Cenevre de yarım asır önce kurulmuş olan Avrupa Parçacık Fiziği Araştırmaları ve Hızlandırıcıları Merkezi CERN Laboratuarı nın bahçesini süsleyen

Parçacık Detektörleri Prof. Dr. Engin Arık Boğaziçi Üniversitesi Fizik Bölümü

Cenevre de yarım asır önce kurulmuş olan Avrupa Parçacık Fiziği Araştırmaları ve Hızlandırıcıları Merkezi CERN Laboratuarı nın bahçesini süsleyen eski detektörler

TEMEL PARÇACIKLAR ve ETKİLEŞMELERİ

Her element değişik bir atomdur. Atom temel parçacık değildir.

Element Atom Z: çekirdeğindeki proton sayısı = atomun elektron sayısı ; A: atom ağırlığı = Z + nötron sayısı Boyut Atom Çekirdek: proton (p) ve nötron (n) kümesi proton nötron kuark (q) Kütle: m p = 1.6 x 10-27 kg m n elektron (e) m e = 9.1 x 10-31 kg

~ 5x10-6 [m] ~ 2x10-9 [m] ~ 2x10-10 [m] ~ 5x10-15 [m] ~ 1.5x10-15 [m] < 1x10-18 [m] hücre DNA atom çekirdek proton q e Temel parçacıklar

Fotonlar (γ) m γ = 0 kg 1 nm = 10-9 m dalga boyu 700 nm frekans Işık (foton) hızı: c = 3 x 10 8 m/s = λ x f Foton enerjisi: E γ = h x f 1 ev = 1.6 x 10-19 J h: Planck sabiti h = 6.6 x 10-34 J s

Kuantum teorisi E: toplam enerji, p: momentum, m: kütle, v: hız, c: ışık hızı Kütle enerjisi = mc 2 E 2 = (pc) 2 + (mc 2 ) 2 Kinetik enerji = E mc 2 β = v/c, γ 2 = 1/(1-β 2 ) E = γ mc 2 p = γ mv m e c 2 = 511 kev Fotonlar için m = 0 E = pc = hf = hc/λ λ = h/p m p c 2 = 938 MeV m n c 2 = 939 MeV Fotonlar gibi tüm parçacıklar aynı zamanda dalga özelliği de taşır m > 0 olan parçacıklar için dalga boyu : λ = h/p (de Broglie dalga boyu)

10 15 kat Gördüğümüz bu noktanın boyutu ~ 10-3 m kuark veya elektronun boyutu ~ 10-18 m 10 15 kat Gözlenebilen evrenin boyutu ~ 10 26 m Dünya yörüngesinin boyutu ~ 10 11 m ~ 10-4 m den büyük boyutları gözlerimizle inceleyebiliriz ~ 10-6 m ye kadar olan boyutları optik mikroskoplarla, la, ~ 10-1 0 m ye kadar olan boyutları elektron mikroskoplarıyla inceleyebiliriz λ = h/p ~ 10-1 0 m den küçük boyutları inceleyebilmemiz için Hızlandırıcılar gerekir

galaksi hücre çekirdek en önemli detektör kaynak hedef detektör Elektron mikroskopu Hızlandırıcı metre

Dünya yüzeyindeki kozmik parçacıkların çoğu, uzaydan gelen protonların (Hidrojen çekirdeği) atmosferdeki atomlarla çarpışmasından oluşur Bunların dışında güneşten gelen nötrinolar vardır pion (π), kaon (K), nötron (n), proton, elektron (e), foton (γ), müon (µ),( nötrino (ν)...( Atmosferdeki çarpışmalarda yaratılan elektronlar lar ve fotonlar elektromagnetik (EM) shower lar oluşturur nötronlar, protonlar,... hadronik shower lar oluşturur

Bazı durumlarda, Atmosfer shower ları gözle algılamamızı sağlayarak bir detektör rolü oynar shower Yeryüzüne ulaşan parçacıkların hemen hepsi müon lar (µ)( ve nötrino lardır (ν)( Deniz seviyesinde: her 1 m 2 lik alandan saniyede ~ 200 müon, her 1 cm 2 lik alandan milyarlarca nötrino geçer

Aurora Australis

Uzaydan görünüş Aurora Australis

Aurora Borealis

Aurora Borealis

Aurora Borealis (Kuzey ışıkları) Uyarılmış azot molekülleri mavi ve kırmızı ışık yayar Güçlü bir aurora fırtınası 10 12 Watt elektrik gücü ve 10 6 Amper elektrik akımı oluşturabilir Yeşil ışık λ= 557.7 nm uyarılmış oksijen molekülleri tarafından yayılır Aurora Australis (Güney ışıkları)

Van Allen magnetik kuşakları ve Aurora oluşması

Solar flare

Proton çarpışmalarında pion (π)( ) ve kaon (K) tipi mezonların n oluşmas ması ve onların n bozunmaları p p p p K K p p p p π p n p n K K p n p n π K π π (π) π µν µ µ e ν e ν µ ν e : elektron tipi nötrino ν µ : müon tipi nötrino nötrinoların etkileşmeleri ν e e ν e e ν µ e ν µ e ν e p ν e p ν e n ν e n ν µ p ν µ p ν µ n ν µ n ν e n ep ν e p en ν µ p µ n ν µ n µ p

elektron pozitron müon ve daha bir çok parçacık nötrino Hızlandırıcılar ile yapılan deneylerde bulunanb parçacık sayısı zamanla çok artınca bunların çoğunun temel parçacık olmadığı anlaşıldı Bildiğimiz her parçacığın bir antiparçacığı vardır (bazı parçacıkların antiparçacığı kendisidir, foton gibi)

Serbest olarak gözlemlediğimiz parçacıklar için elektrik yük sadece elektronun taşıdığı yükün tam katları olabilir Elektrik yük taşıyan parçacıklar p ±, e ±, µ ±, τ ±, π ±, K ±,... Elektrik yük taşımayan parçacıklar γ, n, ν, π 0, K 0,... Serbest n (nötron tron) bozunur, ortalama ömrü 887 s n p e - ν e (ν e : elektron tipi anti nötrino) n e (elektron), p (proton), γ (foton), ν (nötrino) bozunmayan parçac acıklar Proton, nötron ve diğer bir çok parçacığı oluşturan temel parçacıklar Kuarklardır Kuarklardan oluşmuş parçacıklar (Hadronlar( Hadronlar) ya kuark-antikuark antikuark (qq ( qq ) ) bağlı durumlarıdır (Mezonlar( Mezonlar) veya kuark-kuark kuark-kuark (qqq( qqq) ) bağlı durumlarıdır (Baryonlar( Baryonlar) e, µ, ν temel parçacıklardır ve Leptonlar olarak adlandırılır elektronun yükü: -e = -1.6 x 10-19 Coulomb

Bugün bildiğimiz temel parçacık grupları Ayar Bozonları Kuarklar foton gluon Z 0 ve W ± Leptonlar Serbest olarak gözlediğimiz parçacıklar renksiz olmalıdır Kuarkların elektrik yükü elektron yükünün Baryonları ı (qqq( qqq) ) oluşturan üç kuark 2/3 veya 1/3 katıdır, her an değişik renkte olup, baryonlar bu nedenle serbest olarak net olarak renksizdir gözlenemezler Kuarklar renk renk denen bir tip yük daha taşırlar 3 cins renk yükü vardır: kırmızı, mavi, yeşil

Mezonları ı (qq ( qq ) oluşturan kuark ve antikuark her an değişik bir renk ve onun antirenginde olduklarından, mezonlar net olarak renksizdir Ayar bozonlarından ndan olan gluonlar da renk ve antirenk taşıdıklarından serbest olarak gözlenemezler Spin : açısal momentum (Plank sabiti h/2π cinsinden) Fermionlar için ½ veya katları Bozonlar için tam sayı Temel etkileşmeler Etkileşmenin adı: Kütle çekimi, Zayıf, Elektromagnetik, Kuvvetli Etkileşmenin ayar bozonu: Graviton, Z 0 ve W ±, foton, gluon Hangi temel parçacıkları etkilediği: Hepsi, kuarklar ve leptonlar, kuarklar ve W ±, kuarklar ve gluonlar

Özet Tablolar Temel parçacıklar (kuarklar, leptonlar) ve Etkileşmelerini sağlayan ayar bozonları Hadronların (baryonlar ve mezonlar) gruplandırılması

1.5 x 1010 yıl 5 x 109 yıl 109 yıl Parçacıkları ve etkileşmelerini anlamak için yaptığımız deneylerde kullandığımız Hızlandırıcılar, evrenin oluşumundaki sırları keşfetmemiz için elzemdir 1013 s 102 s 10-10 s 10-34 s 10-43 s

PARÇACIKLARI GÖZLEMLEME TEKNİKLERİ ve DETEKTÖRLER

Sadece elektrik yükü olan parçacıkları doğrudan gözlemle mleyebiliriz Yüksüz parçacıklar, etkileşmelerinde yüklü parçacıklar yaratırsa, dolaylı olarak gözlemle mlenebilir Parçacıkları gözlemleyebilmek için kullanılan bütün teknikler sadece elektromagnetik etkileşmelerini lerini kullanır Magnetik alanda sapmalarından hem elektrik yükünün + veya olduğu hem de momentumları belirlenebilir: p (GeV/c) = 0.3 z B(T) R(m) İyonizasyon/Uyarma: Elektrik yüklü parçacıkların bir madde içinden geçerken atomlarla çarpıştıklarında enerji kaybetmelerine sebep olan bir mekanizmadır Bethe-Bloch formula: Kozmik ışınlar ve radyoaktivite yarattıkları iyonizasyon dolayısıyla ıyla keşfedildiler Madde içinde yavaşlayarak duran bir parçacığın kaybettiği enerji miktarı kinetik enerjisi kadardır κ ~ 0.3 MeV cm 2 /g

İyonizasyon miktarı parçacık kimliği tesbitinde kullanılabilir PEP-4 4 TPC β = v/c, γ 2 = 1/(1-β 2 ) de/dx ~ 1/β 2 (de/dx) min ~ 2 MeV cm 2 /g (He, D 2, polietilen plastikler) (de/dx) min ~ 4 MeV cm 2 /g (sıvı H 2 ) (de/dx) min ~ 1 MeV cm 2 /g (U)

Bragg eğrisi x Elektrik yüklü hadronların bir ortamda ilerlerken kaybettikleri enerji durmalarına yakın bir maksimum gösterir Durdukları mesafe ise ilk enerjilerine bağlıdır Tıpta hadron terapi uygulamalarının esası buna dayanır

Yüksek enerjili (E) elektronlar lar veya fotonlar Z protonlu onlu atomlardan oluşmuş bir ortam içinden geçerken E >> Kritik enerji: E c ise, enerjilerinin büyük kısmını elektromagnetik (EM) shower oluşturarak harcarlar EM shower oluşumunda küçük bir miktar enerji nötron, proton ve pion çıkmasına da yol açar X 0 : Radyasyon uzunluğu ( radiation length ) E nin 1/e kadar azaldığı mesafe E ~ E c olunca iyonizasyon/uyarma ile kaybedilen ortalama enerji, shower ın bir adımında kaybedilen ortalama enerji ile aynıdır. Deneyle uyumlu olan basit bir modellemede şunları kabul edebiliriz: iz: Her X 0 mesafesi sonunda parçacık sayısı (e+, e-, e γ) ) iki kat artar Başlangıçtan itiberen n tane X 0 mesafesi katedildiğinde parçacık sayısı 2 n olur Parçacık başına ortalama enerji E/2 n = E c olunca shower durur shower derinliği en fazla n = ln(e/ E c )/ln2 tane X 0 mesafesi kadardır

elektron foton pozitron elektromagnetik (EM) shower oluşumu Elektron veya pozitron EM alanda Coulomb saçılması ile ve ivmelenmeye tepki olarak foton (Bremsstrahlung) atıp yavaşlarlar, Elektron tüm kinetik enerjisini kaybettikten sonra durur Pozitron,, ya durmadan veya durduktan sonra, ortamdaki bir elektron ile birleşir, toplam enerji ile 2 foton yaratılır Foton,, EM alan ile etkileşip elektron-pozitron çiftleri yaratarak ve defalarca Compton saçılması yaparak, sonunda fotoelektrik yutulma ile tüm enerjisini bir elektrona a verir Yüksüz olan fotonları dolaylı olarak gözleyebiliriz: Fotonların madde ile etkileşmeleri: Fotoelektrik olay ile yutulma Compton saçılmasıs Elektron-Pozitron çifti yaratılması (enerjileri yeterli ise µ ± veya τ ± yaratabilirler) e - e - e - e +

Düşük enerjilerde Elektron, Pozitron ve Foton etkileşmelerinin özeti Coulomb saçılması: e p e e p Möller saçılması: e e e e Bhabba saçılması: e- e+ e- e+ Yok olma (annihilation): e- e+ γ γ Bremmstrahlung: e (EM alan) γ e (sinkrotron ışınımı: e γ e magnetik alanda sapmaya tepki) Compton saçılması: γ e- γ e- Çift yaratma: γ (EM alan) e- e+ Fotoelektrik yutulma: γ e- e- Hadronlar da bir ortamda ilerlerken atom çekirdekleri ile kuvvetli etkileşerek hadronik shower yaratırlar Radyasyon uzunluğu yerine nükleer etkileşme uzunluğu ( interaction length ) ile parametrize edilirler

Fotoğraf plakası cam üzerine sıvanmış, ışığa duyarlı, gümüş tuzları En eski detektör: Floresan Ekran (sintilasyon ekranı) elektrik yüklü bir parçacık bu tip bir ekrana çarpınca gözümüz çarpma noktasında bir ışık flaşı görür (örneğin ZnS) H. Becquerel, uranyum örneklerinin siyah kağıda sarılmış fotoğraf plakasını etkilediğini gözleyerek doğal radyoaktiviteyi buldu (1896)

Çok düşük basınçta çeşitli gazlar ile doldurulan Crookes tüpleri (CRT)) ile, anot-katot arasına yüksek voltaj uygulayarak elde edilen katot ışınlarının, magnetik alanda sapmalarından e/m oranları ölçüldü ve bu parçacıkların aslında elektronlar olduğu anlaşıldı J.J. Thomson (1897) Röntgen, Crookes tüpleri yakınındaki fotoğraf plakalarının karardığını görerek x-ışınlarını x keşfetti (1895) Geiger-Marsden Marsden-Rutherford deneyi ile atom çekirdeğinin varlığı kanıtlandı (1911) ZnS (en basit detektör) Katot ışınları keşfedildi Crookes (1879)

Rutherford saçılması: Elektrik yükü z olan bir parçacığın Z yüklü bir çekirdekten saçılma tesir kesidinin (σ)( ) saçılma açısına (Θ)( ) bağlılığı dω = 2π 2 cosθ dθ m e : elektron kütlesi r e : klasik elektron yarıçapı= 2.8 x 10-15 Alfa (α)( ) parçacığı için z = 2e Altın (Au) çekirdeği için Z = 79e Multiple Coulomb Scattering : Elektrik yüklü parçacıklar bir ortamdan geçerken ortamdaki atom çekirdeklerinden defalarca elastik olarak saçılırak yollarından saparlar ~ Rutherford saçılması 15 m

Kanal ışınları E. Golstein (1886) Görünen renklenme kanal ışınları ve katot ışınlarının gaz moleküllerini uyarması sonucu çıkan fotonlardır Elektronlar (katot ışınları) anoda giderken, iyonize olmuş gaz molekülleri katoda giderler ve kanal ışınları oluşur Hidrojen gazı kullanıldığında çıkan kanal ışınlarının protonlar olduğu keşfedildi J.J. Thompson

TV En bildiğimiz Hızlandırıcı-detektör detektör sistemi -20 kv e - 0 kv Elektronların ların Kinetik enerjisi E mc 2 = 20 kev Kütle enerjisi mc 2 = 511 kev pc = 144 kev Dalga boyu λ = h/p ~ 10-2 nm

Emulsion π µ e ~ 600 micron En eski detektörlerden biri olan Emulsion Emulsion ile tesbit edilmiş π µ e π µ ν µ bozunması, µ e ν e ν µ 3 nötrino elektrik yüksüz olduklarından ve sadece zayıf etkileştiklerinden gözlenememiştir (1947) 50 micron Nükleer fotoğraf emülsiyonu onu, elektrik yüklü bir parçacık geçince,, normal fotoğraf filmi gibi, parçacığın geçtiği yolun izini kaydeder Fark sadece emulsion ın daha kalın olmasıdır (~ 1 mm) Fotoğraf filminde noktasal olacak izi bir çizgi olarak kaydeder Develop edilince ince parçacığın izi kalıcı olarak kaydedilmiş olur Fakat hiç bir şekilde zaman bilgisi taşımaz, yani izlerin integralini alan bir detektördür

Elektroskop T. Wulf (1907) Statik elektrik yüklenince yapraklar açılır İçindeki havayı iyonize eden bir unsur olursa yük boşalır, yapraklar kapanır Yaprakların kapanma hızı iyonizasyon miktarını ölçer V.F. Hess kozmik ışınları keşfetti (1912) Balon ile atmosferde yükseldikçe elektroskop boşalıyordu

Gazlı detektörlerin genel prensibi Elektrik yüklü parçacık geçtiği yol boyunca Gazı ı iyonize eder Elektrik yüklü parçacık Pozitif iyonlar katoda, negatif iyonlar (elektronlar) anoda doğru hızlanırlar + - + - + - + - + - anod ve/veya katod da toplanan elektrik yük bir sinyal oluşturur Yüksek voltaj

Gieger-Müller detektörü (1929) Metal bir silindir ve ekseni boyunca gerilmiş bir telden oluşan, içi gaz dolu (Ar) bir odacık Ortadaki tel ~ +2 kv, metal kap topraklanmış olarak tutulur µ Elektrik yüklü bir parçacık içinden geçince gazı ionize eder, anot-katot arasında bir akım oluşur Bu sinyali, duyulan bir klik sesine dönüştürür Parçacığın kimliğini belirleyemez Saniyede kaç parçacık geçtiğini sayarak radyasyon şiddeti hakkında fikir sahibi olunur Kozmik ışınlarla bir deney şeması

Sis odası (Cloud chamber) C.T.R. Wilson (1911) Odacığın içinde bulunan su buharına doymuş hava aniden genişletildiğinde soğur Buhar yoğunlaşmaya hazır duruma gelir İlk model Bu durumda, geçen bir parçacığın yarattığı iyonlar etrafında su damlacıkları oluşur, parçacığın izi görülür Sis odası içine konmuş Pb levha ile oluşturulmuş bir shower Geliştirilmiş sis odası etrafına magnetik alan uygulanarak, parçacıkların sapmalarından elektrik yükleri belirlenmiştir Parçacıkların izlerini gözleyebildiğimiz en temel detektördür dür

Kozmik ışınlarda Pozitron itron un keşfedilmesi C.D. Anderson (1932) Antimaddenin ilk kanıtı Parçacık izinin eğriliği kurşun levhadan sonra artmış yani levhadan geçerken enerji kaybettiği için yavaşlamış e+ B Magnetik alanda sola sapması pozitif yük taşıdığını gösteriyor Proton olsaydı etkileşmeden bu kadar uzun yol gidemezdi pozitron elektronun anti parçacığıdır

Ardarda konulmuş Pb levhalar içeren Wilson sis odasında görüntülenmiş birkaç shower

Sis odasından geçen bir parçacığın oluşturduğu iyonların üzerinde meydana gelen yoğunlaşmanın elektrik alanda ayrışması ve difüzyonu Magnetik alanda helix çizen bir parçacık izi

Kabarcık odası (Bubble chamber) D. Glaser (1952) Glaser ve sıvı Xe kabarcık odası (Brookhaven National Lab) İçindeki sıvı (örneğin sıvı H 2 ) basınç altında kaynama noktasının üzerine ısıtılmıştır Ani bir genişleme ile basınç azalırsa, geçen elektrik yüklü parçacıkların oluşturduğu iyonlar civarında sıvı kaynayarak kabarcıklar oluşturur ve bunun fotoğrafı çekilerek analiz edilebilir Çok detaylı ve hassas olarak izleri belirleyebilir ama saniyede ancak bir kaç olay kaydedebildiğinden, bugün arzu edilen istatistikler için yeterli değildir

Kabarcık odası resimleri Kabarcık odasını, penceresi olan bir düdüklü tencereye benzetebiliriz Antiproton etkileşmesi p p 4π+ 4π- Pion bozunumu π+ µ+ ν µ

Ω - parçacığının bulunması N. Samios (1963) K - demetinin Kabarcık odasındaki izleri ve etkileşmesi K - p Ω - K + K 0 K 0 π - π + Ω - Λ 0 K - Λ 0 p π - K - π π 0 π 0 γ γ B Pozitif yük saatin ters yönünde, Negatif yük saat yönünde sapmış

Kabarcık odası resimlerinin taranıp ölçümlerin kaydedildiği düzenek

Fototüp PMT (Photo Multiplier Tube) PMT ler çeşitli boyda ve şekilde olabilir Fotokatot üzerine düşen fotonlar fotoelektrik olay ile elektronların çıkmasını sağlar QE: Kuatum verimi = alınan sinyal sayısı/gelen foton sayısı PMT ler için QE ~ %20

Penceresi (fotokatot) yandan olan bir PMT nin çalışması fotoelektrik olay ile yaratılan her elektron anoda doğru hızlanırken bir dizi metalik yüzey (dynode) ile çarpıştıkça bir elektron shower oluşur

Çeşitli PMT ler

Sintilatörlü detektörlerin genel prensibi (özel hazırlanmış plastik, sıvı veya kristal madde) Sintilatör γ γ Elektrik yüklü parçacık PMT (Photo Multiplier Tube) Yüksek voltaj Sinyal (hızlı: ~ ns) Sintilatörden (levha, fiber vb. şekillerde) geçen elektrik yüklü parçacık, yolu üzerindeki atomları ı uyarılmış seviyelere geçirir. Bu atomlar normal seviyelerine dönerken sintilasyon ışıması (fotonlar) yayarlar (λ ~ 400 nm) Sintilasyon fotonları PMT penceresine doğru yönlendirilir. PMT penceresine çarpan fotonlar fotoelektronların çıkmasına sebep p olur. PMT içinde bu elektronların sayısı çoğaltılarak bir sinyal oluşturulur. urulur. Yaratılan fotoelektron sayısı (yani sinyalin büyüklüğü) parçacığın sintilatörden geçerken kaybettiği enerji ile orantılıdır.

Işık yönlendiriciler Light guide Sintilatör ile PMT arasındaki bağlantı ünitesi Çeşitli plastik levha, optik fiber, vb. PbWO4 kristali (sintilatör)

Nötrinoların etkileşmesini gözleyerek varlıklarını kanıtlayan ilk k deney F. Reines, C. Cowan (1956) İçi su ve suda erimiş bir miktar CdCl 2 dolu tankın etrafını çevreleyen PMT lerden oluşan detektör Savannah River nükleer reaktöründen 11 m mesafede, yerin 12 m altında antinötrino etkileşmelerini gözledi ν e p e + n 1 m e+ e-e yokolması ile yaratılan sırtsırta γγ γ γ tankın üst ve altında bulunan sıvı sintilatör-pmt sistemleri ile eşzamanlı olarak algılanır Mikrosaniyeler sonra nötron Cd tarafından yutulur ve yeni çekirdek fotonlar çıkarır Bu fotonlar da sintilatör-pmt sistemi ile gözlenir Bir nükleer reaktörden saniyede 1 cm 2 ye ~ 10 13 nötrino yayılır

Kıvılcım odası (Spark chamber) Büyük bir potansiyel farkı uygulanmış anot-katot arasındaki gazdan geçen bir parçacığın oluşturduğu iyonlar boyunca bir akım ( discharge ( discharge ) meydana gelir Anot olarak paralel teller kullanılır Parçacığın izi olan bu kıvılcımlar gözle görülebildiği gibi x-y koordinatları elektronik olarak algılanarak kaydedilebilir Demir levhada etkileşen nötrinonun yarattığı µ un kıvılcım odalarındaki izleri Müon tipi nötrinonun (ν( µ ) varlığının kanıtlanması L. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger (1962) Detektör paketi: Demir levha ve kıvılcım odası dizisi

µ Kıvılcım odalarından oluşmuş bir detektör sisteminin tetiklenme prensibi

Brookhaven National Laboratory (BNL) 30 yıl önce... Kıvılcım odası (spark chamber) Hyperon rezonanslarını (Y*) aramak için 23 GeV/c momentumlu Σ (Ξ ) demeti değişik hedeflere (A = H 2, Al, Cu, W, Pb) çarptırıldı ve Λ 0 π son durumlarına bakıldı Σ A Y* X Y* Λ 0 π

Multi Wire Proportional Chamber (MWPC) G. Charpak (1968) Paralel tellerden oluşmuş iki ayrı düzlem x-y y koordinatlarını belirlemede kullanılabilir

Kalorimetre Hadronik ve EM shower oluşumunu sağlayarak parçacıkların tüm kinetik enerjilerini tutar Genelde metal ve sintilatör katmanları şeklindedir Sintilatörlerden fototüplerle algılanan enerjilerin toplamı ölçülür lür Ayrıca koordinat belirleme görevi de yapabilir

Cherenkov detektörü (1937) Şeffaf bir ortamda, ışık hızından daha hızlı hareket eden bir parçacığın v > c/n yavaşlamak için yaydığı enerji Mavi-ultraviole dalga boylarında fotonlar şeklinde olup bir koni ile sınırlıdır Koni açısı Θ ölçülerek parçacığın hızının, Magnetik alandaki sapmasından parçacığın momentumunun belirlenmesi, Parçacığın kütlesinin yani hangi parçacık olduğunun (kimliğinin) bilinmesi demektir

Kırmızı nokta: Gözlemci Mavi nokta: Cherenkov ışınımı yapan parçacık v > c/n v = c/n v < c/n

Transition radiation (TR) detektörü Parçacıkların geçtiği ortamın dielektrik sabiti değişiyorsa bu TR yaparak bir miktar enerji azaltmalarına neden olur TR fotonları x-ışını x dalgaboylarındadır Örneğin elektronlar ın TR yapma olasılığı pionlar a nazaran çok daha fazladır Bu özellik yine parçacığın cinsini belirlemekte kullanılır Çok yüksek enerjili parçacıkların kimliğini tesbit etmek için en uygun detektördür Elektronların gazlar içindeki drift hızı ~ 10 4 10 5 m/s Drift tübü kesiti

Drift Chamber Düzlemsel, silindirik veya tüp geometrisinde olabilir gas cathode E b E threshold a anode 1/r a r Elektrik alanın şekillendirilmesi

scintillator DELAY Stop TDC Start drift anode low field region drift high field region gas amplification

Thin Gap chambers (TGC) cathode pads ground plane G10 (support) graphite 3.2 mm 50 µm 2 mm 4kV Gaz: CO 2 /n-pentane ( 50/50)

Resistive plate chambers (RPC) spacer 10 kv 2 mm bakelite (melamine phenolic laminate) pickup strips Gaz: C 2 F 4 H 2, (C 2 F 5 H) + isobutane 15 kv

TPC (Time Projection Chamber) PEP-4 4 TPC Parçacıkların izleri 3-boyutlu 3 olarak inşa edilebilir x-y koordinatları tellerden belirlenir z koordinatı drift zamanından belirlenir Ayrıca de/dx bilgisi de verir

EM shower Hadronik shower ICARUS detektörü sıvı Ar TPC Dijital kabarcık odası

Telli odacıklar ( wire chambers )

Katıhal detektörleri elektron- hole hole çiftleri yaratılır CCD Sıralar ve sütunlar halinde dizilmiş Pixel lerden oluşur Her pixelin sinyali ayrı ayrı algılanır koordinat belirlemede en hassas detektörlerdendir

15 cm CCD ler

Silikon strip detektörleri mikrometrik Silikon şeritler ( strips )

Microstrip gaz odaları Gaz: Ar-Ne drift electrode (ca. -3.5 kv) gas volume 80 µm 10 µm 100 µm 3 mm C (-700V) A substrate 300 µm backplane Au şeritler ( strip ) A ions C

quark-antiquark antiquark jetleri quark-antiquark antiquark gluon jetleri e+ e- e µ+ µ- τ+ τ-

ALEPH detektörü

BaBaR detektörü SLAC e+e- bb

b-kuark ın varlığının kanıtlanmsı E288 deneyi L. Lederman (1977) Upsilon parçacığı (bb ) t-kuark ın varlığının kanıtlanması CDF ve D0 deneyleri (1995) t-t t

~ 1 km yeraltında ~ 50 000 ton su dolu silindirik bir tank ~ 11 000 adet 50 cm yarıçaplı fototüp Super-Kamiokande detektörü ν µ veya ν e etkileşmelerinde yaratılan müon veya elektronun Cherenkov ışınımını gözlenir

CHARM II nötrino detektörü CERN nötrino demetinin etkileşmeleri

C. Rubbia CERN UA1 deneyi W + W - Z 0 parçacıklarının gözlenmesi

ν τ nın varlığının kanıtlanması DONUT deneyi FNAL

DONUT detektörü Muon ID Calorimeter Drift Chambers Magnet Emulsion and Sci-Fi Planes ν

Hızlandırılmış çekirdek çarpışmaları Au-Au BNL

Gravitational Waves Gravitasyon dalgalarının aranması için tasarlanan ve inşa edilen bir çok detektör sistemi vardır

Graviton varlığı henüz kanıtlanmamış temel parçacık

Higgs Henüz varlığı kanıtlanmamış temel parçacık Tüm parçacıkların kütle kazanmasını sağlayan parçacık ATLAS deneyi Higgs parçacığını arayacak 2007 yılından itibaren LHC hızlandırıcısında data almaya başlayacak LHC (Large Hadron Collider) CERN laboratuarı proton-proton çarpıştırıcısı 7 TeV 7 TeV 14 TeV toplam enerji

ATLAS detektör sisteminin şeması Yaklaşık 45 m x 24 m Soledoid magnet Toroid magnet p p Elektromagnetik kalorimetre Müon detektörleri RPC ler, TGC ler Müon drift tüpleri Hadronik kalorimetre İç detektör: Silikon Pixel detektörü Silikon Strip detektörü Transition Radiation detektörü (TRT) Solenoid magnet

ATLAS detektörü Her proton demeti 10 11 proton içeriyor p p Karşılıklı iki proton demeti her 25 nanosaniyede bir detektörün ortasında buluşunca yaklaşık 20 proton proton çarpışması olacak Bu da her saniyede 800 milyon proton proton çarpışması demek Her saniye, yeni fizikle ilgili 10 100 olay ayıklanıp kaydedilecek Trigger DAQ Bu olayların içinden yeni fizik ile ilgili olanlarını seçip ayıklamak işi

Cockroft-Walton Yüksek Voltaj Jeneratörü (CERN Laboratuarı) Elektron veya proton demetini hızlandırmada ilk adım

CERN Laboratuarında yapılmış ilk kabarcık odası GARGAMEL adlı kabarcık odası (CERN Laboratuarı)

BEBC (Big European Bubble Chamber) Adlı kabarcık odası ve pistonu (CERN Laboratuarı)

RF Cavity

Parçacık Hızlandırıcıları Laboratuarları Listesi TAC: Turkish Accelerator Complex Gerçekleşince

CERN Laboratuarı girişinde dalgalanan üye ülkelerin bayrakları Türkiye AB nin üyesi olmuş demektir Gerçekleşince