ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Çağlar ZORBİLMEZ CMS'DEKI ZDC DEDEKTÖRÜ İÇİN AKIM AYIRICI DEVRE FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2012

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ CMS'DEKI ZDC DEDEKTÖRÜ İÇİN AKIM AYIRICI DEVRE Çağlar ZORBİLMEZ YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI Bu tez /.../2012 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir Prof.Dr. Eda EŞKUTProf.Dr. İsa DUMANOĞLU Doç.Dr. Mustafa TOPAKSU DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. M. Rifat ULUSOY Enstitü Müdürü Bu Çalışma Ç. Ü. Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: FEF2011YL10 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 YÜKSEKLİSANS TEZİ CMS'DEKİ ZDC DEDEKTÖRÜ İÇİN AKIM AYIRICI DEVRE Çağlar ZORBİLMEZ ÇUKUROVAÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİENSTİTÜSÜ FİZİKANABİLİM DALI Danışman :Prof. Dr. Eda EŞKUT Yıl:2012 Sayfa: 81 Jüri :Prof. Dr. Eda EŞKUT :Prof. Dr. İsa DUMANOĞLU :Doç. Dr. Mustafa TOPAKSU Sıfır Derece Kalorimetre (ZDC), CMS in alt detektörlerinden biridir. ZDC bir hadronik bölüm ve elektromanyetik bölüm olmak üzere iki bağımsız kalorimetre bölümünden oluşur. Enerji ölçümleri için örnekleme kalorimetrelerde tungsten ve kuvars fiberler kullanılır. ZDC ilk p-p (düşük ışıklılıklı) ve ağır iyon çarpışmalarında ileri yöndeki foton ve nötronları ölçecektir. Biz bu çalışmada ZDC dedektörleri için bir akım ayırıcı devre prototipi geliştirdik. Anahtar Kelimeler: CMS, ZDC, HAD, EM I

4 ABSTRACT MScTHESIS CURRENT SPLITTER CIRCUIT FOR ZDC DETECTOR IN THE CMS EXPERIMENT Çağlar ZORBİLMEZ ÇUKUROVAUNIVERSITY INSTITUTEOFNATURALANDAPPLIEDSCIENCES DEPARTMENTOFPHYSICS Supervisor :Prof. Dr. Eda EŞKUT Year:2012 Page: 81 Jury :Prof. Dr. Eda EŞKUT :Prof. Dr. İsa DUMANOĞLU :Doç Dr. Mustafa TOPAKSU The Zero Degree Calorimeter (ZDC) is one of the sub detectors of the CMS experiment.the design of the ZDC includes two independent calorimetersections: an electromagnetic section and a hadronic section. Sampling calorimeters usingtungsten and quartz fibers have been chosen for the energy measurements.thezdc will measure neutrons and very forward photons in the heavy ion and early (low luminosity) p-p collisions. In this study, we have developed a prototype which is current splitter circuit for ZDC detectors. Keywords: CMS, ZDC, HAD, EM II

5 TEŞEKKÜR Öncelikle bu çalışma süresince bana her türlü desteği sağlayan, onu tanıdığım süre boyunca pek çok şey öğrendiğim ve daha öğreneceğim çok şey olduğuna inandığım danışman hocam Prof. Dr. Eda EŞKUT a sonsuz teşekkürlerimi sunarım. CERN de yaptığım çalışmaları yürütmem sırasında bilimsel tecrübelerini ve engin bilgilerini benden esirgemeyen Richard KELLOGG a çok teşekkür ederim. Doğrudan veya dolaylı katkıları için Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT e, Prof. Dr. Ayşe POLATÖZ e, Prof. Dr. İsa DUMANOĞLU na, Prof. Dr. Aysel TOPAKSU ya teşekkürlerimi sunarım. Çalışmalarım süresince bana birebir eşlik ederek gösterdiği çabadan ve desteklerden dolayı Princeton Üniversitesi doktora öğrencisi Halil SAKA ya teşekkür ederim. Tez çalışmalarımın bir çok aşamasında daima desteklerini gördüğüm arkadaşlarım İlknur HOŞ ve Semiray GİRGİS'e teşekkürlerimi sunarım. Yüksek lisansım süresince çeşitli yönlerden destek ve katkı veren tüm grup arkadaşlarıma dostlukları için teşekkür ederim. Tüm öğrenimim boyunca yanımda olup desteklerini bana her an hissettiren sevgili aileme teşekkürü bir borç bilirim. Ayrıca CERN deki çalışmalarımı maddi olarak destekleyen TAEK e (Türkiye Atom Enerjisi Kurumu) çok teşekkür ederim. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ... I ABSTRACT... II TEŞEKKÜR...III İÇİNDEKİLER... IV ÇİZELGELER DİZİNİ... VI ŞEKİLLER DİZİNİ... VII SİMGELER VE KISALTMALAR... X 1. Giriş Ön ceki alışmalar CMS Deneyi Süp eriletken ıknatıs İç zley ici S stem Elektromanyetik Kalorimetre (EKAL) Hadronik Kalorimetre (HKAL) Hadronik Fıçı (HB) Hadronik Kapak (HE) Hadronik Dış Kalorimetre (HO) İl eri alorim etreler İl eri adron alo rim etresi HF) CASTOR Kalorimetresi ZDC Kalorimetresi Müo n istemi MATERYAL VE METHOD Kuark Gluon Plazması Brookhaven Ulusal Laboratuarı (BNL)'deki RHIC deneyleri BHÇ Deneylerinde ZDC Kalorimetreleri CERN'deki ALICE Deneyinde ZDC kalorimetresi CERN 'deki ATLAS Deneyinin İl eri alo rim etreleri CERN 'deki CMS Deneyinin ZDC Kalorimetresi IV

7 ZDC Kalorimetresindeki Ön ceki alış m alar ZDC Kalorimetresinin Tasarımı ZDC'nin Yapısı ve Alt Dedektör leri Radyasyon Durumu Optik Sistem FÇT Sistemi Elektronik ARAŞTIRMA VE BULGULAR ZDC Akım Ayırıcı Devre ZDC Akım Ayırıcı Devrede Kullanılan Elektronikler Transistör ler Transistör azancı Transistör ün D rlingtonb ğlan m ası Potansiyometre ZDC için Geliştirilen Akım Ayırıcı Devre Prototipi Doğr u kım DC) lçümle ri Alternatif Akım (AC) Ölçümleri LED Veri Alımları ve ZDC Akım Ayırıcı Testi SONUÇ VE ÖN ERİLE R... 7 KAYNAKLAR...77 ÖZGEÇMİŞ...79 V

8 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 1.1. BHÇ dedektörlerinin makine parametreleri... 2 Çizelge 3.1. RHIC in çalışma şartları Çizelge 3.2. ZDC parametrelerinin özeti Çizelge 3.3. ZDC'nin fiziksel karakteristiği Çizelge 3.4. ZDC'de kullanılan materyaller Çizelge 4.1. V CS 1=3.2 V, V CS 2= +5 V, V ee = -1.4 V, V sink = -5 V da elde edilen DC ölçümleri.63 Çizelge 4.2. Farklı HV değerleri için doğrudan FÇT den veya ayırıcı devreden alınan veriler..68 VI

9 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1. CERN deki Hızlandırıcılar... 2 Şekil 2.1. CMSDedektörü... 8 Şekil 2.2. CMS te Kullanılan DedektörlerinRapidite Aralığı ve Azimutal Açıları.. 9 Şekil 2.3. İç İzleyici Hüzme Eksenine En Yakın Dedektör Şekil 2.4. CMS'in Silikon Şerit Dedektörü Şekil 2.5. EKAL'in Alt Birimlerinin Şematik Gösterimi Şekil 2.6. CMS'te EKAL Modülleri Şekil 2.7. CMS'in Uzunlamasına Görünümü Sekil 2.8. HKAL'in Alt Dedektörleri Şekil 2.9. φ = 20 0 lik Açılara Bölünmüş HB'nin Görünüşü Şekil HB Kamaları Şekil HE'nin Görünüşü Şekil İleri Kalorimetre Konumu Şekil Müon Sistemi Şekil 3.1. RHIC Deneyleri Şekil 3.2. Hüzme Geometrisi Ve Dedektörün Konumu Şekil 3.3. BHÇ Hüzme Hattı Üzerindeki ALICE ZDC'leri Şekil 3.4. BHÇ Üzerindeki ALICE ZDC Kalorimetresi Şekil 3.5. ALICE Detektörü ve Hüzme Hattına Yerleştirilen ZDC Dedektörü Şekil 3.6. ATLAS Dedektörü Şekil 3.7. ATLAS Dedektörünün İleri Kalorimetreleri Şekil 3.8. ATLAS ZDC Modülleri Şekil 3.9. BHÇ Hüzme Hattının Bir Bölümü. ZDC kalorimetreleri TAN içine yerleştirilmiştir Şekil BHÇ'nin 4-5 Sektörlerine Yerleştirilen ZDC'den Bir Görünüm Şekil BHÇ'nin 5-6 Sektörlerine Yerleştirilen ZDC'den Bir Görünüm VII

10 Şekil Bir ZDC İçin Serpme Düzeneği Şekil Yüksüz Parçacık Soğurucu TAN'ın Yandan Görünüşü Şekil TAN'ın Önden Görünüşü Şekil ZDC'nin Alt Dedektörleri Şekil a) EM bölüm düzlemle 90 0 açı yapacak şekilde, b)had bölüm düzlemle 45 0 açı yapacak şekilde konumlandırılmıştır Şekil a) Hadron akısının sınırları, b) TAN çekirdeğinde maksimum duş derinliğinde yıllık biriken doz miktarı (Gy/yıl) Şekil TAN sınırlarında ve tünel bölgesini çevreleyen TAN çekirdeği girişinin 55 cm etrafında yılda soğurulan doz miktarı Şekil Silika/silika Fiberin Yapısı Şekil HAD Kalorimetrede Kullanılan Bir Şerit Şekil Soğrucu Plakalar Arasına Sandviçlenen Fiber Şeritler Şekil Optik Okuma Diyagramı. a) HAD daboylamasına bir kule, b) EM de yatay bir kule Şekil ZDC HAD Kalorimetre Şekil ZDC Elektronik Devresi Şekil ZDC'de Bir Sinyalin Oluşumu Şekil 4.1. En Basit Halde ZDC Akım Ayırıcı Devre Şekil 4.2. NPN Ve PNP Tipi Transistörler Şekil 4.3. a) NPN Transistör Yapısı, b) Bir Transistörün Musluk Değeri Şekil 4.4. NPN Transistörünün İç Yapısı, Elektron ve Oyuk Hareketleri Şekil 4.5. PNP Transistörünün İç Yapısı, Elektron ve Oyuk Hareketleri Şekil 4.6. Transitörlerin Darlington Bağlanması Şekil 4.7. ZDC İçin Akım Ayırıcı Devre Şekil 4.8. ZDC Akım Ayrıcı Devrenin Gerçek Bir Görünümü Şekil 4.9. Çıkış Akımının Giriş Akımına Göre Değişimi Şekil Giriş Akımının, Giriş/Çıkış Oranına Göre Değişimi Şekil Giriş Akımına Göre Dinamik Empedans Değişimi VIII

11 Şekil AC Test Şeması Şekil Giriş ve Çıkış Sinyalinin Osiloskoptan Görüntüsü Şekil V da FÇT den Doğrudan Alınan Sinyal İçin Kanal Durumları ve Pedestal Değerleri Şekil V dafçt den Doğrudan Alınan Sinyal Şekil V'da ZDC Akım Ayırıcı Devreden Alınan Sinyal için Kanal Durumları ve Pedestal Değerleri Şekil V da ZDC Akım Ayırıcı Devreden Alınan Sinyal Şekil FÇT'den Doğrudan Alınan Sinyal Şekilleri Şekil Ayırıcıdan Alınan Sinyal Şekilleri Şekil Ayırıcıdan Alınan Sinyal Olay Sayısının FÇT'den Alınan Sinyal Olay Sayısına Oranı IX

12 SEMBOL VE KISALTMALAR CERN BNL SM KGP TKRD SÜSİ BHÇ PS SPS LEP LINAC RHIC CMS ATLAS ALICE LHCb CASTOR EKAL EE EB HKAL HB HE HO HF HAD EM LED TAN : Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi : Brookhaven Ulusal Laboratuvarı : Standart Model : Kuark Gluon Plazma : Termal Kuantum Renk Dinamiği : Süper Simetri : Büyük Hadron Çarpıştırıcısı : Proton Sinkrotronu : Süper Proton Sinkrotronu : Büyük Elektron Pozitron Çarpıştırıcısı : Doğrusal Hızlandırıcı : Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı : Sıkı Müon Solenoidi : Büyük Toroidal Detektör : Büyük İyon Çarpıştırma Deneyi : LHC b Fiziği Deneyi : Centauro ve Acayip Parçacık Araştırıcısı : Elektromanyetik Kalorimetre : Elektromanyetik Kapak : Elektromanyetik Fıçı : Hadronik Kalorimetre : Hadronik Fıçı : Hadronik Kapak : Hadronik Dış : İleri Hadronik Kalorimetre : Hadronik : Elektromanyetik : Işık Yayan Diyot : Yüksüz Parçacık Soğurucu X

13 FÇT (PMT) APD VPT DPMJET IP MB HV DC AC ADC DCC RU CPU HTR HLT ev GeV TeV L QIE η s GRad/Yıl : Foto Çoğaltıcı Tüp : Çığ Foto Diyotlar : Vakum Fototriod : Monte Carlo (MC) programı : Etkileşme Noktası : Minimum Bias : Yüksek Voltaj : Doğru Akım : Alternatif Akım : Analog - Dijital Çevirici : Veri Toplayıcı Kart : Okuma Birimi : Bilgisayar : Hadronik Tetikleme Bölgesi : Yüksek Seviye Tetikleme : Elektron Volt : Milyar Elektron Volt : Trilyon Elektron Volt : Lüminosite (Işıklık) : Yük Toplayıcı Kodlayıcı : Psüdorapidite : Kütle Merkezi Enerjisi : Radyasyon Doz Birimi XI

14 1. GİRİŞ Çağlar ZORBİLMEZ 1. GİRİŞ Yüksek Enerji Fiziği (YEF) maddenin temel yapıtaşları ve temel kuvvetler arasındaki ilişkiyi açıklar. Dünyanın birçok ülkesinde bulunan parçacık fiziği laboratuarlarında YEF deneyleri yapılmaktadır. Bugün dünyadaki en büyük parçacık hızlandırıcı laboratuarı İsviçre ve Fransa sınırında yer alan CERN (Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi) dür. CERN Fransızca Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire sözcüklerinin kısaltmasıdır. CERN laboratuarının temeli hızlandırıcılar ve detektörler üzerine kuruludur. CERN'ün ilk hızlandırıcısı 1957 yılında devreye giren 600 MeV'lik proton hızlandırıcıdır. 28 GeV 'lik proton hızlandırıcısı (Proton Sinkrotronu) PS ise 1959 'dan bu yana kullanılmaktadır. Çevresi m olan hızlandırıcı proton, antiproton, elektron ve iyon hüzmelerini hızlandırmak için kullanılan çok yönlü bir makinedir. Süper Proton Hızlandırıcısı (Süper Proton Sinkrotronu) SPS, 1976'da çalışmaya başlamıştır ( 2 km çapında dairesel bir hızlandırıcı olarak yapılmıştır. Önce parçacıkların enerjisini 300 GeV e çıkarmak için tasarlanmış daha sonra enerjisi yavaş yavaş 450 GeV e yükseltilmiştir yılları arasında hizmet vermiş olan CERN deki en önemli tesis elektron-pozitron çarpıştırıcısı (Büyük Elektron Pozitron Çarpıştırıcısı) LEP dir. Bu çarpıştırıcı GeV enerji aralığında çalışmış ve 2001 de görevini tamamlamıştır. Daha sonra LEP tüneli yeniden inşa edilerek proton-proton (p - p) ve ağır iyon çarpışmalarının gerçekleştiği Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) olarak çalışmaya başlamıştır. Çarpıştırıcıda p' lar veya ağır atom çekirdekleri (kurşun-kurşun) birbirleriyle çok yüksek hızlarda çarpıştırılmaktadır. Protonlar ışık hızının % 'sine kadar hızlandırılarak p' nun kütlesinin 7000 katına ( 7 TeV) kadar çıkılacaktır. BHÇ de cm -2 s -1 'lik bir ışıklılık ve s -1 'lik bir etkileşim oranı ile p hüzmeleri birbirleriyle kafa kafaya çarpışacaktır. BHÇ deki p - p çarpışmalarında toplam kütle merkezi enerjisi s = 14 TeV olacaktır (TDR, 2006). Ağır iyon çarpışmalarında toplam kütle merkezi enerjisi s = 5.5 TeV iken 1

15 1. GİRİŞ Çağlar ZORBİLMEZ ışıklılık L=10 27 cm -2 s -1 olacaktır (CERN/AC/95-05,1995, P. Lefevre). BHÇ de kurşun (Pb) iyonları yüksek sıcaklıkta buharlaşma ile oluşturulmaktadır ve bu iyonlar çekirdek başına 4.2 MeV luk enerjiye ulaştığında düşük enerji iyon halkası (LEIR) e oradan sırası ile PS ve SPS e geçerek çekirdek başına 177 GeV ye ve nihayet BHÇ ye geçerek iyonların enerjileri çekirdek başına 2.7 TeV e çıkmaktadır. Saniyede kez kesişerek çarpışan Pb demetlerinin ışıklığı p demetlerinin ışıklığından 10 milyon kez daha azdır. CERN de bir zincir halinde bulunan altı hızlandırıcı (2 tane LINAC, PS Yükseltici, SPS LIER, BHÇ) ve bir yavaşlatıcı düzenek Şekil 1.1 de gösterilmiştir. Bu zincir içindeki her makine, parçacığın enerjisini belirli bir seviyeye çıkararak zincir içindeki diğer bir makineye aktararak parçacıkların enerjilerini kademeli olarak artırmaktadır. Şekil 1.1. CERN deki Hızlandırıcılar ( 2

16 1. GİRİŞ Çağlar ZORBİLMEZ BHÇ 10 Eylül 2008 tarihinde işletmeye alınmış, meydana gelen bir arıza nedeniyle çalışmasına ara verilmiştir. Arızanın giderilmesinden sonra 21 Ekim 2009 tarihinde tekrar çalışmaya başlamıştır. 23 Kasım-16 Aralık 2009 tarihleri arasında s = 900GeV' de bir milyon, s = 2.36 TeV de p - p çarpışması gerçekleşerek bir dünya rekoru kırılmıştır. O ana kadar rekor s = 2 TeV lik kütle merkezi enerjisi ile Amerika'daki Fermi Laboratuarındaydı. Birkaç aylık aradan sonra 28 Şubat 2010 da her birinin enerjisi 450 GeV olan p - p hüzmeleri tekrar çarpıştırılmaya başlamıştır. 12 Mart 2010 da hüzme enerjisi s = 1.18 TeV ve 30 Mart 2010 da s = 7 TeV' ye çıkmıştır. 8 Kasım 2010 da çekirdek çifti başına s = 2.26 TeV' lik Pb-Pb çarpışmaları başlamıştır. BHÇ ye ilk iyonlar gönderildikten sonra 14 Kasım 2010 da, 2010 yılının hedefi olan 121 demete ve cm -2 s -1 'lik ışıklılığa ulaşılmış ve deneyler tarafından 2 µb -1 'lik veri toplanmıştır ( Aralık 2010'da uzun ve başarılı hüzme işletimi sona ermiş ve iyon veri alımı tamamlanmıştır. ( 18 Ekim 2011'e kadar ATLAS ve CMS deneyleri yaklaşık 6 fb -1 'lık veri toplamıştır. ( 180 gün süren 'lük p - p çarpışmalarından sonra 30 Ekim 2011'de p çarpışmaları sona ermiştir ( 13 Aralık 2011 'de CERN deki CMS ve ATLAS deneyleri Standart Model (SM) Higgs Bozonu ile ilgili sonuçlarını açıklayarak, ATLAS, eğer Higgs bozonu varsa kütlesinin GeV aralığında olacağını, CMS ise GeV aralığında olacağını söylemiştir. 5 Nisan 2012 tarihinden bu yana her birinin enerjisi s = 4TeV olan proton hüzmeleri çarpışmaktadır. Şu an varılan toplam kütle merkezi enerjisi s = 8TeV' dir. ( p - p ve ağır iyon çarpışmaları için BHÇ dedektörlerindeki makine parametreleri çizelge 1.1 de verilmiştir. 3

17 1. GİRİŞ Çağlar ZORBİLMEZ Çizelge 1.1. BHÇ dedektörlerinin makine parametreleri (CMS TDR, 2006). pp ağır iyon Nükleon başına düşen enerji E TeV 7 TeV deki dipol alan B T Tasarım ışıklılığı L cm -2 s -1 Demet ayırma Ns Demet sayısı kb Demet başına düşen parçacık sayısı Np 1.15x x10 7 Çarpışmalar Etkileşim noktasındaki değeri M Etkileşim noktasındaki RMS ışın yarıçapı M m Işıklılık yarı ömrü 15 6 Sa Çarpışma geçis sayısı nc 20 BHÇ, çevresi 27 km olan ve yerin yaklaşık 100 m altında bulunan dairesel bir hızlandırıcıdır. BHÇ üzerinde 4 büyük deney sistemi ((ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS Büyük Toroidal Detektör, CMS Compact Muon Solenoid Sıkı Müon Solenoid, ALICE A Large Ion Collider Experiment Büyük İyon Çarpıştırma Deneyi, LHCb A Large Hadron Collider Beauty Experiment)) bulunmaktadır. Bu deneylerin her birinin amaçları farklıdır. ATLAS ve CMS, YEF in çok merak edilen problemlerine yanıt arayan genel amaçlı deneylerdir. Bu deneyler YEF in kuramsal modeli olan SM i test etmek, elektro-zayıf simetri kırınımı ve kütlenin kaynağı olduğu düşünülen higgs bozonunu keşfetmek, CP (yük eşlenikliği-parite) kırınımını araştırmak, SÜSİ (SÜperSİmetri), karanlık madde, karanlık enerji, çoklu boyutlar, kompozitlik ve 4. aile gibi birçok egzotik model araştırmalarını yapmak üzere tasarlanmıştır. ALICE evrenin büyük patlamadan sonraki (mikro saniye sonrası) ilk evrelerindeki koşulları anlamaya çalışmaktadır. Yapılan çalışmalar büyük patlamadan sonra çok sıcak ve yoğun dönemde evrendeki maddenin kuark-gluon plazması (KGP) halinde olduğunu işaret etmektedir. Kuark ve gluonların serbestçe dolaştığı bu evre ve birçok fizik konusu ALICE in araştırma programındadır. LHCb deneyi ise B mezon sektöründe CP kırınım etkilerine 4

18 1. GİRİŞ Çağlar ZORBİLMEZ bakarak madde-antimadde asimetrisini araştırmaktadır. Deneyler önemli araştırma ve buluşların eşiğindedir. Bu tez çalışması CERN deki CMS deneyinin en ileri yöndeki dedektörlerinden biri olan ZDC (Zero Degree Calorimeter - Sıfır Derece Kalorimetre) de kullanılmak için geliştirilen bir akım ayırıcı devre prototipi ile ilgilidir. Tezin önceki çalışmalar kısmında 1996 yılından bu yana Çukurova Üniversitesi Deneysel YEF grubu olarak çalışmalarına katıldığımız CMS detektörü özetlenmiştir. Bu bölümde ayrıca Amerika daki Brookhaven Ulusal Laboratuarı (BNL) ndaki RHIC (Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı) ve CERN deki ATLAS ve ALICE deneylerindeki ZDC ler hakkında kısa bilgiler verilmiştir. CMS deki ZDC lerin tasarımı, ZDC nin alt detektör birimleri, tezin materyal ve metod kısmında bulunmaktadır. Tezin araştırma ve bulgular kısmında ZDC lerde kullanılmak üzere geliştirilen akım ayırıcı devre prototipi ve özellikleri, devre kullanılarak alınan veriler ve verilerin analizleri bulunmaktadır. Geliştirilen prototip ile ilgili yorumlar tezin sonuç ve tartışma kısmında özetlenmiştir. 5

19 1. GİRİŞ Çağlar ZORBİLMEZ 6

20 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 2.1 CMS Deneyi CERN deki CMS deneyinde kütle merkezi enerjisi s = 14TeV de p-p ve s = 5.5TeV'de Pb-Pb çarpışmaları gözlenecektir. CMS dedektörü soğansı yapıda olup silindirik geometriye sahiptir. En içte silikon piksel ve şerit izleyiciden oluşan iç izleyici onu saran sızdırmaz (hermetik) homojen yapılı kurşun tunstant ( PbWO 4) kristallerden oluşan bir elektromanyetik kalorimetre (EKAL), hadronik kalorimetre (HKAL), süperiletken halka ve en dışta geri döndürücü halkalar ile birbirinden ayrılan müon odacıklarından oluşan bir sistemdir. Dedektörün uzunluğu 22 m, çapı 15 m, toplam ağırlığı ton olup 4 Tesla lık manyetik alan oluşturan bir solenoid mıknatısa sahiptir. Mıknatıs halkanın içi izleyici ve kalorimetreleri barındıracak kadar büyüktür. İzleyici silindirin uzunluğu 6 m olup çapı 2.6 m dir. İç izleyici yüksek parçacık yoğunluklu bir ortamda çalışmaktadır. Bu nedenle dedektör tanecikli yapıdadır. İzleyici sistemin rapidite aralığı η < 2. 5'tir. Dedektör merkezi bölgedeki piksel detektörler ile geri kalan kısımlardaki silikon şeritlerin birleşiminden oluşmuştur (Masetti, 2005). On katmanlı silikon mikro şerit dedektörler yüksek iz çözünürlüğü ve hassas ölçümler için gereklidir. Üç silikon piksel katmanı ise ikinci köşelerin yerini belirlemek ve yüklü parçacık izlerinin vuruş parametresi ölçümlerini iyileştirmek için etkileşme bölgesine yakın bir yere düşey olarak yerleştirilmiştir. η < 3.0 rapidite aralığında bulunan EKAL PbWO 4 kristallerden yapılmıştır. EKAL bir pirinç/sintilatörden oluşan örnekleme kalorimetre olup HKAL ile çevrelenmiştir. Sintilasyon ışığı fıçı bölgesinde çığ foto diyotlar (APD) ve uç kapak bölgesinde Vakum Foto Triotlar (VPT) kullanılarak varlanmaktadır. Bir ön duş 0 sistemi yüksüz pionları ( π ) elemek için EKAL in uç kapak bölgesinin ön kısmına yerleştirilmiştir. Sintilatör döşemelerde depolanan enerji dalga boyu 520 nm olan ışık yayar. Dalga boyu kaydırıcı (WLS) fiberler ile eşlenen temiz fiberler ışığı 7

21 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ kamalardaki okuma ünitelerine gönderir. Işık foto dedektörler (hibrit foto diyod- HPD ler) ile varlanır (Breskin A ve Voss R., 2009). Solenoid mıknatısın içinde bulunan HKAL, Merkezi Kalorimetre ( η <3. 0) ve İleri Kalorimetre ( 3.0 < η < 5. 0 ) olmak üzere iki kısımdan oluşmuştur. HKAL in merkezi kalorimetrelerinde soğurucu materyal olarak bakır, aktif materyal olarak plastik sintilatör kullanılmıştır. CMS de HF (En İleri Kalorimetre), CASTOR (Centauro And Strange Object Research - Centauro ve Acayip Parçacık Araştırıcısı) ve ZDC (Zero Degree Calorimeter - Sıfır Derece Kalorimetre) ileri kalorimetreleri de bulunmaktadır. İleri kalorimetreler dışındaki diğer alt dedektörlerin CMS deki yerleri Şekil 2.1 de gösterilmiştir. Şekil 2.2 de CMS deki aralığı ve azimutal açıları (Beamont W, 2007) verilmiştir. detektörlerin rapidite Şekil 2.1. CMS Detektörü (Dobrzynski, 2007). 8

22 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ Şekil 2.2. CMS Dedektörlerinin Rapidite Aralıkları ve Azimutal Açıları (Beamont W, 2007) Süperiletken Mıknatıs CMS deneyinde müon momentumunun hassas biçimde ölçülmesi önemlidir. Müon odacıkları için gereken yüksek manyetik alan mıknatıslarla sağlanır. nedenle deneyde hüzme ekseni yönüne yerleştirilen 4 Tesla lık bir manyetik alan sağlayan solenoid kullanılmaktadır. Mıknatıs Bu 12.5 m uzunluğunda, 6 m çapında, 220 tonluk bir kütleye sahip olup enerji depolama kapasitesi 2.6 GJ dur. 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 (Breskin A ve Voss R, 2009). Mıknatıs aynı zamanda detektörün diğer tüm parçalarına destek görevini de üstlenmiştir. 9

23 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ İç İzleyici Sistem CMS in fizik programı, detektörün yüklü parçacık izlerini belirleme, onların momentum ve vuruş parametrelerini iyi bir çözünürlükte ölçme kapasitesine bağlıdır. -2.5< η < 2.5 rapidite aralığında bulunan iç izleyici sistem 5.8 m uzunluğunda, 2.5 m çapında olup etkileşme noktasını sarmaktadır. Bu sistem etkileşme noktasında çarpıştıktan sonra zıt yönlere giden yüklü parçacıkların bıraktıkları izleri hassas ve doğru bir biçimde belirlemek, parçacıkların etkileşme köşelerini bulmak ve parçacıkların momentumlarını ölçmek üzere tasarlanmıştır. CMS te yüksek iz çözünürlüğü elde etmek ve gerekli hassaslığı sağlamak amacıyla izleyici olarak silikon piksel ve silikon mikro şerit dedektörleri kullanılmaktadır (Breskin A ve Voss R., 2009). İz yoğunluğu yarıçap arttıkça hızla azaldığından piksel detektörler (65 M silikon piksel) etkileşme bölgesinin çok yakınına yerleştirilmiştir ve silikon mikro şerit (210 m 2 ) dedektörler ile kuşatılmışlardır. Şekil 2.3 de görüldüğü gibi piksel detektörler yarıçapları 4.4 cm, 7 cm ve 10.2 cm arasında değişen üç silindirik katmandan oluşur. Silikon şerit izleyiciler ise dışa doğru 1.1 m kadar genişleyen on katmanlı bir silindirdir (Şekil 2.4). Her sistem piksel detektörde iki diskten oluşan uç kapak ve şerit izleyicide 3 artı 9 diskten oluşan kapaklarla tamamlanmıştır. Tüm piksel dedektör sisteminde 1440 detektör modülü bulunur. Yaklaşık 66 milyon piksel veri okuma kanalı vardır. Silikon şerit dedektörler ise farklı kalınlığa sahip iki bölgeden oluşmuştur. İç bölge 320 mikrometre ve dış bölge 500 µm olup toplam silikon şerit modülden yapılmıştır (Breskin A ve Voss R, 2009). İz dedektörü etkileşim bölgesine çok yakın olduğundan yoğun bir parçacık akısına maruz kalmaktadır. Bu nedenle dedektörün radyasyona karşı dayanıklı olması çok önemlidir. Yüksek parçacık yoğunluğu dedektörün elektronik parçalarına da zarar verebileceğinden iyi bir soğutma sistemine ihtiyaç duyulmuştur. Bu durum sıcaklık 5 o C nin altında tutularak giderilebileceğinden silikon piksel ve mikro şeritlerin bulunduğu hacim 0 o C de tutulmaktadır. 10

24 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ Şekil 2.3. Hüzme Eksenine En Yakın Dedektör: 4.4 cm, 7 cm, 10.2 cm lik silindirik katman ve disklerden oluşur. Şekil 2.4. CMS in Silikon Şerit Dedektörü. 11

25 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ Elektromanyetik Kalorimetre (EKAL) Kalorimetreler parçacıkların enerjilerini ölçen, yerlerini belirleyen hatta yapılarının tanımlanmasını sağlayan bileşik detektörlerdir. Kalorimetreler gelen birincil parçacıkları durduran ve bu parçacıkların etkileşmesi ile enerjilerini detektör içinde bırakmalarını sağlayan aletlerdir. Elektronlar ve fotonlar elektromanyetik etkileşme yaparak enerjilerini kaybederler. Kaybolan bu enerji CMS deneyinde elektromanyetik kalorimetre (EKAL) de ölçülmektedir. Higgs bozonu, (H 0 ) bozunumundan çıkacak olan foton veya elektron ve pozitronların belirlenmesiyle tanımlanacağı için Higgs in keşfinde EKAL in rolü büyüktür. Higgs'in CMS te araştırılan başlıca bozunum modları şunlardır: H 0 γγ(m H <140 GeV) CMS in yüksek performanslı PbWO 4 kristallerinden oluşan EKAL bu kanalın araştırılması için optimize edilmiştir. H 0 dört lepton(140 < M H < 700GeV) Bu kanalların algılanması için müon odacıklarının, iz detektörünün ve EKAL in performansına güvenilmektedir. H 0 iki lepton + iki jet(m H > 500 GeV) Bu süreçlerin gözlenebilmesi leptonların ve jetlerin algılanmasına ve kayıp dik enerjinin ölçümüne bağlıdır. Ayrıca EKAL yüksek performans ve çözünürlüğe sahip olduğu için SUSİ gibi SM ötesindeki keşifler için çok önemli bir alt detektördür. EKAL bir fıçının iki uç kapakla kapatılmasından oluşan sızdırmaz homojen bir silindirdir. Fıçı bölümü (EB) 3 < η < , kapak bölümü (EE) ise 12

26 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ < η < 3 rapidite aralığını kapsamaktadır. EKAL in enerji çözünürlüğünün çok iyi olması gerektiğinden aktif materyal olarak hızlı bir sintilatör olan yüksek yoğunluklu (8.3 g/cm 3 ), kısa radyasyon uzunluklu (0.89 cm) ve küçük Moliere yarıçapına (2.2 cm) sahip kurşun tungstant (PbWO 4 ) kristalleri kullanılmıştır. Kütlece %98 i metal olan bu kristaller tamamen saydamdır. EB bölgesinde her birinin boyutu yaklaşık cm 3 (25.8 Χ 0 ) olan kristal bulunmaktadır. Burada X 0 parçacığın içinden geçtiği malzemenin radyasyon uzunluğudur. EB kristal bölgenin hacmi 8.14 m 3 ve ağırlığı 67.4 tondur. Her bir EE bölümüne boyutları mm 3 (24.7 Χ 0 ) olan 7324 kristal yerleştirilmiştir. Kapaklar karbon fiber alveola yapısını içeren 5 5 kristallerin mekanik birimlerinde gruplanan aynı şekilli kristallerden oluşmuştur. Her EE iki yarımdan oluşmuştur. Her yarımda 3662 kristal bulunmaktadır. Bunlar 138 standart SC (süperkristal) ve iç-dış çemberde 18 özel parçalı süper kristalden oluşmuştur. Kristaller ve SC ler x-y kartezyen koordinat sisteminde yerleştirilmiştir. Şekil 2.5 de EKAL in EB ve EE alt dedektörlerinin şematik görünümleri gösterilmiştir. Kapak kısmı etkileşim noktasından 3.14 m uzaklıktadır. Şekil 2.5 de EKAL in Alt Birimlerinin Şematik Gösterimi. 13

27 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ Hızlı ve radyasyona dayanıklı olan kristaller EKAL in enerji çözünürlüğünü artırmaktadır. Uç kapakların önünde bir ön duş dedektörü bulunmaktadır (Şekil 2.6). Ön duş dedektörlerinin amacı < η < 2. 6 rapidite bölgesindeki kapaklar içindeki yüksüz pionların kimliklerini tanımlamaktır. Minimum iyonize parçacıklara karşı elektronun tanımlanmasına da yardımcı olurlar, elektron ve fotonların yerlerinin belirlenmesini sağlarlar. Yüksek manyetik alandan dolayı foto dedektör olarak fıçı bölgesinde Foto Çığ Diyotları (APD) ve uç kapaklarda ise radyasyona dayanıklı olan vakum fototriod (VPT) ler kullanılmaktadır (Breskin A ve Voss R., 2009). Şekil 2.6. CMS de EKAL Modülleri Hadronik Kalorimetre (HKAL) CMS dedektörü son durumlardaki farklı imzaları içeren yüksek enerji süreçlerini geniş bir aralıkta çalışmak için tasarlanmıştır. Hadronik kalorimetre (HKAL) EKAL in alt detektörleri ile birlikte hadron jetlerinin ve kayıp dik enerjilerle sonuçlanan egzotik parçacıkların ölçülmesi için tasarlanmış birleşik bir kalorimetre sistemidir. Bu ölçümler kuark ve gluonların SÜSİ eşleri gibi yeni 14

28 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ parçacıkların varlanmasında etkilidir ve yüksek kütle aralığındaki Higgs bozonlarının keşfinde de önemli rol oynar. CMS dedektörünün uzunlamasına görünümü Şekil 2.7 de verilmiştir. Kesikli çizgiler η değerlerini göstermektedir. HKAL; Hadronik Fıçı (HB), Hadronik Kapak (HE) ve Hadronik En Dış Kalorimetre (HO) olarak bilinen merkezi bir kalorimetre ile ileri hadronik kalorimetre HF den oluşmuştur. HKAL in dört alt dedektörü Şekil 2.8 de görülmektedir. HB ve HE etkileşme noktasından itibaren izleyici sistem ve EKAL in arkasında bulunmaktadır. Şekil 2.7. CMS in Uzunlamasına Görünümü ( 15

29 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ Şekil 2.8. HKAL in Alt Dedektörleri Hadronik Fıçı (HB) HB, radyal olarak EKAL in dışı (R=1.77 m) ile mıknatıs bobinin içi (R =2.95 m)arasına yerleştirilmiştir. HB bir örnekleme kalorimetre olup η < 1. 3 rapidite aralığını kapsar. 36 özdeş azimutal kamaya sahiptir. HB de maksimum duş çözünürlüğüne ulaşmak için HB radyal doğrultuda HB (+) ve HB (-) olmak üzere iki yarım fıçıdan oluşmuştur. 4.3 m uzunluklu yarım fıçıların her biri 25.7 ton ağırlığındadır. Her bir yarım fıçı φ=20 0 lik 18 özdeş kamadan, kamalar ise hüzme eksenine paralel olan soğurucu pirinç tabakalardan yapılmıştır. Soğurucu tabakanın yoğunluğu 8.83 g/cm 3 olup %70'i bakır, %30'u çinkodur. En içteki ve en dıştaki soğurucu tabakalar yapısal destek sağlamak için paslanmaz çelikten yapılmıştır. Soğurucu ön tabakada 40 mm kalınlığında çelik, onun arkasında 8 16

30 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ tane 50.5 mm kalınlığında pirinç, 6 tane 56.5 mm kalınlığında pirinç ve en sonda da 75 mm kalınlığında çelik tabakalar bulunmaktadır (Breskin A ve Voss R., 2009). Soğurucu çelik ve pirinç tabakaların aralarına aktif materyal olarak sintilatör plakalar yerleştirilmiştir. Sintilatörler 16 η sektörüne ayrılmıştır. İlk aktif plaka EKAL in bittiği yerdedir ve diğer sintilatör tabakalarının 2 katı kalınlıktadır. Işık Hibrit fotodiyotlar ile varlanmaktadır. Şekil 2.9. φ = 20 0 Açılara Bölünmüş HB nin Görünüşü Şekil 2.10 HB Kamaları 17

31 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ Hadronik Kapak (HE) HE, son durum parçacıklarının %34 ünün bulunduğu bir bölge olan 1.3 < η < 3.0 rapidite aralığındadır. Yüksek manyetik alan içinde bulunan HB in her iki ucunu kapatmaktadır. Geometrik yapısı HB ile aynı olup her biri ϕ=20 'lik açıyla yerleştirilen 18 tane kamadan oluşan bir çokgendir. Kamalar eşit açıyla ( ϕ=5 ) bölünmüş 4 sektörden oluşur. HB'de olduğu gibi HE de 18 tane pirinç soğurucu tabaka bulunmaktadır. Her tabaka 78 mm kalınlığındadır ve kalınlığı 3.7 mm olan 19 adet sintilatörden oluşmuştur. İç ve dış plakalar paslanmaz çelik ile kaplanmıştır. HE uzunlamasına HE1 ve HE2 olarak adlandırılmıştır. Şekil HE nin Görünüşü. 18

32 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ Hadronik Dış Kalorimetre (HO) 1.26 < η <1.26 rapidite aralığını kapsayan HO mıknatısın dışında bulunmaktadır. HO sintilatör tabakaları süper iletken solenoid ve müon odacıkları arasındadır. HO başlangıç duşlarını tanımlamak ve HB nin ötesindeki duş enerjisini ölçmek için kullanılmaktadır İleri Kalorimetreler CMS in ileri bölgesinde HF (İleri Hadron Kalorimetresi) CASTOR (Centauro And Strange Object Research) ve ZDC (Zero Degree Calorimeter) ileri kalorimetreleri bulunmaktadır. İleri kalorimetreler kayıp dikine enerjiyi ölçmek, jetleri tanımlamak, kozmik ışın çarpışmalarına benzeyen ilginç olayları anlamak, diffraktif ve düşük- x fiziği olayları gibi fizik konularını araştırmak için tasarlanmıştır. CASTOR, HF ve ZDC detektörleri sadece değil, p - p etkileşmelerinde Pb - Pb çarpışmalarında üretilen parçacıkları da belirleyeceklerdir (Norbeck ve ark., 2006). Pb - Pb çarpışmalarında, nükleer madde çok yüksek enerjilerde incelenerek kuarkların hapisten kurtuluşu, kuark-gluon plazmasının (KGP) özellikleri incelenecektir İleri Hadron Kalorimetresi (HF) HF rapidite aralığı 3 η 5 (hüzme ekseni ile ile 0 6 lik açılar yapan) olan bölgeyi kapsamaktadır. HF+ ve HF- olmak üzere iki modülden oluşmuştur. HF hüzme hattına çok yakın olduğundan görülmemiş bir parçacık akısına maruz kalmaktadır. Her p-p enerji çarpışmasında her iki HF modülünde biriken 760 GeV iken detektörün geri kalan kısmında sadece 100 GeV lik bir enerji depolanır. Depolanan enerji kalorimetreye düzgün olarak dağılmaz, fakat en yüksek rapiditelerde bir maksimum değere ulaşır. Örneğin η = 5 rapiditede ve nb -1 lik toplam ışıklılıkta (BHÇ 10 yıl çalıştığında) HF in 1Grad doz soğurması 19

33 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ beklenmektedir. Yüklü hadron oranları da çok yüksek olacaktır. Aynı toplam ışıklılık için hüzme hattından 125 cm uzaklıkta bulunan HF soğurucunun içindeki oranın her cm 2 'de kadar artması beklenmektedir. Bu kadar zor koşullar altında en az on yıl veri toplayacak olan kalorimetrenin koşullara dayanıklı olması kaçınılmaz olmuştur. HF in bu ortama uyum sağlayabilmesi için radyasyona dayanıklı olan kuvars fiberler aktif ortam olarak seçilmiştir. Kalorimetre 5 mm kalınlığında oluklu levhalardan oluşan çelik soğurucudan yapılmıştır. Fiberler bu olukların içine gömülmüştür. Kullanılan fiberler radyasyona karşı dayanıklıdır ve soğurucuda oluşan duşlar Çerenkov ışımasına yol açar. HF, Çerenkov ışığını varlayabilen bir kalorimetredir. Çerenkov eşiğinin üzerindeki enerjilerde hadron duşundaki yüklü parçacıklar kuvars liflerde ışık oluşturur ve sonuç olarak HF duşun elektromanyetik öğeleri için yüksek hassasiyet gösterir. HF'de uzun ve kısa olmak üzere iki tip fiber kullanılmıştır. Bunlardan uzun fiberler 165 cm'dir ve dedektörün ön yüzünden başlayarak 165 cm uzağa gidecek şekilde, kısa fiberler ise 143 cm olup dedektörün ön yüzünden 22 cm uzaktan başlayarak 165 cm uzağa gidecek şekilde yerleştirilmiştir. Uzun fiberler HF'in elektromanyetik kısmını oluşturur ve elektromanyetik ve hadronik etkileşen parçacıklara duyarlıdır. Kısa fiberler ise hadronik kısımda yer alıp sadece hadronik parçacıklara duyarlıdır. Bu sayede elektromanyetik etkileşme hadronik etkileşmeden ayırt edilebilir. HF dış yarıçapı 130 cm olan çelik bir silindirdir. Kalorimetrenin ön yüzünün etkileşme noktasından uzaklığı 11.2 m dir. Silindirin merkezinde hüzme hattı için 12.5 cm yarıçaplı silindirik bir boşluk vardır. Bu yapı azimutal olarak 20 0 lik açı yapan modüler kamalara bölünmüştür. Her bir kısım 18 kamadan, her kama 24 kuleden oluşmuştur. Her kama 10 0 lik eşit açıyla bölünmüş 2 sektöre sahiptir CASTOR Kalorimetresi CASTOR, 5.2 < η < 6.6 rapidite aralığını (0.5 0 ile aralığındaki açı bölgesini) kapsamaktadır (CMS TDR-I,2006). CMS nin etkileşme noktasından 14,38 m uzaklıkta bulunan CASTOR Çerenkov ışınımı esasına göre çalışan bir 20

34 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ Tungsten (W)- Kuvartz (Q) örnekleme kalorimetresidir. CASTOR hüzme borusunu saran iki yarım silindir olup Elektromanyetik (EM) ve Hadronik (HAD) kısımlardan oluşan bir kalorimetredir. Kalorimetrede kullanılan W plakalar soğurucu, Q plakalar aktif ortam özelliğindedir. W tabakaların yoğunluğu 18.5 g/cm 3 tür. EM kısımda kullanılan W plakaların kalınlığı 5 mm, Q plakalarının kalınlığı 2 mm dir. HAD kısımdaki W ve Q plakalarının kalınlığı sırasıyla 10 mm ve 4 mm dir. CMS in ileri kalorimetreleri Şekil 2.11 de gösterilmiştir. Şekil İleri Kalorimetrelerin Konumu (CMS Collaboration, 2008) ZDC Kalorimetresi İki adet sıfır derece kalorimetre, yüksüz parçacıkları varlamak için CMS in η 8.3 rapidite aralığına, BHÇ ın hüzme hattı üzerinde bulunan soğurucu TAN ın içindedir. Elektromanyetik (EM) ve hadronik (HAD) bölümlerden oluşan ZDC ler özellikle ağır iyon ve p - p difraktif çalışmaları için önemlidir. Kalorimetrenin ayrıntıları bir sonraki bölümde tartışılacaktır. 21

35 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ Müon Sistemi CMS in en önemli işlerinden biri müonları varlamaktır. Müonlar (μ) elektron ve pozitronlar gibi yüklü parçacıklardır; fakat onlardan 200 kez daha ağırdır. μ lar kalorimetre tarafından durdurulamayan tek yüklü parçacıktır. Enerjileri 5 GeV civarında olan μ lar, bakır, çelik gibi metallerin her mm sinde yaklaşık 1 MeV enerji kaybına uğradıkları için çok fazla enerji kaybetmeden kalorimetreleri geçebilir ve yüksek enerjili μ lar detektör içerisinden geçerken enerjilerini EM süreçlerle (iyonizasyon, çoklu saçılma, foto nükleer etkileşmeler) kaybederler. Müonlar, Higgs ve SÜSİ parçacıklarının keşfinde önemli ipuçları sunmaktadır. Yüksek P t li μ lar bazı fiziksel süreçler için temiz bir işaret sağlar. CMS deneyinde Higgs in dört müon a bozunması en temiz bozunum kanallarından biridir. μ lar CMS'in herhangi bir kalorimetresi tarafından durdurulamadığından demir içinde bir kaç metre ilerleyebilir. Bundan dolayı müon odacıkları CMS kalorimetreleri ve bobinin hemen arkasına yerleştirilmiştir. Müon sisteminin amacı birkaç GeV den birkaç TeV ye kadar olan geniş bir aralıkta müonları tanımlamak ve momentumlarını ölçmektir. Fıçı bölgesinde η = 1. 2 ve kapak bölgesinde 0.9 < η < 2. 4 rapidite aralığını kapsayan müon sistemi parçacıkların kimliklerini belirlemek için demir destek plaka aralıklı dört müon istasyonundan (MS1,MS2, MS3, MS4) oluşmuştur. Parçacıkların konumu her bir istasyondaki parçacık izleri takip edilerek belirlenir. CMS in solenoidal alanı (r,φ ) düzlemindeki izlerin bükülmesine neden olur. μ ların momentumu a) Merkezi izleyici içinde, b) Bobinden hemen sonraki eğilmelerden, c) Demir blok içinde olmak üzere üç bölgede ölçülebilir. Müon sisteminde müonları varlamak ve momentumlarını ölçmek için üç farklı dedektör kullanılır. Bunlar fıçı bölgesindeki sürüklenme tüpleri, kapak bölgesindeki katot şerit odacıkları ile fıçı ve kapak 22

36 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ bölgelerinin her ikisinde yer alan dirençli plaka odacıklarıdır (CMS TDR, 2006). Müon sisteminde toplam 1400 müon odacığı vardır: 250 sürükleme tüpü (DT), 540 katot şerit odacığı (CSC) parçacıkların konumlarını izleyip, tetikleme sağlarken, tetikleme sistemi formundaki 610 dirençli plaka odacıkları (RPC), elde edilen müon verilerinin tutulup tutulmamasına kolayca karar vermektedir ( Şekil Müon Sistemi ( 23

37 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çağlar ZORBİLMEZ 24

38 3. MATERYAL VE METOD Çağlar ZORBİLMEZ 3. MATERYAL VE METOD 3.1 Kuark Gluon Plazması Doğadaki temel etkileşmelerden biri olan güçlü etkileşmenin kuramı Kuantum Renk Dinamiği (KRD) dir. Kurama göre kritik bir sıcaklığın (150 MeV-1.8 trilyon K) ve baryon yoğunluğunun üstünde kuark ve gluonlar ayrılarak Kuark Gluon Plazması (KGP) denilen maddenin yeni bir halini oluşturur. Kuarklar maddenin temel yapıtaşlarıdır ve taşıdıkları renk yükü sayesinde bir araya gelerek proton, nötron ve diğer hadronları oluşturlar. Gluonlar ise kuarkları birbirine bağlayan kuvvet taşıyıcı parçacıklardır. Kuark ve gluon sisteminin termodinamik özelliklerinin kuramı Termal Kuantum Renk Dinamiği (TKRD) dir. Hadronik maddenin sıcaklığı, dolayısıyla enerji yoğunluğu arttığında kuark ve gluonlar serbest hale geçerek herhangi bir hadrona ait olmazlar ve KGP nin tüm hacmi boyunca serbestçe hareket ederler. Elektrik yüklü parçacıklardan oluşan plazmanın toplam elektrik yükü sıfırdır. Renk yüklü kuark ve gluonlardan oluşan plazmanın da toplam renk yükü sıfır olur. TKRD ne göre, KGP de protonlar ve nötronlar kimliklerini kaybeder ve hadron maddesi, normal nükleer maddeden farklı olarak kuark ve gluonların etkileştiği bir karışıma dönüşür. KGP in yapısını anlamak için yapılan çalışmalar kuarklar arasındaki etkileşmenin uzun menzilli Coulomb etkileşmesi olduğunu göstermektedir. KGP elektrik yüklü parçacıklardan oluşan plazmaya benzemekle birlikte kuark ve gluonlar elektrik yükü değil renk yükü taşır. Bu yeni fazda güçlü etkileşme zayıflar ve renk-iletken bir KGP oluşur. Bu yapı incelenerek güçlü etkileşmenin özellikleri daha iyi anlaşılabilir (Veliev E V, 2003). KGP laboratuar ortamında nükleon başına birkaç yüz GeV lik ağır iyon çarpışmalarında oluşturulabilir. Evrenin başlangıç koşullarını anlayabilmek için dünyadaki birkaç laboratuarda yüksek enerjili ağır iyon fiziği araştırmaları yapılmakta ve çok büyük yoğunluklarda etkileşme yapan maddenin yapısı incelenmektedir. Çok yüksek enerjilerdeki bu etkileşmeler ile evrenin Büyük Patlama dan sonraki ilk evrelerinde (1/ anında) ortaya çıktığı düşünülen 25

39 3. MATERYAL VE METOD Çağlar ZORBİLMEZ maddenin dördüncü hali olarak bilinen KGP oluşturulmaktadır. Bu KGP ın nötron yıldızları denilen çok yoğun yıldızların çekirdeklerinde olduğu da düşünülmektedir. Tezin bu bölümünde KGP yapısını anlamak için yapılan deneyler ve bu deneylerde kullanılan Sıfır Derece Kalorimetre (ZDC) leri tartışacagız. ZDC lerin amacı özellikle ilk (düşük ışıklılıklı) p - p ve ağır iyon çarpışmalarında ortaya çıkan çok ileri yöndeki foton ve nötronları araştırmaktadır. Deneylere ZDC lerin eklenmesi ile p - p, p-a, A-A çarpışmalarının mutlak ışıklılığı ve p - p ile A-A etkileşmelerinin toplam tesir kesiti ölçümleri, merkezselliğin belirlenmesi, p-a, A-A çarpışmalarının genel olay özelliği, p - p, p-a ve A-A çarpışmaları için ileri rapidite bölgesindeki enerji akışı, bu çarpışmalar için PeV enerjilerinde sabit hedef koşullarında ortaya çıkan hadronik duş gelişiminin özelliklerinin belirlenmesi mümkün olacaktır. 3.2 Brookhaven Ulusal Laboratuarı (BNL) deki RICH Deneyleri Amerika nın Enerji Bakanlığına bağlı Brokhaven Ulusal Laboratuarı (BNL) ndaki RHIC (Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı) deneylerinde altın ( Au ) iyonları (elektronlarını tümüyle ya da kısmen yitirmiş, dolayısıyla pozitif elektrik yüküne sahip atom çekirdekleri) tüneller içindeki süperiletken mıknatısların yardımıyla ışık hızına yakın (relativistik) hızlara çıkarılarak çarpıştırılmıştır. RHIC deneyleri Au-Auçarpışmaları için tasarlanmakla birlikte p - p, deneylerde protonaltın ( p - Au ) ve döteryum-altın ( d - Au ) için çarpışmalarına da bakılmıştır. RICH deki en yüksek çarpışma enerjileri Au iyonları için 100 GeV/u, p 250 GeV dir. Yüksek enerjili çekirdek çarpışmaları hüzme ve hedef çekirdeklerinin her ikisinde de nötron buharlarının yayılmasına neden olur. RHIC deki ağır iyon çarpışmalarında nötron buharları hüzmeden 2 mrad dan daha az bir sapma göstermiştir ve bu yüksüz hüzme dalgalanmaları geniş delikli hızlandırıcı dipol mıknatıslar yardımıyla belirlenmiştir (Adler, C, 2001). Çarpışma ürünleri RHIC de bulunan dört deney (BRAHMS-Broad RAnge Hadron Magnetic Spectrometers, PHENIX-Pioneering High Energy Nuclear Interaction experiment, 26

40 3. MATERYAL VE METOD Çağlar ZORBİLMEZ PHOBOS ve STAR-Solenoidal TRAcker) tarafından araştırılmıştır. RHIC in çalışma koşulları Çizelge 3.1 de verilmiştir. RHIC'deki dört deney faz değişimini incelemek ve KGP nın yapısı ve özelliğini anlamak üzere tasarlanmıştır (Harrison,2003). Çizelge 3.1 RHIC in çalışma şartları Au-Au Pb-Pb Hüzme Enerjisi GeV/u GeV/u Işıklılık cm -2 s cm -2 s -1 Halka/Demet Sayısı 60 ( 120) 60 ( 120) Işıklılık Ömrü ~10 h > 10 h RHIC de proton ve elektron yerine Au çekirdekleri çarpıştırıldığında, Au çekirdeğinin çok fazla ısınıp-sıkışarak, altın proton ve nötronlarının üst üste geldiği, kısa zamanda aşırı derecede enerji alanı oluştuğu böylece enerji yoğunluğunun arttığı ve bu alanda çok sayıda kuark ve gluonların ortaya çıkarak KGP yapısını oluşturduğu görülmüştür. Çarpıştırıcının yapımı ve birbirini tamamlayıcı dört dedektörden oluşan set, (BRAHMS, PHENIX, PHOBOS ve STAR) planlandığı gibi 1999 senesi boyunca tamamlanmıştır. Aynı yıl içinde ilk mühendislik testleri yapılarak, 2000 yılında Au iyon çarpışmaları başarıyla gerçekleştirilmiştir. Bu çarpışmaların ilki 12 Haziran 2000'de 28 GeV/nükleon enerjili hüzme ile daha sonraki ise 65 GeV/nükleon enerjili hüzme ile yapılmıştır. Tasarlanan 100 GeV/nükleon hüzme enerjisindeki Au iyon çarpışmalarına 18 Temmuz 2001'de ulaşılmıştır. Şekil 3.1 de RHIC halkası üzerinde bulunan deneyler görülmektedir. Çarpışma halkasında dönen hüzmeler çarpıştırıcının altı kesişme noktasında kafa kafaya çarpıştırılmıştır (Harrison,2003). 27

41 3. MATERYAL VE METOD Çağlar ZORBİLMEZ Şekil 3.1 RICH Deneyleri (Harrison,2003). RHIC deki dört deneyin her biri için iki tane (Sıfır Derece Kalorimetre) ZDC alt detektörü kullanılmıştır. Bunların amacı her iki hüzme yönünde koni boyunca yayılan nötronları belirlemek ve onların enerjilerini ölçmektir. ZDC ler olay tetikleyici ve ışıklılık monitörü olarak da kullanılmıştır. Bunun için dört deneyin ZDC leri aynıdır. Hüzme geometrisi ve dedektörlerden birinin konumu Şekil 3.2 de verilmiştir. Etkileşim noktası berilyum hüzme borusunun merkezi olup DX mıknatısları etkileşim bölgesinden yaklaşık olarak m uzaklıktadır. DX ler 6.11 m uzunluğuna sahip süper iletken dipol mıknatıslardır. Hüzmenin akış yönünde ise DX mıknatıslarının sonuncusu etkileşim noktasından yaklaşık m uzaklığa yerleştirilmiştir. DX mıknatıslarını izleyen boru yaklaşık 30.5 cm çapında, 50 cm uzunluğundadır ve bir körük bölmesi oluşturur. Bu körükleri konik bir boru takip etmektedir. Bu boruların çapı cm den başlamakta ve körüklerle birleşmektedir. Uzunluğu boyunca artarak son durumda 41.9 cm kadar ulaşmaktadır. Koniksel borunun uzunluğu yaklaşık olarak 267 cm'dir (QCAL Grup, 1998). 28

42 3. MATERYAL VE METOD Çağlar ZORBİLMEZ Şekil 3.2. Hüzme Geometrisi Ve Dedektörün Konumu (Adler C., 2001). ZDC detektörleri DX mıknatıslarının dış kısmına hüzme ayrıcı bölgenin arkasına, etkileşme noktasından yaklaşık 18 m uzaklığa ve etkileşim noktasının her iki tarafına, ileri yönde olacak biçimde 2.5 mr lık bir açıyla yerleştirilmiştir. Sintilatör dilimler ve tungsten katman plaklardan oluşan ZDC gerçekte küçük bir hadronik kalorimetredir. Her bir kalorimetrenin toplam genişliği sadece 10 cm dir. Bu kalorimetreler çarpışma merkezliliği ölçümleri ve ağır iyon çarpışmalarında nötron çokluluğu hakkında bilgi verir. Bu kalorimetreler kullanılarak etkileşim bölgesinden (seyirci parçacıklar olarak bilinen) kaçan nükleer kalıntıların dağılması ile yayılan nötronların hüzme enerjisi ölçülmüştür. Yüklü parçacıklar DX mıknatısları tarafından sürüklendiğinden detektörler hüzme yönünde yaklaşık 2 mrad lık koni içindeki yüksüz enerjiyi ölçmüştür. ZDC ler enerji ölçümlerinde seyirci (etkileşmeye katılmayan) nötron sayısını saymıştır ( Ayrıca her bir geçiş noktasındaki ZDC çiftleri çarpışan hüzmeler için bir ışıklılık monitörü olarak da kullanılmıştır (Harrison, 2003). 29

43 3. MATERYAL VE METOD Çağlar ZORBİLMEZ 2000 ile 2003 yılları arasında RHIC deneylerden alınan verilerin analizleri kuarklar ve gluonlardan maddenin daha sıcak ve daha yoğun halini elde ettiklerini ancak ortaya çıkan maddenin beklenenin aksine serbest kuark ve gluonların gaz halinde değil, daha çok sıvıya benzediğini göstermiştir. Evrenin ilk mikro saniyelerinde gazdan çok sıvıya benzeyen bu yapı sicim kuramında kullanılan hesaplarla uyum göstermektedir. Sicim kuramı evreni üç uzay ve bir zaman boyutuna ek olarak on boyut kullanarak açıklamaya çalışan bir yaklaşım kuramıdır. RHIC deneylerinde Güneş in merkezinden kez daha fazla sıcaklığa ve enerji yoğunluğuna ulaşılmıştır. Analizlerde binlerce parçacıktan alınan rastgele örnekler ölçülmüş ve ölçümler parçalanan çekirdeğin oluşturduğu hacime göre değişen basınca bir tepki olarak çarpışmada üretilen ve başlangıçta mevcut olan parçacıkların birlikte hareket ettiğini göstermiştir. Sonuçlar sıvı hareketinin özelliklerine benzediğinden bu maddenin akışkan olduğunu işaret etmiştir. ( 3.3 BHÇ Deneylerinde ZDC Kalorimetreleri CERN deki BHÇ, hem protonları yüksek enerjilere hızlandırarak çarpıştırmak hem de kurşun iyonlarını çarpıştırmak için tasarlanmıştır. Pb - Pb hüzmeleri 8 Kasım 2010 da çekirdek çifti başına 2.76 TeV lik kütle merkezi enerjisinde BHÇ üzerindeki ATLAS, CMS, ve ALICE dedektörlerinin içinde çarpıştırılmıştır ( Kurşun iyonlarının çarpıştırılması ile evrenin büyük patlamadan sonraki ilk evresinin anlaşılacağı ümit edilmektedir. Çarpışmalarla ortaya çıkacak olan çok parçacıklı ve çok yüksek enerji yoğunluklu KGP yapısını araştırma çalışmaları halen devam etmektedir. ATLAS, CMS, ve ALICE deneylerinin hepsinde ZDC kalorimetreleri bulunmaktadır. Şimdi BHÇ deneylerinde kullanılan ZDC kalorimetrelerini kısaca özetlemeye çalışacağız. 30

44 3. MATERYAL VE METOD Çağlar ZORBİLMEZ CERN deki ALICE Deneyinde ZDC Kalorimetresi Pb - Pb çarpışmalarında ortaya çıkacak fizik konularını araştırmak için tasarlanan ALICE (Relativistik Ağır - İyon Deneyi) 16 m yüksekliğinde, 16 m çapında, 26 m uzunluğunda ve ton ağırlığındadır. ALICE de daha önce LEP hızlandırıcısı üzerinde bulunan deneylerden L3 dedektörünün eski solenoid mıknatısı kullanılmaktadır. ALICE merkezcil çarpışmalarla oluşan sıcak ve yoğun ortamın özelliklerini araştırmaktadır. Merkezcil çarpışmalar küçük vuruş parametrelerinde ortaya çıkar. Çarpışma geometrisi ve vuruş parametresi ile ilgili dolaylı olarak gözlenebilenler hüzme içinde etkileşmeyen nükleonlardır. BHÇ de iki hüzme demeti birbirinden mıknatısla ayrılmaktadır. Bu mıknatıs diğer taraftan nötron ve protonları da birbirinden ayırır. Çarpışmaların merkezcilliği seyirci nükleonlar tarafından taşınan enerjiyle ilişkilidir. Bundan dolayı çarpışan iki çekirdeğin üst üste geldiği bölgeyi tanımlamak için seyirci nükleonların enerjilerini varlamak gerekir. ALICE deneyinde çarpışan çekirdeklerin nüklonlarını (seyirci proton ve nötronları birbirinden) ayırmak ve nükleonların enerjilerini ölçmek için ZDC kalorimetreleri kullanılmaktadır. BHÇ nin dipol mıknatısları seyirci protonlardan iyon hüzmelerini ayırmaktadır: seyirci protonlar ve nötronlar sırasıyla proton (ZP) ve nötron (ZN) kalorimetreleri ile varlanmaktadır (N. De Marco,2007). ZDC, iki tane ZP iki tane ZN olmak üzere toplam dört kalorimetreden oluşmuştur. Tüm seyirci nükleonlar aynı enerjili olduğundan çarpışmanın merkezliliği konusunda doğru bilgi veren kalorimetre yanıtı seyirci nükleonların sayısı ile orantılıdır. Hızlı yanıt verme özelliklerinden dolayı ZDC ler seviye 1 tetikleyici olarak kullanılmaktadır. ZDC ler yoğun bir soğurucu içine gömülen silika optik fiberlerde duş parçacıklarının oluşturduğu Çerenkov ışığını varlayan spagetti kalorimetrelerdir. Özdeş kalorimetreler tamamen hüzme hattı üzerinde (Şekil 3.3), BHÇ ekseni ile sıfır derece açı yapacak biçimde etkileşme noktasının ( IP2 ) her iki tarafına, bu noktadan 116 m uzaklığa yerleştirilmiştir (N. De Marco, 2007). Kalorimetrede ağır metal plaka yığınları pasif (soğurucu) materyal ve kuvars fiberler aktif materyal olarak kullanılmıştır. Metal plakalar proton ( p ) için pirinç, 31