR...XII 1. GİRİŞ ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) BHÇ de Araştırılan Fizik Konuları Higgs Bozonlarının Araştırılması Süper Simetrik Parçacıklar Kütleli Yeni Vektör Bozonları Ekstra Boyutlar CMS (Compact Muon Solenoid) Deneyi Solenoid Mıknatıs Müon Sistemi İç İzleyici Sistem Elektromanyetik Kalorimetre (ECAL) Hadronik Kalorimetre (HCAL) Hibrid Foto Diyot (HPD) Fotoçoğaltıcılar (PMT) MATERYAL VE METOD Hadronik Kalorimetre (HCAL) Hadronik Fıçı Kalorimetresi (HB) HB Kalorimetresinde Işıldayıcı Tablası Hadronik Kapak Kalorimetresi ( HE) HE Kalorimetresinde Işıldayıcı Tablası IV

7 HE Kalorimetresinde Soğurucu Yapısı İleri Hadron Kalorimetresi ( HF) Hadronik Dış Kalorimetresi ( HO) ARAŞTIRMA VE BULGULAR HCAL Kalibrasyon Sistemi Offline Kalibrasyon Sistemi ve İzleme LED Kalibrasyon Sistemi Manyetik Alanda LED Kararlılığı HB, HE ve HF te Kullanılan PIN diyotların Manyetik Alandaki Tepkisi Manyetik Olmayan Alanda LED Kararlılığı SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ V

8 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 2.1. BHÇ detektörlerine Uygun Makine Parametreleri... 8 Çizelge 2.2. CMS Süper İletken Solenoidin Parametreleri Çizelge 3.1. HCAL readout kulelerinin ve derinliklerdeki büyüklükleri Çizelge T de ve 0T de alınan lokal LED verilerini listesi VI

9 VII

10 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1. Kuarklar ve Leptonlara ait bazı özellikler... 2 Şekil 2.1. BHÇ için hızlandırma zinciri... 6 Şekil 2.2. BHÇ halkasındaki hızlandırıcı mıknatıslardan bir görünüm... 6 Şekil 2.3. BHÇ detektörlerinin şematik görünümü... 7 Şekil 2.4. CMS koordinat sistemi Şekil 2.5. CMS detektörünün yapısı ve alt sistemleri Şekil 2.6. Süper iletken solenoid mıknatıs Şekil 2.7. Muon sisteminin dikine kesiti Şekil 2.8. CMS detektöründe parçacıkların sahip olduğu iz ve yörüngeler Şekil 2.9. HB ye ait bir sektör Şekil CMS de kullanılan HPD nin önden ve arkadan görünüşü Şekil 3.1. HCAL detektörlerinin CMS deki yeri Şekil 3.2. HCAL detektörlerinin büyüklükleri Şekil 3.3. HB kamalarının (wedge) numaraları Şekil 3.4. HB kamasının izometrik görünüşü Şekil 3.5. Δφ=20 açılara bölünmüş HB nin görünüşü Şekil 3.6. Işıldayıcı tablası, WLS fiberleri, temiz fiberler, radyoaktif kaynak borusu görülmektedir Şekil 3.7. HE nin yapımında pirinç malzeme kullanılmıştır Şekil 3.8. Işıldayıcı tabakasının kesiti. Yeşil renkteki kablolar WLS fiberlerini göstermektedir Şekil 3.9. HE soğurucularının mekaniksel yapısı. Parçacıklar kalorimetreye alttan girmektedirler Şekil Kuartz fiberlerinin yerleştirildiği HF kuleleri Şekil HO nun yanlamasına (sol) ve uzunlamasına (sağ) kesiti Şekil 4.1. HB ve HE için LED kalibrasyon sistemi Şekil 4.2. HF+ nın çeyreklerinin görünümü Şekil 4.3. HF LED kalibrasyon sistemi Şekil 4.4. LED verilerinin tek bir kanalı için enerji dağılım grafikleri VIII

11 Şekil 4.5. HB, HE, HO için enerji dağılım grafiği Şekil 4.6. HF için enerji dağılım grafiği Şekil 4.7. HB, HE, HO için KKO/ortalama dağılım grafiği Şekil 4.8. HF için KKO/ortalama dağılım grafiği Şekil 4.9. HB, HE nin enerjilerinin KKO/ortalama değerlerinin dağılım grafiği Şekil HB, HE nin kalibrasyonlu enerjilerinin KKO/ortalama değerlerinin dağılım grafiği Şekil HB (-13,7,1) kanalının bütün veri alımları üzerinden enerji dağılım grafiği Şekil HB (-13,7,1) kanalının bütün veri alımları üzerinden kalibrasyonlu enerji dağılım grafiği Şekil HO nun enerjilerinin KKO/ortalama değerlerinin dağılım grafiği grafiği Şekil HO nun ortlama değerinin 0.01 ADC/TS den büyük olan kanalların eta-phi dağılımı Şekil HO nun kalibrasyonlu enerjilerinin KKO/ortalama değerlerinin dağılım grafiği Şekil HO nun kalibrasyonlu ortalama değerinin 0.01 ADC/TS dan büyük olan kanalların eta-phi dağılımı Şekil HF nin enerjilerinin KKO/ortalama değerlerinin dağılım grafiği Şekil HF nin kalibrasyonlu enerjilerinin KKO/ortalama değerlerinin dağılım grafiği Şekil HF (33,61,1) kanalının bütün veri alımları üzerinden enerji dağılım grafiği Şekil HF (33,61,1) kanalının bütün veri alımları üzerinden kalibrasyonlu enerji dağılım grafiği Şekil HF (40,67,1) kanalının bütün veri alımları üzerinden enerji dağılım grafiği Şekil HF (40,67,1) kanalının bütün veri alımları üzerinden kalibrasyonlu enerji dağılım grafiği Şekil (a) HBP RBX05 ve (b) HEP RBX10 için 4 T ve 0 T de alınan verilerin PIN diyot enerjisi. Mavi renk 0T, Kırmızı renk 4T deki veriler IX

12 Şekil HF+ nın 3. çeyreği ve HF- nin 2. çeyreğinden alınan düşük pin diyot enejileri Şekil HB, HE nin enerjilerinin KKO/ortalama değerlerinin dağılımı (a) kalibrasyonsuz (b) kalibrasyonlu Şekil HB (-13,7,1) kanalının bütün veri alımları üzerinden enerji dağılım grafiği Şekil HB (-13,7,1) kanalının bütün veri alımları üzerinden kalibrasyonlu enerji dağılım grafiği Şekil HO nun enerjilerinin KKO/ortalama değerlerinin dağılımı (a) kalibrasyonsuz (b) kalibrasyonlu Şekil HF in enerjilerinin KKO/ortalama değerlerinin dağılımı (a) kalibrasyonsuz (b) kalibrasyonlu Şekil HF (40,67,1) kanalının bütün veri alımları üzerinden enerji dağılım grafiği Şekil HF (40,67,1) kanalının bütün veri alımları üzerinden kalibrasyonlu enerji dağılım grafiği X

13 XI

14 SİMGELER VE KISALTMALAR SUSY : Süper-simetri SM : Standart Model CERN : Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi BHÇ : Büyük Hadron Çarpıştırıcısı CMS : Sıkı Müon Solenoidi ECAL : Elektromanyetik Kalorimetre HCAL : Hadronik Kalorimetre HB : Hadronik Fıçı Kalorimetresi HE : Hadronik Kapak Kalorimetresi HO : Hadronik Dış Yüzey Kalorimetresi HF : İleri Kısım Hadronik Kalorimetre KKO : Kök Kare Ortalama MB : Fıçı Bölgesi Müon Detektörü ME : Kapak Bölgesi Müon Detektörü SPS : Süper Proton Sinkrotronu EE : Elektromanyetik Kapak Kalorimetresi WLS : Dalga-Boyu Öteleyici Fiberler HPD : Hibrid Foto-Diyot LED : Işık Yayan Diyot ADC : Analog - Dijital Çevirici ev : Elektron Volt MeV : Milyon Elektron Volt GeV : Milyar Elektron Volt TeV : Trilyon Elektron Volt MHz : Milyon Herz RBX : Okuma Ünitesi FE : Ön uç Elektronik L : Işıklılık : Kütle-Merkezi Enerjisi XII

15 : Azimutal Açı p : Momentum η : Psüdorapidite e : Temel Elektrik Yükü : Nükleer Etkileşme Uzunluğu s : Tesir Kesiti V : Eşik Gerilimi PbWO : Kurşun-Tungsten Kristali PET : Polietilen Tereftalat XIII

16 1. GİRİŞ Türker KARAMAN 1. GİRİŞ Yüksek enerji fiziği atom altı parçacıkları ve bunlar arasındaki etkileşimi inceleyen fizik dalıdır. Atom altı parçacıkların birçoğunun ömürlerinin kısa olmasından dolayı normal şartlarda gözlenmeleri mümkün değildir. Bu amaçla oluşturulan parçacık hızlandırıcılarında, elektrik alan etkisi ile hızlandırılan parçacıklar çarpıştırılmakta ve ortaya çıkan farklı parçacıklar incelenebilmektedir. Parçacıkları dairesel yörüngelerde tutabilmek için yüksek manyetik alanlar kullanılmaktadır. Standart Model (SM), maddenin yapısı ve kararlılığı ile ilgili soruların çoğunu dört kuvvetin etkisi altındaki (Elektromanyetik (EM), zayıf, şiddetli ve gravitasyonel) altışar çeşit kuark ve leptonla iyi bir şekilde yanıtlayabilmektedir. Hatta evreni oluşturan görünür maddenin yapısını, sadece iki kuark (u (up), d (down)) ve bir leptonla (elektron), yani en hafif olan birinci aile ile çok daha basit olarak açıklıyor. SM e göre evrende temel parçacıklar olarak sadece altı çeşit kuark, altı çeşit lepton ve bunların karşıt parçacıkları ile foton, sekiz çeşit gluon ve üç çeşit vektör bozonundan oluşan kuvvet taşıyıcı parçacıklar ve bu parçacıklarla etkileşime girerek onlara kütle kazandıran Higgs bozonu vardır. Kuarklar birleşerek hadron olarak bilinen parçacıkları oluştururlar ve serbest olarak gözlenemezler. Kuarkların birleşmesiyle oluşan hadronlar, baryonlar ve mezonlar olmak üzere ikiye ayrılır. Baryonlar üç kuarkın bir araya gelmesiyle oluşurken, mezonlar bir kuark ve bir anti kuarkın birleşmesinden oluşur. Leptonlar ise zayıf etkileşimde bulunan parçacıklar grubudur. Tüm leptonların spini 1/2 değerine sahiptir. Elektron, müon, tau ve nötrinolar da bu grubun içinde yer alır. Hadronların büyüklüğü ve belli bir yapısı olmasına rağmen leptonlar herhangi bir yapısı olmayan gerçek temel parçacıklardır. Nötrinolar yüksüzdürler ve çok düşük kütleye sahiptirler. Kuarklar ve leptonlara ait diğer bazı özellikler Şekil 1.1 de görülmektedir. 1

17 1. GİRİŞ Türker KARAMAN Şekil 1.1. Kuarklar ve leptonlara ait bazı özellikler. SM, atom altı parçacıkları anlamamızı sağlayan en iyi kuramdır. Bir çok deneysel testten başarıyla geçmesine rağmen SM in açıklayamadığı bazı sorular vardır. Bu soruların en önemlileri şöyle sıralanabilir: Kuarklarla leptonlar gerçekten temel parçacık mı, yoksa daha temel başka parçacıklardan mı oluşuyor? Madem görünür evren sadece birinci neslin iki kuark ve bir leptonundan oluşuyor, diğer iki nesil niye var? Parçacık kütleleri niye öngörülemiyor ve kütleçekimi bu modele, en uyumlu şekilde nasıl girmeli? 2

18 1. GİRİŞ Türker KARAMAN Maddeyle karşıtmadde arasında bir simetri varsa, Evrene baktığımızda neden hep madde görüyoruz da, hiç karşıtmadde göremiyoruz? Evren üzerindeki kütleçekimi etkisi açıkça görülen 'karanlık madde'nin yapısı nedir ve neden gözlenemiyor? Dört ayrı etkileşimin çalışma biçimlerini anlamaya çalışmak yerine, bu dördü tek bir etkileşimin çatısı altında toplanamaz mı? Parçacık fiziğinin bugünkü ana amaçlarından birisi, dört temel kuvvetin; evrendeki düzeni daha basit ve şık bir şekilde açıklayabilecek, tek bir 'Büyük Birleşik Alanlar Kuramı'nda birleştirilmesi. Çünkü yukarıdaki soruların çoğunun yanıtının, bu basitleştirme sırasında cevaplanacağı düşünülüyor. Açıklanamayan sorular SM in ötesinde yeni fikir ve teorilerin doğmasına neden olmuştur. Ortaya atılan bu yeni teorilerin geçerli olması için deneysel olarak da kanıtlanması gerekmektedir. Bu konularla ilgili fizik araştırmaları CERN (Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi) de BHÇ (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) halkasında dört büyük deney tarafından yapılmaktadır. Bu deneylerden birisi de CMS (Compact Muon Solenoid) dir. CMS deneyinde diğer tüm yüksek enerji deneylerinde olduğu gibi etkileşmeden sonra ortaya çıkan parçacıklar gözlemlenmektedir. Bu gözlem için de parçacıkların enerjilerinin ve momentumlarının belirlenmesi gerekmektedir. Bu sebepten dolayı CMS de çeşitli detektörler kullanılmaktadır, bunlardan biri de hadronik parçacıkları tespit etmekte kullanılan hadronik kalorimetredir (HCAL). Bu tezde CMS deneyinde kullanılan HCAL alt detektörünün kalibrasyon sistemlerinden biri olan LED (Light Emitting Diode) ölçümlerinin kararlılığına bakılmaktadır. Kalorimetreye LED sinyali gönderilerek, kalorimetrede bulunan HPD lerin (Hybrit Photo Diode) ve fotoçoğaltıcıların (PMT) bu sinyale cevabı ve kendi aralarındaki uyumu incelenmektedir. Yapılan analizler için CMS deneyinde kullanılan CMSSW_2_1_19 programı, verileri grafiğe aktarmak için ise ROOT programı kullanılmıştır. 3

19 1. GİRİŞ Türker KARAMAN 4

20 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 2.1. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) İsviçre ve Fransa sınırında bulunan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ), 27 km lik çevresiyle yerin ortalama 100 m altında bulunan bir proton-proton ve ağır iyon çarpıştırıcısıdır. Kütle merkezi enerjisi ve ışıklılık çarpışma deneylerindeki önemli iki fiziksel niceliktir. BHÇ, proton-proton çarpışmalarında =14 TeV kütle merkezi enerjisi ve L = cm -2 s -1 ışıklılık için tasarlanmıştır. (CMS TDR, 2006). Ağır iyon çarpışmalarında ise kütle merkezi enerjisi = 5.5 TeV iken ışıklılık ise L = cm -2 s -1 olacaktır. Bu çarpıştırıcıda proton demetlerini yörüngede tutabilmek için 4T lık bir manyetik alan gerekmektedir. Böyle yüksek bir manyetik alan süperiletken teknolojinin gelişmesiyle elde edilmiştir. Süperiletkenlik, malzemelerin elektrik akımını dirençsiz bir şekilde enerji kaybı olmadan çok düşük sıcaklıklarda iletmesiyle gerçekleşir. BHÇ nin süperiletken mıknatısları o C de çalışmakta ve proton demetlerinin yörüngede kalmalarını sağlamaktadır. Proton hüzmeleri ilk olarak LINAC da (Doğrusal Hızlandırıcı) 50 MeV e kadar hızlandırılmakta daha sonra PS (Proton Sinkrotronu) ve SPS de (Süper Proton Sinkrotronu) sırayla 25 GeV ve 450 GeV enerjiye ulaşmaktadır (CMS TDR, 2006). Son olarak proton demetleri BHÇ de süper iletken mıknatıslar arasından geçen iki ayrı vakum tüpü içinden yol alarak 7 TeV lik enerjiye çıkacaktır. BHÇ halkasında vakum tüpü içerisinde birbirlerine zıt yönlerde gelmekte olan proton demetleri ışık hızının %99.9 una kadar hızlandırılarak bilinen dört çarpışma noktasında 25 ns de bir çarpışacak ve her çarpışmada ortalama yirmi proton-proton çarpışması gerçekleşecektir (CMS TDR, 2006). 5

21 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN Şekil 2.1. BHÇ için hızlandırma zinciri. Şekil 2.2. BHÇ halkasındaki hızlandırıcı mıknatıslarının bir görünüm. 6

22 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN BHÇ üzerinde dört büyük deney vardır. Bu deneyler oluşan farklı parçacıkların izini tespit etmek ve taşıdıkları enerjileri ölçmek için dizayn edilmiştir. Dört büyük detektörden ikisi CMS (Compact Muon Solenoid) ve ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) genel amaçlıdır. Silindirik yapıda olan bu detektörler çarpışmada çıkacak parçacıkların tümünü algılayabilecek biçimde soğansı bir yapıya sahiptirler. En iç kısımda çarpışmada çıkan yüklü parçacıkların izlerini belirleyen iz detektörü, devamında elektronların ve fotonların enerjisini bıraktıkları elektromanyetik kalorimetre daha sonra proton, nötron, pion gibi kuvvetli etkileşen parçacıkların enerjisini bıraktıkları hadron kalorimetresi, en dışta ise zayıf etkileşen müonları algılayan müon odacıkları bulunmaktadır. CMS ve ATLAS ın dizaynındaki en önemli fark manyetik alanların birinde solenoidal ve diğerinde ise toroidal olmasıdır. LHCb (LHC b-physics experiment) evrendeki parçacık-anti parçacık dengesizliğinin sebebinin araştırmak üzere tasarlanmış bir detektördür. ALICE ise (A Large Ion Collider Experiment) maddeyi evrenin ilk anlarındaki koşulları ile araştıracaktır. Şekil 2.3. BHÇ Detektörlerinin şematik görünümü. 7

23 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN BHÇ nin önemli parametreleri çizelge 2.1 de verilmiştir. BHÇ de 1232 tane dipol mıknatıs vardır. Işıklılık aşağıdaki denklemle verilmektedir. L= γ f k B N P 2 4πε n β * F, (2.1) Burada Lorentz faktörü, dolanım frekansı, demet sayısı, proton/demet sayısı, normlanmış yayma gücü, etkileşme noktasındaki betatron fonksiyonu, F ise geçiş açısından oluşan azaltma faktörüdür. (CMS TDR, 2006). Çizelge 2.1. BHÇ detektörlerine uygun makine parametreleri. pp Ağır İyon Nükleon basına düsen enerji E TeV 7 TeV deki dipol alan B T Dizayn ışıklılığı L cm -2 s -1 Demet ayırma (bunch separation) Ns Demet sayısı kb Demet basına düsen parçacık sayısı Np 1.15x x10 7 Çarpışmalar Etkileşim noktasındaki degeri M Etkileşim noktasındaki RMS ışın yarıçapı M m Işıklılık yarı ömrü 15 6 Sa Çarpısma geçis sayısı nc 20 8

24 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN 2.2. BHÇ de Araştırılan Fizik Konuları BHÇ de araştırılan fizik konuları şu şekilde sıralanabilir Higgs Bozonlarının Araştırılması 1990 ların başında CMS ve ATLAS ın tasarım aşamasında, önerilen dizaynların performansını test etmek için SM Higgs bozonları esas alınmıştır. Higgs bozonu kütlesinden dolayı çok sayıda bozunum kanalına sahiptir (CMS TDR, 2006). Higgs bozonunun kütlesi için alt limit GeV/c 2 olarak verilmektedir. Bu sınır civarındaki Higgs bozonlarının dallanma oranı hadronik bozunumlar sayesinde elde edilmektedir. 114 GeV/c 2 < m H < 2m Z kütle aralığındaki Higgs bozonlarının doğal genişlikleri sadece birkaç MeV dir ve sinyalin gözlemlenen genişliğini kütle çözünürlüğü belirlemektedir GeV/c 2 kütle aralığında, önemli bir sinyal alabilmek için muhtemel yollardan biri iki foton bozunumudur. Higgs bozonunun kütlesi 130 GeV/c 2 den fazlaysa iki tane Z bozonuna bozunmaktadır (CMS TDR, 2006). Higgs bozonunun 600 < m H < 1000 GeV/c 2 civarında tesir kesiti azalmaktadır. Bundan dolayı W ya da Z bozunumlarından kaynaklanan yüksek dallanma oranı içeren jetler veya (kayıp dik enerji) kullanılmalıdır. Kütlelesi 700 GeV c 2 e kadar olan Higgs bozonu için baskın üretim mekanizması, t-kuark düğümü yoluyla oluşan gluon-gluon birleşmesidir. Daha yüksek kütleli Higgs bozonlarının üretimi için WW veya ZZ birleşme mekanizması çok önemli olmaktadır. 2 < η < 5 bölgesinde yüksek enerjili jetlerin tespit edilmesi bu kütle aralığında olan Higgs reaksiyonunu belirlemek için kullanılır (CMS TDR, 2006) Süpersimetrik Parçacıklar Skuark ve sgluino gibi süpersimetrik parçacıkların bozunumu, parçacık şelalesi (cascade) içermektedir. R-Paritesi çarpımsal bir kuantum sayısıdır, R paritesi korunuyorsa en hafif SUSY parçacığı var demektir. Bu parçacıkların çok zayıf 9

25 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN etkileştikleri öngörülmektedir. Bu da son durumdaki in önemine yol açmaktadır (CMS TDR, 2006). R-Paritesinin korunumun kozmolojik karanlık maddenin ne olduğu sorusuna yanıt verebileceği sanılmaktadır. R-Paritesinin Lepton (L), Baryon (B) ve spin (S) kuantum sayılarıyla ilişkisi R = (-1) 3B+L+2S ifadesi ile temsil edilir. Burada B baryonik kuantum sayısı, L leptonik kuantum sayısı, S ise spin kuantum sayısını göstermektedir. Buna göre R = (-1) tüm (SÜSİ) parçacıklarını, R = (1) ise tüm (SM) parçacıklarını temsil edecektir. R-paritesinin önemli sonuçları vardır. Buna göre SÜSİ parçacıkları, SM parçacıklarının çarpışmalarında, sadece çiftler halinde üretilebilirler. SÜSİ parçacıkları sadece bir başka SÜSİ parçacığı içeren durumlara bozunabilir. Böylece her bir süpersimetrik parçacık en sonunda, en düşük kütleli bir süpersimetrik parçacığa bozunmalıdır. Böylelikle en düşük kütleli süpersimetrik parçacık (LSP, Lightest SUSY particle) kararlı olmaktadır (CMS TDR, 2006) Kütleli Yeni Vektör Bozonları Detektör gereksinimleri yüksek momentum için ve gibi yüksek kütleli bozunumlar dikkate alınarak belirlenebilmektedir. bozonunun keşfi büyük olasılıkla sinyalin istatistiksel anlamı ile sınırlandırılacaktır (CMS TDR, 2006) Ekstra Boyutlar Ekstra boyutların varoluşu kuantum gravitenin bir karakteristik enerji ölçeğine yol açabilir ki bu da D-boyutunda Planck kütlesinin benzeri olan M D ye benzerdir. Deneysel açıdan işaretler 3 farklı durumla ayırt edilebilirler. Cis-Planckian ( ), ekstra boyutların içine kaçan gravitonun yayınlamasını içeren sinyallere sebep olmaktadır. Örnek olarak; pp jet + graviton jet + verilebililir. Planckian (E M D ) modele bağlı işaretlere sebep olmaktadır. 10

26 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN Trans-Planckian, düzensiz yüksek kütleli iki jet oluşumuna ve lepton, foton, nötrino, W, Z, jetler gibi temel parçacıkların oluşumunu içeren bozunumlar ile meydana gelen küçük kara deliklere sebep olmaktadır (CMS TDR, 2006). 2.3 CMS (Compact Muon Solenoid) Deneyi CMS, proton-proton çarpışmaları için dizayn edilmiş dört deneyden bir tanesidir ve buna ek olarak iyon çarpışmalarında da veri alacaktır. CMS detektörünün tasarımında müonların momentumlarının ölçümü ön planda tutulmuştur. CMS deneyinin temel amacı, SM Higgs bozonunu keşfetmek ve aynı zamanda süper simetrik parçacıkları bulmaktır. CMS de araştırılacak diğer iki konu b fiziği ve ağır iyon fiziğidir. b kuarkı içeren parçacıkların incelenmesi evrendeki madde-anti madde arasındaki simetri kırılmasını aydınlatabilecektir. Ağır iyon çarpışmaları ise maddenin yeni bir hali olan kuark-gluon plazmasının incelenmesi için olanak sağlayacaktır. Bu da evrenin oluşum süreci hakkında yeni bilgiler edinmemizi sağlayacaktır. CMS detektörünün tasarım amaçları şu şekilde özetlenmektedir. Kompakt dizaynı sağlamak için güçlü bir süperiletken solenoid. Çok iyi bir müon algılama sistemi. Yüksek çözünürlüklü elektromanyetik kalorimetre. Yüksek çözünürlükte jet belirlemek ve ölçümlerini gerçekleştirmek için hadronik kalorimetre. Parçacık izlerini ölçmek için yüksek çözünürlüğe sahip iç izleyici sistem. CMS detektörü silindirik bir yapıya sahip olup azimüthal simetriye sahiptir. Uzunluğu 21.6 m, çapı 14.6 m ve ağırlığı tondur. CMS in merkezinde 13 m uzunluğunda, 5.9 m iç yarıçapında 4T lık süper iletken bir solenoid mıknatıs bulunmaktadır. CMS tarafından benimsenen koordinat sisteminde, deney içinde sembolik çarpışma noktası orjin olarak kabul edilir. y-ekseni, dikey olarak yukarıyı işaret etmektedir, x-ekseni radyal olarak BHÇ nin merkezini işaret etmektedir. z-ekseni, ise hüzme yönünü işaret etmektedir. CMS in koordinat sistemi Şekil 2.4 de verilmektedir. Azimuthal açı φ, x-y düzlemindeki x-ekseninden ölçülmektedir. 11

27 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN Kutupsal açı θ ise, z-ekseninden ölçülmektedir. Genelde kutup açısı yerine psüdorapidite (η) kullanılmaktadır (CMS TDR, 2006). η = -ln (tan θ 2 ) (2.2) Parçacığın (enine momentum) ve (enine enerji) olarak ifade edilen dik momentum ve enerjisi sırayla x ve y bileşenlerinden hesaplanmaktadır. Dik düzlemdeki enerji ölçümünün kararsızlığı ile ifade edilmektedir. Şekil 2.4. CMS koordinat sistemi. Solenoid şeklindeki mıknatısın oyuğu, içerisine iç izleyici ve kalorimetre yerleştirilmesine kadar yeterli büyüklüğe sahiptir. İzleyici silindir şeklinde olup 5.8 m uzunluğunda ve 2.6 m yarıçapındadır. CMS te yüksek iz çözünürlüğü elde etmek ve gerekli hassaslığı sağlamak amacıyla 10 mikro şerit detektör katmanı kullanılmıştır. Ek olarak 3 silikon piksel detektör katmanı yüklü parçacıkların 12

28 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN izlerinin çarpışma parametrelerini ölçmek için etkileşme bölgesinin yakınlarına düşey olarak yerleştirilmiştir (CMS TDR, 2006). Genel amaçlı bir parçacık detektörü, etkileşme noktasının etrafını çevreleyen soğansı yapıdan meydana gelmektedir (Şekil 2.5). CMS detektörü, bu soğansı yapıyı sağlamak amacıyla, içten dışa doğru olmak üzere dört alt sistemden oluşmuştur. İz Detektörler Elektromanyetik Kalorimetre Hadronik Kalorimetre Müon Detektörü Şekil 2.5. CMS detektörünün yapısı ve alt sistemleri. 13

29 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN Solenoid Mıknatıs CMS detektörünün tasarımındaki önemli noktalardan biri de müon momentum ölçümündeki hassasiyetin yüksek olma gerekliliğidir. Bunu sağlamak için yüksek manyetik alana gereksinim duyulmaktadır. Bu yüzden, CMS de süper iletken bir solenoid mıknatıs kullanılmaktadır. Bu mıknatıs sayesinde büyüklüğü 4T olan, demet eksenine paralel ( z-ekseninde) bir manyetik alan elde edilmektedir (Şekil 2.6). Solenoidin parametreleri çizelge 2.2 de verilmiştir. Solenoidin boyutundan dolayı büyük bir bükme gücü elde edilebilir ve yüksek süperiletken alanından dolayı bükülme ilk olay köşesinde başlamaktadır. Uygun bir uzunluk yarıçap oranı, ileri bölgede iyi bir momentum çözünürlüğü sağlamak için gereklidir. Çizelge 2.2 CMS süperiletken solenoidin parametreleri. Alan 4 T Uzunluk 12.9 m İç çap 5.9 m Sarım Sayısı 2168 Akım 19.5 ka Depolanan Enerji 2.7 GJ Halka Basıncı 64 atm Şekil 2.6. Süper iletken solenoid mıknatıs. 14

30 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN Soğutma sistemi ve yüksek saflıkta alüminyum ile kararlı hale getirilmiş bir iletken kullanılması CMS in en temel özelliğidir. Kullanılan bu yöntem ilk olarak başarılı bir biçimde LEP de ALEPH ve DELPHI detektörleri için, daha sonra HERA da H1 detektörü için kullanılmıştır. Bununla birlikte manyetik alan, amper sarımları, kuvvetler ve depolanan enerji (2.7 GJ) gibi bazı parametrelerdeki büyük artış bazı değişiklikleri gerektirmektedir. Özellikle 64 atm lik dış basınca dayanabilen geniş kesitli iletken 4 katmanlı bobinde kullanılmıştır. İletken, alaşımlı bir yapıya sahip olup 20 ka akım taşımaktadır. Bobinde, kullanılan her birinin uzunluğu 2.65 km olan iletkenler yirmi tane art arda parça halinde imal edilmiştir (CMS TDR, 2006) Müon Sistemi İyi bir müon belirleme ve momentum ölçüm sistemi CMS in temel çalışma ilkesidir. Merkezi olarak üretilen müonlar, ilk önce iç izleyici içinde, bobinden sonra ve son olarak dönüş akısı (return flux) içinde üç kez ölçülmektedir. Müon sistemi kullanılarak muonların momentumlarının hesaplanması 4T lık halkanın çıkışındaki müon eğilme açısı belirlenerek yapılmaktadır. Düşük momentumlu müonlar için en iyi momentum çözünürlüğü, silikon izleyicilerde elde edilen çözünürlükle verilmektedir. Müonlar, Higgs ve SÜSİ araştırmaları için onları keşfetmenin yanı sıra özelliklerini belirlemede de önemli ipuçları sunmaktadır. Müonları belirlemede, müonların yüksek girişkenliği önemli rol oynamaktadır. Bu nedenden dolayı müon detektörü yüklü parçacıkların durdurulduğu düşünülen manyetik alanın ve kalorimetrenin dışında yer almaktadır. CMS detektöründe müon sistemi dört tane müon istasyonundan oluşmuştur. Birisi nötronların neden olduğu gürültünün küçük olduğu fıçı kısmı ( η < 1.2 ), diğeri ise nötronların gürültü oranının yanında müon oranının da yüksek olduğu 2 tane kapak kısmıdır ( 0.9 < η < 2.4 ). Buna ek olarak, hem fıçı hem de kapak bölgesinde dirençli plaka odacıkları (resistive plate chambers, RPC) kullanılmıştır. Müon sisteminde müonları varlamak ve momentumlarını ölçmek için üç farklı teknoloji kullanılır. Bunlar fıçı bölgesindeki sürüklenme tüpleri, 15

31 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN kapak bölgesindeki katot şerit odacıkları ile fıçı ve kapak bölgelerinin her ikisinde yer alan dirençli plaka odacıklarıdır (CMS TDR, 2006). Şekil 2.7 Müon sisteminin dikine kesiti İç İzleyici Sistem İç izleyici sistem yüksek ışıklıkta değişik yarıçaplarda yüklü parçacık akısı dikkate alınarak üç bölge tarif edilebilir : Piksel detektörünün bulunduğu, parçacık akısının en yüksek olduğu ( 10 cm için 10 /s ) etkileşme noktasına en yakın bölge, Silikon şerit detektörlerinin kullanıldığı, parçacık akısının yeterli miktarda düşük olduğu, 20 < r < 55 cm aralığındaki orta bölge, 16

32 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN r >55 cm olan, parçacık akısının en aza düştüğü enli silikon mikroşerit detektörlerinin kullanıldığı en dıştaki bölgedir. Etkileşme noktasına yakın olan fıçı bölgesinde 4.4, 7.3 ve 10.2 cm yarıçaplarında 3 katmanlı hibrit piksel detektörleri bulunmaktadır. Fıçının bir bölümünde yarıçapın 20 cm ile 110 cm olan aralığına yerleştirilmiş silikon mikroşerit detektörleri ve ileri bölgedeki iki kapak (endcap) bölgenin her biri iki piksel ve dokuz mikroşerit katmanına sahiptir (CMS TDR, 2006). Şekil 2.8 CMS detektöründe parçacıkların sahip olduğu iz ve yörüngeler Elektromanyetik Kalorimetre (ECAL) Yüksek çözünürlüklü kurşun tungsten (PbWO 4 ) kristallerden oluşan elektromanyetik kalorimetre (ECAL), elektronların ve fotonların enerjisini yüksek çözünürlükte ölçmek için tasarlanmıştır (CMS TDR, 2006). ECAL, 140 GeV < m H < 7000 GeV için H ZZ ve H WW bozunumlarından gelen elektronları ve pozitronları ayrıca m H < 150 GeV için foton bozunum kanalındaki fotonları ölçerek Higgs araştırmalarında çok büyük rol oynamaktadır. Bu fizik amaçları doğrultusunda ECAL in enerji çözünürlüğü çok iyi olmak zorundadır ve ayrıca ECAL, yüksek radyasyonlu bölge içinde olduğundan dolayı kullanılan materyaller radyasyona karşı dayanıklıdır (CMS TDR, 2006). 17

33 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN ECAL, hermitik ve homojen yapıya sahip olup, merkezi fıçı kısmında tane kursun tungsten, 2 kapak kısmında ise 7324 tane kristal içermektedir. Kurşun tungsten sintilatör kristallerinin seçilmesinin nedeni, kısa radyasyon (X 0 =0.89 cm) ve Moliere uzunluğuna (2.2 cm) sahip olması, hızlı olması ve radyasyona karşı dayanıklı olmasıdır (CMS TDR, 2006). Fıçı bölüm (EB), 129 cm lik iç yarıçapa sahip olup 0 < η < psüdorapidite aralığını kapsamaktadır. Kapak kısmı (EE) etkileşim noktasından 314 m uzaklıkta olup psüdorapidite aralığı < η <3.0 a karşılık gelmektedir (CMS TDR, 2006) Hadronik Kalorimetre (HCAL) Hadronik kalorimetre (HCAL) manyetik bobinin içinde olan en dıştaki detektördür. HCAL kayıp dik enerjinin ve jetlerin ölçülmesi için tasarlanmıştır. Bu ölçümler Higgs bozonunun ve süpersimetrik parçacıkların keşfinde çok önemli rol almaktadır. İyi bir kayıp enerji çözünürlüğü elde etmek için kalorimetrenin η < 5 bölgesini kapsaması gerekmektedir. HCAL dört alt detektörden oluşmaktadır ve ileri kalorimetre (HF) hariç diğer alt detektörler (HB, HE, HO) ile η 3.0 psüdorapidite aralığını kapsamaktadır (CMS TDR, 2006). HCAL ın izdüşümsel geometrisini oluşturmak için kalorimetre η (eta) ve φ (phi) dan oluşan kulelerden meydana gelmiştir. Bu kuleler de sektörleri oluşturmaktadır. (Şekil 2.9.) 18

34 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN Şekil 2.9. HB ye ait bir sektör Hibrid Foto Diyot (HPD) HPD, vakumlanmış bir tüp ile foto katot içine yerleştirilmiş ve bölünmüş bir silikon foto diyottur. Foto elektronlar 3.3 mm boşluk boyunca hızlandırılıp altıgensel sıkı istifli foto diyot dizilerine çarptırılmaktadır. Elde edilen kazanç ise elektronları hızlandıran voltajdan eşik voltajı çıkarılarak bu farkın 3.6 ev a bölünmesi ile bulunur. Silikon içindeki elektron-deşik çiftinin oluşması bu şekilde sağlanmaktadır. HCAL da kullanılan HPD şekil 4.1 de görülmektedir (Cushman, ICHEP 2004). HCAL pirinç soğurucularla düzenlenmiş sintilatör karolarından oluşmuş bir örnekleme kalorimetresidir. Aktif sintilatör elementlerinde depolanmış enerji, 520 nm lik dalga boyuna sahip ışık yayar. WLS fiberleri ile eşleştirilmiş temiz fiberler ışığı kamalara yerleştirilmiş okuma ünitelerindeki (RBX, Readout Box) HPD ve PMT lere gönderir. Bir RBX içinde 4 tane RM (Readout Modul) vardır, her RM de her bir -sektöre bir HPD (Hibrit Foto Diyot) ayrılmıştır. HPD ler 18 piksele sahiptir ve -sektörüne ait kulelerden gelen fiberler demet halinde HPD nin içinde karşılık geldiği piksele yerleştirilmektedir. 19

35 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Türker KARAMAN Şekil CMS de kullanılan HPD nin önden ve arkadan görünüşü Fotoçoğaltıcılar (PMT) Fotoçoğaltıcılar, ışığı ölçülebilir bir elektrik akımına dönüştüren aygıtlardır. Işığa duyarlılığı yüksek materyalden yapılan bir katottan, elektron çoğaltma sisteminden (dinod) ve son olarak sinyalin alındığı bir anottan meydana gelmiştir. Bütün parçalar cam bir vakum içerisine yerleştirilmiştir. Bir foton geldiğinde foto katoda çarparak fotoelektrik olay yoluyla bir elektron yayımlanır. Uygulanan voltajdan dolayı, elektron ilk dinoda doğru yönelir ve hızlanır. Dinoda çarparak enerjisinin bir kısmını dinodaki elektronlara transfer eder. Bu olay ikincil elektronların meydana gelmesine neden olur. İkincil elektronlar da bir sonraki dinoda doğru hızlanırlar ve bu dinoda çarptıklarında başka elektronlar çıkar ve bu çıkan elektronlar da hızlandırılır. Böylece dinod şeridi boyunca bir elektron şelalesi oluşur. Bu şelale, bir akım vermesi için anotda toplanır ve analiz edilir. 20

36 3. MATERYAL VE METOD Türker KARAMAN 3. MATERYAL VE METOD 3.1. Hadronik Kalorimetre (HCAL) Hadron kalorimetresi (HCAL) ECAL in alt detektörleri ile birlikte kayıp dik enerjinin ve jetlerin ölçülmesi için tasarlanmış bütünleşik bir kalorimetre sistemidir. Hadron kalorimetresi Şekil 3.1 de gösterildiği gibi, ileri hadron (HF), hadronik kapak (HE), hadronik dış (HO), hadronik fıçı (HB) olmak üzere 4 tane alt detektörden oluşmaktadır. HB ve HE alt detektörleri ECAL i tam olarak sarıp 4T lık yüksek manyetik alanlı solenoid mıknatıs içine yerleştirilmişlerdir. HB ve HE alt detektörleri fıçı kısmında η = 1.4 değerine kadar, kapak kısmında ise 1.3 η 3.0 psüdorapidite aralığını kapsayarak detektörün hermitik yapıda olmasını sağlamıştır. HF, etkileşme noktasından 11.2 m uzağa yerleştirilmiştir. Psüdorapidite aralığı HE ile çakışarak η = 2.9 bölgesinden η = 5 bölgesine kadar uzanmaktadır (Şekil 3.2). İleri kalorimetre dar ve kısa hadronik duşlar için tasarlanmıştır ve ileri enerjetik jetlerin belirlenmesinde önemli bir detektördür. HCAL, mıknatısın (solenoidin) dışında kalan sintilatör katmanlarından oluşan HO ile tamamlanır. Manyetik alandan etkilenmeyen bu soğurucu tabaka parçacıkların etkileştiği ortamı azaltmaktadır. Bu yüzden soğurucular arasına aktif materyaller (sintilatörler) yerleştirilmiştir. HB, HE ve HO da 4 mm kalınlığında sintilatörler ve bu sintilatörler içerisine dalga boyu kaydırıcı (Wavelength shifter, WLS) fiberler kullanılmıştır. WLS fiberlerinde dalgaboyu kaydırılan ışık, temiz fiberler ile okuma ünitelerine aktarılmaktadır (CMS TDR, 2006). 21

37 3. MATERYAL VE METOD Türker KARAMAN Şekil 3.1. HCAL dedektörlerinin CMS deki yerleri. Şekil 3.2. HCAL dedektörlerinin η büyüklükleri. 22

38 3. MATERYAL VE METOD Türker KARAMAN Hadronik Fıçı Kalorimetresi (HB) HB, psüdorapitide si -1.3 < η < 1.3 olan bölgeyi kapsamaktadır. HB+ ve HB- de eşit açılı (Δφ=20 ) 18 er tane kama (wedge) bulunmaktadır (Şekil 3.3). Kamalar pirinç malzemeden yapılmış soğurucu tabakalara ve bu tabakalar arasına yerleştirilmiş sintilatör plakalara sahiptir. Her bir kama Δφ=5 ile 16 kuleden oluşan 4 sektöre bölünmüş olup toplam 4x18=72 okuma kanalına sahiptir. HCAL daki kulelerden gelen optik sinyal kamalar üzerindeki okuma kutuları (RBX) içerisine yerleştirilmiş HPD ler ile okunmaktadır (CMS NOTE, 2006/138). Şekil 3.3. HB kamalarının (wedge) numaraları. En içteki ve en dıştaki soğurucu levhalar yapısal dayanıklılık için paslanmaz çelikten yapılmıştır. Pirinç soğurucu levhalar ve paslanmaz çelik levha arasında 17 tane plastik sintilatör katman bulunmaktadır. İlk aktif katman ECAL in arkasında yer almaktadır. Bu ilk katman yaklaşık iki sintilatör kalınlığına sahip olup, HCAL ve ECAL arasındaki materyalden kaynaklanan düşük enerjili duş parçacıklarını aktifleştirmektedir. Sintilatörler 16 (eta) sektörüne ayrılmıştır (CMS NOTE, 2006/138). Kamalar birbirlerine tutturularak aralarındaki boşluklar 2mm den az olacak şekilde yerleştirilmiştir (Şekil 3.4) 23

39 3. MATERYAL VE METOD Türker KARAMAN Şekil 3.4. HB kamasının izometrik görünüşü. Pirinç soğurucunun bileşenleri %70 i bakırdan %30 u çinkodan meydana gelmiştir. Yarım silindirin bir tanesi şekil 3.5 de verilmektedir Pirinç soğurucunun yoğunluğu 8,83 g/cm 3, radyasyon uzunluğu X 0 =1.49 cm, etkileşme uzunluğu λ I =16.42 cm dir. Soğurucu, ön tabakada 40 mm kalınlığında çelik, onun arkasında 8 tane 50.5 mm kalınlığında pirinç, 6 tane 56.5 mm kalınlığında pirinç ve en sonda 75 mm kalınlığında çelik tabakalara sahiptir. Birinci çelik levhaya 9 mm kalınlığında sintilatörler (Bicron BC408) yerleştirilmiştir. Pirinç levhalar arasına 3.7 mm kalınlığında (Kuraray SCSN81) ve son levhaya 9 mm kalınlığında sintilatörler yerleştirilmiştir. HCAL ın aktif ortamı yaklaşık adet sintilatör tabakadan oluşmaktadır (CMS NOTE, 2006/138). 24

40 3. MATERYAL VE METOD Türker KARAMAN Şekil 3.5. Δφ=20 açılara bölünmüş HB nin görünüşü HB Kalorimetresinde Işıldayıcı Tabakası Fiziksel elementlerin sayısını sınırlandırmak için azimutal kısımları ve derinlikleri belirlenen tabakalar sintilatör birimi içinde gruplanmıştır. Şekil 3.6 da tipik bir tabla görülmektedir. Sintilatör tablaları ve optik okuma zinciri soğurucu yapının içine yerleştirilmeden önce test edilmektedir. Sintilatör montajı ve soğurucu yapının inşası birbirinden bağımsız yapılmaktadır. Bu sintilatörlerin seçimindeki sebep radyasyona karşı dayanıklı ve uzun süre kararlılığını koruyabiliyor olmasıdır. (CMS NOTE, 2006/138). Tabla, Tyvek ile örtülmüş kenarları beyaza boyanmış birbirinden bağımsız optik sintilatörden oluşmuştur. Işık bütün tablalardan 0.94 mm çapındaki yeşil WLS fiberleri ile toplanmaktadır. Sintilatör tabakalarından birkaç metre uzağa yerleştirilmiş foto sensörlere taşınan ışığın optiksel zayıflamasını minimize etmek için WLS fiberlerinin ucuna temiz fiberler eklenmiştir (CMS NOTE, 2006/138). 25

41 3. MATERYAL VE METOD Türker KARAMAN Şekil 3.6. Işıldayıcı tablası, WLS fiberleri, temiz fiberler, radyoaktif kaynak borusu görülmektedir Hadronik Kapak Kalorimetresi (HE) Kapak bölgelerine yerleştirlen HE detektörü, HE+ ve HE- olarak adlandırılar. Her biri 20 lik (phi) açısına sahip 18 tane kamadan oluşur. Kamalar eşit açıyla bölünmüş 4 sektöre sahiptir ( =5 ). HE, HB de olduğu gibi 18 tane pirinç soğurucu katmandan oluşmaktadır (Şekil 3.7). Her katman 78 mm kalınlığındadır. Soğurucular arasında 19 tane 3.7 mm kalınlığında sintilatör bulunmaktadır. Birinci seviye tetikleyicilerde düzgün bir bölünme yapmak amacıyla, enerjiler hayali olarak eşit parçalara bölünmüş 10 lik kamalarda ölçülür ve ayrı ayrı tetikleyiciye gönderilir. kule büyüklüğü 1.3 < η < 1.74 psüdorapidite bölgesinde HE ile HB çakışmaktadır. η > 1.74 dan sonraki değerleri çizelge 3.1 de görüldüğü gibi artar (CMS TDR, 2006). HE nin derinlik (depth) bölümlerinin sayısı EM (elektro manyetik) kısmını içeren 18. kule ile başlamaktadır. İlk kule ECAL i kapsayan nın ötesindedir. Başlangıçta HE nin ilk derinliği ECAL in kapak sinyallerinin bulunduğu bölgesel kalorimetre tetikleyicilerini (regional calorimeter trigger, RCT) beslemek için 26

42 3. MATERYAL VE METOD Türker KARAMAN kullanılacaktır. Arka kısım ise RCT için hadronik enerji veri girdilerini şekillendirecektir. Tablo 3.1 de görüldüğü gibi 28. kulenin arka kısmı =0.35 ile alışılmadık bir büyüklüğe sahiptir. Bu kulenin ön iki kısmı ince tanecikliliği daha iyi sağlamak için ve veri okunmasına (readout) ayrılmaktadır (CMS TDR, 2006). Şekil 3.7. HE nin yapımında pirinç malzeme kullanılmıştır. 27

43 3. MATERYAL VE METOD Türker KARAMAN Çizelge 3.1 HCAL okuma kulelerinin, ve derinlik cinsinden büyüklükleri. Kule aralığı Büyüklük Derinlik Dizini Düşük Yükek Detektör Segmentleri HB, HO HB, HO HB, HO HB, HO HB, HO HB, HO HB, HO HB, HO HB, HO HB, HO HB, HO HB, HO HB, HO HB, HO HB, HO HB, HE HE HE HE HE HE HE HE HE HE HE HE HF HF HF HF HF HF HF HF HF HF HF HF HF HB=1, HO=1 HB=1, HO=1 HB=1, HO=1 HB=1, HO=1 HB=1, HO=1 HB=1, HO=1 HB=1, HO=1 HB=1, HO=1 HB=1, HO=1 HB=1, HO=1 HB=1, HO=1 HB=1, HO=1 HB=1, HO=1 HB=1, HO=1 HB=2, HO=1 HB=2, HO=1 HE=1 HE=1 HE=1 HE=1 HE=1 HE=1 HE=1 HE=1 HE=1 HE=1 HE=3 HE=3 HF=2 HF=2 HF=2 HF=2 HF=2 HF=2 HF=2 HF=2 HF=2 HF=2 HF=2 HF=2 HF=2 28

44 3. MATERYAL VE METOD Türker KARAMAN HE Kalorimetresinde Işıldayıcı Tablası Sintilasyon ışığı sintilatörün dış kenarına yakın yerlerine yerleştirilmiş WLS fiberler ile toplanmaktadır. Bu dizayn ölü bölgenin minimuma düşürülmesinde avantaj sağlamaktadır. Çünkü 0.94 mm lik bir fiberle ışık kolayca foto detektörlere yönlendirilebilmektedir. 0 katmanı için, ikizkenar yamuk biçimindeki sintilatörler 4 mm kalınlığında Bicron SCSN81 ya da 9 mm kalınlığındaki Bicron BL408 dir. Fiberlerin ucu elmas kesiciler tarafından şekillendirilmiş ve ışığın toplanmasını arttırabilmek için alüminyum ile kaplanmıştır. Fiberlerin diğer ucu özel yapım optik bağlayıcı içine yapıştırılmış temiz fiberlere eklenmiştir. Bu bağlayıcının yüzü elmas kesici kullanılarak şekillendirilmektedir. Sintilatörler dar kenarları boyunca beyaza boyanmış ve tablo biçimindeki bir çerçeveye konulmuştur. HE nin her iki kısmı için toplam karo sayısı dır ve 1368 tane tabla bulunmaktadır. Tablaların dizaynı Şekil 3.8 de verilmiştir. Sintilatörler Tyvek denilen kâğıtla örtülerek duralumin (sert alüminyum alaşımı) tabakaları arasına sıkıştırılmıştır. Sıkıştırılan bu yığın optik bağlayıcılar ile sonlanan fiberler için boşluklar içermektedir. Alüminyum tabakalar arasındaki boşluklar pirinç ara levhası ile vidalanmıştır. Tablalar soğurucular içindeki boşluklara yerleştirilip sabitlenmiştir. Tablaların dizaynı çok dayanıklı ve güvenilirdir ve emicilerin içine yerleştirilmeleri açısından önemli olması nedeniyle sert bir yapıya sahiptir. UV nitrojen lazer kullanılarak sintilatörler uyarılıp tablalarının kalite kontrolü yapılmıştır. Soğurucular içindeki boşluklara yerleştirilen tablalar vidalar ile sabitlenmiştir. Kalorimetrenin arka kısmına RBX (okuma kutuları) yerleştirilmiştir. Bu üniteler içinde foto detektörler ve ön yüz elektroniği FE (front-end-electronics) bulunmaktadır. Fiber optik kablolar, fotonları sintilatör tablalarından foto detektörlere transfer etmektedir. HPD ler geniş dinamik bölgelerinden ve manyetik alandan çok az etkilenmesinden dolayı foto detektör olarak kullanılır (CMS NOTE, 2008/010). 29

45 3. MATERYAL VE METOD Türker KARAMAN Şekil 3.8. HE ışıldayıcı tablasının kesiti. Yeşil renkteki kablolar WLS fiberlerini göstermektedir HE Kalorimetresinde Soğurucu Yapısı HB ve HE arasındaki boşlukları mümkün olduğu kadar en aza indirmek için soğurucular dizayn edilmiştir. Boşluklar izdüşümsel değildir bu sayede boşluk yönündeki jetlerin enerjileri ölçülebilmektedir. Bu bölgedeki parçacık jetlerin enerji çözünürlüğü manyetik alan etkileri ve parton fragmentasyonu ile sınırlandırılmaktadır. Plakalar ölü bölge içerecek şekilde düzenlenerek sıralı biçimde birbirlerine tutturulmuşlardır (Şekil 3.9). 79 mm kalınlığında pirinç plakalar arasına sintilatörlerin girmesi için 9 mm lik boşluklar bulunmaktadır. Elektromanyetik kristalleri içeren kalorimetrenin toplam uzunluğu, 10 etkileşme uzunluğu (λ) civarındadır (CMS NOTE, 2008/010). 30

46 3. MATERYAL VE METOD Türker KARAMAN Şekil 3.9. HE soğurucularının mekaniksel yapısı. Parçacıklar kalorimetreye alttan girmektedirler. HE nin dış katmanları, fotoçoğaltıcılar ve FE lerin yerleştirilmesi için çok uygundur. Materyalin azalmasını gidermek için 16. kuleye fazladan bir katman yerleştirilmiştir. En dış katmanlar 10 cm kalınlığında paslanmaz çelik plakaya sabitlenmektedir. Optik elementler boşluk içine sonra da soğurucuya monte edilmiştir İleri Hadron Kalorimetresi (HF) HF 3.0 < η < 5.0 psüdorapidite aralığını kapsamaktadır. HF, jetlerin ve kayıp dik enerjinin ölçümlerinin iyi bir şekilde yapılabilmesini sağlamaktadır. İleri hadron kalorimetresinin dizaynı çok dar ve kısa hadronik duşlar için tasarlanmıştır. İleri jetler için HF iyi bir enerji çözünürlüğü sağlamaktadır. Etkileşme noktasından 11.2 m uzaklığa yerleştirilmiştir. HB ve HE de olduğu gibi HF de HF+, HF- olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Her bir kısım 20 lik 18 kamadan oluşmaktadır. Fakat HF te her kama 10 lik eşit açıyla bölünmüş 2 sektöre sahiptir (CMS NOTE, 2006/44). İleri hadron kalorimetresi çelik soğurucular ve bu soğurucular içine yerleştirilmiş kuvartz fiberlerden (lif) meydana gelmiştir. Kullanılan fiberler radyasyona karşı dayanıklıdır ve soğurucuda oluşan duşlar Cherenkov ışımasına yol açar. Şekil 3.10 da görüldüğü gibi HF te 1.65 m elektromanyetik, 1.43 m hadronik 31

47 3. MATERYAL VE METOD Türker KARAMAN olmak üzere 5mm aralıklarla yerleştirilmiş iki çeşit kuvartz fiber kullanılmıştır. Bu fiberler demetler haline getirilerek detektörün arka kısmında birleştirilir ve sinyal buradaki fiberler ile foto tüplere iletilerek ayrı ayrı okuma bilgisi alınır (CMS TDR, 2006). Şekil Kuartz fiberlerinin yerleştirildiği HF kuleleri Hadronik Dış Kalorimetresi (HO) HB, 4T lık manyetik alan sağlayan solenoid mıknatıs içerisinde istenildiği kadar kalın değildir. <1.4 de hadron kalorimetresi yeterince örnekleme sağlamak için solenoid mıknatısın dışına uzatılarak HO diye adlandırılmıştır. HO, 1.4 / sinθ etkileşme uzaklığında solenoid mıknatısı ek bir soğurucu olarak, başlangıç duşlarını tanımlamak ve HB nin ötesindeki duş enerjisini ölçmek için kullanılmaktadır < η < 1.26 psüdorapidite aralığını kapsamaktadır (CMS NOTE, 2006/127). HO müon silindir sistemi içerisine yerleştirilmiştir ve -2, -1, 0, 1, 2 olmak üzer 5 halka biçiminde bölünmüştür. Bu numaralandırılma artışı z ekseni ile olmaktadır ve 5 halkanın tanımlanmış merkezi z eksenindeki konumları sırasıyla m, m, 0, m, m dir. η = 0 da HB, proton-proton çarpışmasında üretilmiş hadronlarla en düşük seviyede etkileşim sağlar. Böylece merkezi halka 2 HO 32

48 3. MATERYAL VE METOD Türker KARAMAN sintilatörüne sahiptir. Bu sintilatörler iki tarafında da radyal uzaklığı 3820 mm ve 4070 mm olan 19.5 mm kalınlığında demir parçaları bulunmaktadır. Diğer bütün halkalar 4070 mm radyal uzaklığında tek bir HO katmanına sahiptir. HB-HE sınır bölgesi haricinde kalorimetre sisteminin toplam derinliği minimum olarak 11.8 λ I dır (CMS NOTE,2008/020). Müon sisteminin yapısı ve geometrisinden dolayı HO kısıtlanmıştır. Şekil 3.11 müon detektörü halkaları üzerindeki HO tabakalarını göstermektedir. Her halka 12 özdeş sektöre ayrılmıştır. Bu 12 sektör, muon sisteminde olduğu gibi dönüş boyunduruğunun ardışık demir katmanlarını tutan 75 mm kalınlığındaki paslanmaz çelik kirişleri ile ayrılmıştır. HO, müon dedektörünün önünde yer alan ve 1 (halka ±1 ve ±2) veya 2 (halka 0) sintilatör katmanında oluşan halkalara sahiptir. Karolardan gelen sintilasyon ışığı 0.94 mm çapındaki multi-clad Y11 Kuraray dalga boyu kaydırıcı fiberleri tarafından toplanır, ucuna yerleştirilmiş Y11 Kuraray temiz fiberler ile foto detektörlere taşınır (CMS NOTE,2008/020). Şekil HO nun yanlamasına (sol) ve uzunlamasına (sağ) kesiti. 33

49 3. MATERYAL VE METOD Türker KARAMAN 34

50 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Türker KARAMAN 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR 4.1. HCAL Kalibrasyon Sistemi HCAL kalibrasyon sistemi başlangıç mutlak enerji skalasını ayarlamak, detektörün tepkisini ve değişmezliğini anlamak, fizik verilerinin alındığı sırada zaman kararlılığını ölçmek için kullanılmaktadır (CMS TDR, 2006). Enerji skala sabitleri, e ±, π ± ve müon test huzmesi ile alınmış verilerle radyasyon kaynağı kullanılarak alınan veriler birleştirilerek hesaplanmıştır. Detektör tekbiçimli olamadığından dolayı hüzme testi enerji skala bilgisi, bütün kanallar için radyasyon kaynağından alınan verilerle karşılaştırılarak tüm sisteme çevrilmiştir. Bütün kanalların (sintilatör, fotodetektör, elektronik) tam tepkisi radyasyon kaynağı ve UV-lazer kullanılarak gözlemlenmektedir. Ek olarak elektronik kısmının gözlemlenmesi UV-lazer sistemi ve mavi LED (Light Emitting Diode) ışığı ile gerçekleştirilmektedir (CMS TDR, 2006) 4.2. Offline Kalibrasyon Sistemi ve İzleme Kalibrasyon katsayıları manyetik alansız ortamda test hüzmeleri ile alınan verilerle hesaplanmıştır. Fakat HCAL kalorimetresi çalıştığında 4T lık (Tesla) manyetik alanın içerisinde bulunmaktadır. Manyetik alan HB-HE ve HE-HF arasındaki geçiş bölgelerinde duş düzeltmelerini etkilemektedir. Yüksek ışıklılıkta alınan verilerde radyasyon hasarından dolayı HE nin tepkisi azalmaktadır. Bu sebeplerden dolayı HCAL çalışmaya başladığında kulelerin yeniden kalibrasyonu yapılarak gözlenmesi gerekmektedir (CMS TDR, 2006). Hızlı gözlemleme, HCAL çalıştığı zaman pedestal, lazer, radyasyon kaynağı ve LED ile alınan verilerle gerçekleştirilmektedir (CMS TDR, 2006). 35