CMS CASTOR DETEKTÖRÜNDE KULLANILAN KUVARTZ PLAKALARIN ÜRETİLMESİ VE DETEKTÖRE MONTAJI * Production of Quartz Plates Used in the CMS CASTOR Detector and Their Installation to Detector Aydın AYHAN Fizik Anabilim Dalı Eda EŞKUT Fizik Anabilim Dalı ÖZET CASTOR bir tungsten(w)-kuvartz(q) örnekleme kalorimetresidir. CMS detektörünün ileri bölgesinde 5,15 6, 5 pseudorapidite aralığını kapsayacaktır. Bu çalışma 2008 yılında CERN de hazırlanan CASTOR kalorimetresinin dördüncü prototip inin hadronik kısmı ve gerçek CASTOR un (1/8) bir oktantlık hadronik kısmı için üretilen kuvartz plakalar ile yapılan çalışmaları içermektedir. Anahtar Kelimeler: CASTOR,CMS, CERN, Kalorimetre, Pseudorapidite ABSTRACT CASTOR is a tungsten(w)-quartz(q) sampling calorimeter. It will cover 5,15 6,5 pseudorapidity range in forward region of CMS experiment. This study includes the done works for hadronic section of CASTOR IV. prototype and hadronıc sectıon of an octant of real CASTOR quartz plates which are prepared at CERN in 2008. Key Words: CASTOR, CMS, CERN, Calorimeter, Pseudorapidity Giriş Parçacık veya Yüksek Enerji Fiziği (YEF), maddenin temel yapıtaşlarını ve bu yapı taşlarının davranışlarını en temel düzeyde kontrol eden, kuvvetleri araştıran fizik dalıdır. Günümüze kadar fiziğin bu dallarında kuramsal olarak geliştirilmiş en iyi kuram Standart Model (SM) dir. Büyük Patlama dan günümüze kadar Evren in oluşum süreçlerini anlamak için kuramsal çalışmaların dışında ayrıca hızlandırıcılar ve detektör sistemleri kullanılmaktadır. Hızlandırıcılar parçacık demetlerini hızlandırarak onlara enerji kazandıran makinelerdir. Günümüzde doğrusal ve dairesel olmak üzere iki çeşit hızlandırıcı kullanılmaktadır. Hem doğrusal hem dairesel hızlandırıcıların birlikte kullanıldığı hızlandırıcı kompleksleri de vardır. Bu tip hızlandırıcılar için verilebilecek en iyi örneklerden biri CERN (Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi) de bulunan BHÇ (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) dır. Hızlandırıcı üzerinde ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS - Büyük Toroidal Detektör), CMS (Compact Muon Selonoid - Küçük Müyon Selonoid), ALICE (A Large Ion Collider Experiment Büyük İyon Çarpıştırıcı * Yüksek Lisans Tezi-MSc. Tehsis 157
Deneyi), LHCb (A Large Hadron Collider Beauty) olmak üzere dört büyük deney bulunmaktadır. BHÇ de 14 TeV (1TeV=10 12 ev) kütle merkezi enerjisine sahip iki proton ( pp) hüzmesi ve 5.5 TeV lik ağır kurşun iyonları ( PbPb) çarpıştırılacaktır. BHÇ de Higgs bozonu, madde-antimadde asimetrisi, süpersimetrik parçacıklar, mini kara delikler, gravitonlar gibi yeni parçacıklar araştırılacaktır. Ayrıca evrendeki karanlık maddenin yapısı, Evren in başlangıcında var olan sıcak ve yoğun maddenin özellikleri anlaşılmaya çalışılacaktır. CMS deneyinin ileri rapidite bölgesinde yeralacak olan CASTOR bir kuvartz(q)-tungsten(w) örnekleme kalorimetresidir. CMS teki etkileşme noktasından 14,38m uzaklığa yerleştirilecek ve 5.15 < < 6.5 pseudorapidite aralığını kaplayacaktır. Materyal Metot CMS Deneyi CMS detektörü pp ve PbPb çarpışmalarını TeV enerji ölçeğinde araştırabilecek genel amaçlı bir detektör olarak tasarlanmıştır. Detektör 34 2 1 ppçarpışmalarında s 14 TeV lik enerjide L 10 cm sn lüminosite ile, 27 2 1 PbPb çarpışmalarında ise, s NN 5, 5 TeV lik enerjide L 10 cm sn lik lüminosite ile çalışacaktır. CMS de bakılması düşünülen fizik konularının başında elektro-zayıf simetri kırınımı, maddeye kütle kazandırdığına inanılan Higgs parçacığı araştırmaları, madde-anti madde asimetrisi, SM ötesi fizik ve güçlü etkileşim bozunum konuları gelmektedir (Physics Technical Design Report, Addendum 1). Yarıçapı 14,6 m ve uzunluğu 21,6 m olan CMS detektör ünün ağırlığı 12500 ton dur. Detektör hüzme borusu boyunca eşmerkezli silindirik katmanlardan oluşan soğansı bir yapıya sahiptir. Parçacıkların bırakacağı izler katmanlar boyunca radyal olarak yayılacak ve bu izler detektör tarafından saptanacaktır. CMS in tasarım hedefleri ve gereksinimleri aşağıda özetlenmektedir (Akgün,2003). Yüksek manyetik alan oluşturmak için güçlü bir süper iletkensolenoid, İz momentumlarının ölçümü için iç izleyici sistemi, Yüksek çözünürlüklü bir Elektromanyetik Kalorimetre (EKAL), kayip T E ölçümlerini gerçekleştirecek ve jetleri yüksek çözünürlükte belirlemek için Hadronik Kalorimetre (HKAL), Mükemmel bir müon sistemi, Detektör sistemleri çarpışmadan sonra oluşan parçacıkların izlerini takip etmek, bırakacakları enerjileri ölçmek, yük, momentum ve kütlelerini belirlemek için alt detektör birimlerden oluşur. CMS te bu birimler en içten dışa doğru; İzleyici, EKAL, HKAL, mıknatıs ve müon spektrometresi olacak biçimde sıralanmıştır 158
Şekil 1.CMS Detektörü(http://cmsdoc.cern.ch/cms/outreach/html/CMSdocuments /CMSchallenges/CMSchallenges.ındex.html) CASTOR da Araştırılacak Fizik Konuları CASTOR bir etkileşmenin hadronik ve fotonik bileşenlerini (foton ve yüklü parçacık çokluları, elektromanyetik ve hadronik enerjileri) ölçmek ve çok ileri faz uzayındaki nesneleri tanımlamak üzere tasarlanmış bir kalorimetredir. PbPb çarpışmalarında araştırılacak olan bazı fizik konuları aşağıda verilmiştir (Aris, 1997); Normal hadronik etkileşmelerle düşük enerjili yüklü parçacık çoklularını karşılaştırmak, Olayların enerji ve parçacık çokluluğu cinsinden fotonik ve hadronik bileşenleri arasındaki dengesizliğini saptamak, Detektörde çok büyük miktarda bırakılan enerjideki düzensizliğe bakmak, Normal hadronların etkileşme menzilinin çok daha ötesinde yüksek giriciliği olan nesneleri (penetrating objects) araştırmak. Ayrıca, difraktif ve düşük- x QCD ile kozmik ışınlara bağlı konuların araştırılması da planlanmaktadır. CASTOR CMS teki kayıp dik enerji ölçümlerinde de önemli bir rol oynayacaktır. CASTOR un Mekanik Tasarımı CASTOR Elektromanyetik (EM) ve Hadronik (HAD) kısımdan oluşan ve Çerenkov ışınımı esasına göre çalışan bir Tungsten (W)- Kuvartz (Q) örnekleme kalorimetresidir. CMS detektörünün ileri bölgesinde 5,15 6, 5 lık pseudorapidite aralığını kapsayacaktır (CMS TDR-I,2006). CASTOR hüzme borusunu saran iki yarım silindirden oluşacaktır. Kalorimetrede kullanılan W lar soğurucu, Q lar aktif ortam özelliğindedir. Kalorimetre 8 oktanttan (dairenin 1 / 8 i) oluşacaktır. Bir oktant 28 kanal (Okuma Birimi-OB) dan oluşur. Okuma kanalları Çerenkov ışınımı na dayalı sinyalleri algılar. 159
Aktif Madde Olarak Kuvartzlar Parçacık sinyallerini varlamak ve parçacık kimliklerini hassas biçimde belirleyebilmek için detektörlerde kullanılacak malzemelerin çok iyi seçilmesi gerekir. Aktif ortam olarak kullanılan Q lar yüksek radyasyon dayanıklılığı gösteren ve hızlı yanıt veren malzemelerdir. 100 MRad a kadar radyasyon dayanıklılığı göstermekte olup 10 ns nin altında yanıt (tepki) verebilirler. Ayrıca Q ların yüksek sıcaklık değerlerine karşı da dayanıklı olması Q seçiminde aranan önemli bir özelliktir. CASTOR kalorimetresinin IV. prototipinin hadronik kısmı 2008 yılında yapılan hüzme testleri için ve gerçek CASTOR un bir oktantlık hadronik kısmı ise CMS detektöründeki yerine yerleştirilmek üzere hazırlandı. Her iki hadronik kısımda kullanılan Q plakalar CERN de üretildi. Üretilen Q lar CERN deki LEP deneylerinden biri olan DELPHI detektöründen alındı. DELPHI detektöründen boyutları 345x375 mm 2 olan toplam 160 adet Q tabaka söküldü ve 102 tanesi üretim için kullanıldı. İlk aşamada, orijinal DELPHI Q tabakalarının üzerinde bulunan bakır-krom ( Cu - Cr) şeritleri temizlendi. Temizleme işlemi için Sülfirik Asit (H 2 SO 4 ) ve Sodyum Permanganat (KMnO) kullanıldı. Bu işlemden sonra Q lar 1100 0 C ye kadar ısıtıldı.. Bu işlemlerden sonra, Q ların ışık geçirgenlik değerlerine bakılarak bu değerler orijinal hallerde alınan ölçümlerle karşılaştırıldı ve temizleme süreci için yapılan uygulamaların Q yapısında herhangi bir olumsuz sonuca neden olup olmadığı araştırıldı. Bazı Q numuneler, İsviçre nin Zürih kentinde bulunan PSI (Paul Scherrer Institute) e gönderildi ve 60 Co kaynağı kullanılarak 1,5 MRad, 17 MRad ve 50 MRad dozlarındaki radyasyona maruz bırakıldı. Tüm Q ların ışık geçirgenlikleri Spektro-Fotometre (SF) olarak adlandırılan bir düzenek kullanılarak ölçüldü. Kuvartz Plakaların Üretilme Aşamaları 102 tabakadan alınan numunelerin ışık geçirgenlik testleri yapıldı. Her tabaka 0,4x10x15 cm boyutlarında küçük plakalar oluşturacak biçimde kesildi. Plakaların çapraz iki köşesinde yapıştırıcı (1745 seri numaralı ThreeBond- CYANOACRYLATE) madde kullanılarak tüm kuvartzların geniş yüzeyleri üst üste gelecek şekilde kırılmaya karşı direnç gösterebilmeleri için dörtlü gruplar halinde yapıştırıldı. i.a i.b i.1 i.2 i.3 i.4 i.c i.5 i.d 160
Şekil 2.Tabakaların küçük plakalara ayrılması için kullanılan kesim şeması. Şekil 3. Dörtlü grup halinde yapıştırılan kuvartzlar. Kesme, Parlatma ve Cilalama Makineleri ve Bunlar ile Yapılan İşlemler Kuvartzlar CERN Kristal Grubu Laboratuarı nda bulunan kesme, parlatma ve cilalama makineleri kullanılarak hazırlandı. Her makine de farklı boyutlarda mikron mertebesinde elmas parçacıkları bulunmaktadır. Kesme makinesinde bulunan hareketli platform x-doğrultusunda, platformun üstüne sabitlemiş olan disk ise y-z doğrultuları boyunca hareket etmektedir. Q lar disk üzerindeki küçük elmas parçaları ile kesildi. Q yüzeyleri kesim işleminden önce ve sonra parlatıldı. Yüzeyler parlatma işleminden sonra cilalandı. Parlatma işleminde kullanılan elmas parçacıkları diğer iki makinede kullanılandan daha küçük boyutludur. Dörtlü gruplar önce 190 C ye kadar ısıtılan fırında bir saat bekletildi. Isıtılan Q ların üzerindeki maddeyi çıkartmak için plakalar aseton içinde 24 saat bekletildi. Q üretiminin son aşamasında, plakaların kenarları ince şerit bakır folyo ile kaplandı. Şekil 4. Kesme, Parlatma ve Cilalama makineleri Şekil 5. Tüm işlemlerden geçen bir kuvartz plaka. 161
Araştırma ve Bulgular Q tabakalar ışık geçirgenlik testlerine tabi tutuldu. Testleri geçenler üretim için kullanıldı. Kuvartz Numunelerin Test Edilmesi En iyi ışık geçirgenliğine sahip Q ları seçme işlemi üç aşamada yapıldı: 1. Orijinal (O) Q ların ışık geçirgenliklerinin ölçülmesi, 2. Orijinal Q ların üzerindeki yabancı maddelerin kimyasal temizliği (KT) yapıldıktan sonra (O+KT) ışık geçirgenliklerinin ölçülmesi, 3. Temizlenen Q ların yüksek sıcaklığa (YS) dayanıklılık testi 4. O+KT+YS sonra ışık geçirgenliklerinin ölçülmesi Bu işlemlerden sonra numunelerin tamamı farklı dozlarda radyasyona tutuldu. Kullanılan Q tabakaların yarısı 5 MRad lık diğer yarısı ise 17 MRad lık radyasyondan sonra seçildi. Ayrıca Q numunelerle çalışılırken 1 ve 1.4 MRad gibi düşük radyasyon dozları da kullanıldı. Şekil 6. 2211, 2212 ve 2213 numaralı O kuvartzların ışık geçirgenliği. Şekil 7. 2111, 2112 ve 2113 numaralı O+KT yapılan kuvartzların ışık geçirgenlik değerleri. 162
Şekil 8. 1244 numaralı kuvartzın O+KT ve Radyasyon sonrası ışık geçirgenliği Şekil 9.O+KT+YS işlemleri yapılan 1143 numaralı kuvartzın 1100 C ısıtıldıktan sonra ışık geçirgenliği Şekil 10.1224 numaralı kuvartzın O+Radyasyon sonrası ışık geçirgenlik değerleri Şekil 11. 1,4MRad lık doz uygulandıktan sonra 324 numaralı kuvartzın ışık geçirgenlik değerleri 163
Şekil 12.a. 21, 22, 23, 24, 25, 45, 46, 47 ve 48 numaralı kuvartzların radyasyon sonrası ışık geçirgenlik değerleri Şekil 12.b.57, 58, 59, 60, 61, 62, 63 ve 64 numaralı kuvartzların radyasyon sonrası ışık geçirgenlik değerleri Şekil 12.c. 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71 ve 72 numaralı kuvartzların radyasyon sonrası ışık geçirgenlik değerleri Şekil 12.d.73, 74, 75, 76, 77, 78, 79 ve 80 numaralı kuvartzların radyasyon 164
sonrası ışık geçirgenlik değerleri. Şekil 12.e. 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87 ve 88 numaralı kuvartzların radyasyon sonrası ışık geçirgenlik değerleri. Şekil 12 deki sonuçlar dikkate alınarak, ışık geçirgenliği %50 in üzerinde olan ve herhangi bir zarar almayan Q plakalar seçildi. Seçilen plakaların yarısı CASTOR un IV. prototipinin 2008 hüzme testinde yarısı da gerçek CASTOR un bir oktantlık hadronik kısmında kullanıldı. Sonuçlar ve Öneriler CMS-CASTOR kalorimetresinin bir oktantının hadronik kısmına ait Q plakaların üretimi ve bunların performanslarının belirlenmesi için yapılan ışık geçirgenlik test sonuçları sunulmuştur. Ekim 2008 den itibaren kalorimetrenin diğer oktantlarının hazırlanması ile ilgili çalışmalar başlamıştır. CASTOR un tamamında kullanılacak Q plakaların seçilmesine karar vermek için Schott ve Hereous adlı iki Alman firmadan alınan çeşitli numuneler O durumundaki ışık geçirgenlik ve 10, 50 ve 100 MRad lık dozlar sonrası ışık geçirgenlik ölçümleri için test edilmişlerdir. Şekil 13. Schott kuvartzlarının ışık geçirgenlik değerleri 165
Şekil 14. Hereous kuvartzlarının ışık geçirgenlik değerleri. CASTOR kalorimetresinin tümü için kullanılacak kuvartzların Schott firmasından alınmasına karar verilmiştir. Mart - 2009 da CASTOR un tüm oktantlarının Schott firmasının sağlayacağı Q plakalar ile tamamlanacaktır. Kaynaklar ADIGUZEL, A., 2008. Production of Quartz Plates for CMS-CASTOR Experiment, CMS Note-2008/035 AKGUN, U., 2003. CMS HF Calorimeter PMTs and c Lifetime Measurement, Iowa University, USA ARIS, L.S., 1997.CASTOR, A decided detector for the detection of centauros and strangelets at the LHC, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 23 2069-2080. Printed in the UK. CMS EKAL grubunun izniyle,cern CMS Physics Technical Design Report, Addendum on High Density QCD with Heavy Ions (The CMS collabration -2007 J.Phys, G:Nucl.Part.Phys 34 2307 2455) CMS Technical Design Report 8.1-2006. 2006-001 CERN/LHCC http://cmsdoc.cern.ch/cms/outreach/html/cmsdocuments /CMSchallenges/CMSchallenges.ındex.html 166