PARÇACIK FİZİĞİNDE KALORİMETRELER

1. PARÇACIK FİZİĞİNDE KALORİMETRELER İsa DUMANOĞLU ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ ADANA/TURKİYE

2. İçerik • Büyük Hadron Çarpıştırıcısı • BHÇ Dedektörleri • CMS • ATLAS • Soğansı Dedektörler • Duşlar • EM Duşlar • Hadronik Duşlar • Kalorimetreler • EM Kalorimetre • Hadronik Kalorimetre • Enerji Ölçümü • Enerji Doğrusallığı • Enerji Çözünürlüğü I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

3. BÜYÜK HADRON ÇARPIŞTIRICISI I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

4. BHÇ 27 km’lik tünelin ~ 65%’i 1232 süper iletken dipol mıknatısla kaplıdır. Bunların uzunluğu 14.3m, çalışma sıcaklığı 1.9 oK ve manyetik alanı B = 8.3T 500 tane kuadrapol mıknatıs 215T/m, 1200 ton süper-iletken kablo ve 40.000 ton materyal 1.9 oK’deki süper-sıvı He sıcaklığında tutuluyor. Tevatron p-p 2.000 GeV 3*1032 cm-2 s-1 LHC pp 14.000 GeV 1034 cm-2 s-1 TOTEM i LHC pp 7.000 GeV ~1032 cm-2 s-1 in 2011 ~ 3x1033 cm-2 s-1 in 2012 8.000 GeV ~ 7x1033 cm-2 s-1 I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

5. CERN HIZLANDIRICI ZİNCİRİ Protonun hızı V = 0.999999 c 0.999999c Protonlar 450 GeV/c’ye kadar hızlandırılır. Protonlar 26 GeV/c’ye kadar hızlandırılır. Protonlar hızlandırılmaya buradan başlar. 0.3c 0.87c I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

6. CMS I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

7. ATLAS I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

8. SOĞANSI DEDEKTÖRLER I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

9. SOĞANSI DEDEKTÖRLER I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

10. CMS DEDEKTÖRÜ I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

11. CMS CMS I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

12. PARÇACIKLARIN CMS DEDEKTÖRÜYLE ETKİLEŞMESİ I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

13. I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

14. LHC-B I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

15. I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

16. ALGILAMA MEKANİZMASI Sıcaklık ölçümü? • Parçacıklar maddeyle etkileştiği zaman algılanabilecek sinyal üretebilirler. • Sintilasyon • İyonizasyon • Çerenkov Işıması • Dedektörlerde üretilen sinyalin gelen parçacığın enerjisiyle orantılı olması önemlidir. 106 tane 100 GeV’lik proton 1Ton demirin sıcaklığını ne kadar değiştirir? I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

17. ELEKTROMANYETİK(EM) DUŞ • Kalın bir soğurucu üzerine düştüklerinde yüksek enerjili elektronlar/fotonlar bir EM duş(çığ) oluştururlar. • Duş frenleme ışıması (bremsstrahlung) ve çift oluşumuyla gerçekleşir. • Duşun gelişimi esnasında derinlik arttıkça ikincil parçacıkların sayısı artarken ortalama enerji azalır. • Enerji kritik değere ulaşınca yeni parçacık üretimi durur ve duş gelişimi sönmeye başlar. • Bu durumda parçacıklar iyonizyon ve uyarma yoluyla enerji kaybetmeye başlar. I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

18. EM DUŞLAR-TEMEL KAVRAMLAR Kritik Enerji= Radyasyonla olan enerji kaybının iyonizasyonla olan enerji kaybına eşit olduğu enerji değeri. Parçacığın enerjisi kritik enerji değerine düştüğünde duş gelişimi durur. Katı ve sıvılar için e için kritik enerji Gazlar için Radyasyon uzunluğu=Elektronun 1/e dışında bütün enerjisini kaybettiği uzunluktur. Fotonlar için önemli nicelik ise ortalama serbest yoldur. Bu, enerjisi bir elektron-pozitron çifti yaratmaya yetecek bir fotonun çift yaratmadan önce gidebileceği ortalama yoldur ve L.çift=9X0/7 I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

19. EM DUŞLAR-TEMEL KAVRAMLAR Elektronlar için enerji kaybı Fotonlar için tesir kesiti I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

20. EM DUŞLAR-TEMEL KAVRAMLAR Moliere yarıçapı= Kritik enerjideki bir elektronun bir radyasyon uzunluğu yol kat ettikten sonraki ortalama sapmasının ölçüsüdür. 1 RM  90% enerji 3RM  99% enerji Enine duş gelişimi I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

21. EM DUŞLAR-TEMEL KAVRAMLAR I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

22. EM DUŞLAR 100 GeV’lik elektronların NA48sıvı Kripton kalorimetresinde ürettiği duşun GENAT4 simülasyonu. Solda duştaki fotonlar, sağda elektronlar. Kabarcık odasında ölçülen elektromanyetik duş. Ara bölmeler kurşun plakalardan oluşuyor. I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

23. EM DUŞLAR 10 GeV’lik elektronları değişik soğuruculardaki EM çığ gelişiminin EGS4 paket programıyla yapılan benzetimi. I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

24. EM DUŞLAR Değişik enerjili pionların kurşunda oluşturdukları çığın benzetimi I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

25. EM DUŞLAR-PARAMETRİZASYON a ve b sabitleri parçacığın doğasıyla ilgili sabitlerdir I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

26. HADRONİK DUŞLAR • Hadronik duşların ölçümü EM duşlara benzerdir. • Hadronik duşlar EM duşlardan oldukça uzun ve geniştir. • Oldukça değişik ve karmaşıktırlar. • EM ve hadronik olmak üzere iki bileşeni vardır. Nükleer Etkileşim Uzunluğu=Enerjitik bir hadronun bir nükleer etkileşime girmeden gidebileceği serbest yol. I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

27. HADRONİK DUŞLAR Maviler yüklü hadronlar kırmızılar em bileşenler Hadronik duşlar elektromanyetik duşun aksine düzgün enerji birikimi göstermezler. I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

28. KALORİMETRELER • Kalorimetreler parçacıkların enerjisini elektromanyetik ve/veya hadronik duşlar aracılığıyla ölçer. • Ölçüm sırasında genellikle ölçülen parçacık soğrulur. • Kalorimetreleri geçebilecek tek yüklü parçacıklar muonlardır. • Parçacığın enerjisinin sadece küçük bir kesri ölçülebilir bir sinyale dönüştürülür. (sintilasyon, iyonizasyon,…) • Enerjinin büyük bir kısmı ısıya dönüşür. Fakat sıcaklık artışı ölçülebilir değildir. (1 ton materyalde 107 TeV’lik enerji sıcaklığı sadece birkaç piko Kelvin değiştirir) • Kalorimetreler duşun tamamını içerecek kadar büyük olmalıdır. I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

29. KALORİMETRELER • Kalorimetreler hem yüklü hem de nötr parçacıklara duyarlıdırlar. • Nötral parçacıklar madde ile etkileşir ve yüklü parçacık yaratırlar. • Kalorimetrelerin boyutları enerjiyle logaritmik olarak değişir. Spektrometrelerin boyutlarıyla momentumun kareköküyle değişir. • Bu aynı mertebedeki ölçümler için kalorimetrelerin daha küçük olarak yapılmasını sağlar. • Bölümlendirilmiş kalorimetreler duş hakkında daha çok bilgi verebilir. Böylece gelen parçacığın konumu ve açısı daha hassas ölçülebilir. • Elektron, muon, hadron, … parçacıklara verdiği tepkinin farklı olması parçacığın kimliğinin tanınması için kullanılabilir. • Hızlı yanıt zamanları ile yüksek parçacık oranlarında kullanılmalarına izin verir. LHC’de protonlar her 25ns’de bir kesişiyor. • Enerjinin kalorimetredeki dağılım deseni hızlı online olay seçimi için kullanılabilir. • Kayıp enerji ölçülebilir( Eğer detektör hermetikse). Bu ölçüm nötrino ve zayıf etkileşen parçacıklar için ipucu oluşturur. I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

30. HOMOJEN KALORİMETRELER • Tüm dedektör aynı materyaldan yapılır.Örneğin NaI, BGO, CsI • En büyük avantajları mükemmel enerji çözünürlüğüdür. Çünkü gelen parçacığın bütün enerjisi aktif ortamda depolanır. • Boyuna ve enine şekillendirilmeleri çok kolay değildir. Bu da parçacık tanımlaması ve konum ölçümüne ihtiyaç duyulduğunda dezavantajdır. • Telafi edici değildirler ve uygun materyallerin çoğu büyük etkileşim uzunluğuna sahip olduğundan çok nadir olarak hadron kalorimetresi olarak kullanılırlar. e= saf EM tepki h=saf hadronik tepki Telafi edici Telafi etmeyici I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

31. HOMOJEN KALORİMETRELER • Yarıiletken kalorimetreler • İyonize izler yarıiletken materyalin iletim ve valans bandında elektrik sinyali üretimine yol açan elektron-deşik çiftleri oluşturur. • Örneğin germanyum ve silikon kristaller • Çerenkov Kalorimetreleri • Ortam saydam bir materyaldir. • Çığ içerisindeki relativistik elektron ve pozitronlar Çerenkov ışınımına yol açar. • Sinyal ışık formunda toplanabilir. • Yaygın kullanılan tipleri Kurşun-cam kalorimetrelerdir. • Sintilasyon kalorimetreleri • Ortam iyonize yüklerin floresans yoluyla ışık ürettikleri bir ortamdır. • Öreneğin BGO, CsI, PbWO4 gibi. • Soy-gaz kalorimetreleri • Ortam krojenik sıcaklıklarda çalışan soygazlardır (Ar, Kr, Xe). • Hem iyonizyon hem de sintilasyon sonucu oluşan sinyaller toplanabilir. • Geniş skaladaki yüksek enerji uygulamaları yük toplama prensibine dayanır. I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

32. HOMOJEN KALORİMETRELER I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

33. HOMOJEN KALORİMETRELER I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

34. HOMOJEN KALORİMETRELER IGOT CMS’in Elekromanyetit Kalorimetresinin(EKAL) kristalleri Yüksek yoğunluk 8.28 g/cm3 Kısa radyasyon uzunluğu 0.89 cm Kücük Moliere yarıçapı 2.19 cm Kısa bozunum zamanı 10 nsec Yayınlanan ışığın tepe dalgaboyu 430 nm Işık çıkışı ~ 5% of BGO Radyasyon dayanıklı. I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

35. HOMOJEN KALORİMETRELER An endcap Dee, 3662 crystals awaiting transport I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

36. HOMOJEN KALORİMETRELER • CMS ECAL Fıçı: 36 Supermodül ( her yarı-fıçıda 18 tane) 61200 Kristal (34 types), 67.4ton ~ 24 x 24 x 230 mm3 (25.8 X0) çığfoto-diyot 5×5 Süperkristal Kapaklar: 14648 Crystals (1 tip) ,22,9ton 30 x 30 x 220 mm3 (24.7 X0) Vakum foto-triyot I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

37. ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ • Çözünürlüklerinin homojen kalorimetrelerden daha kötü olmasına rağmen örnekleme kalorimetrelerin boyuna ve enine bölümlendirilmeleri göreli olarak kolaydır. • Daha iyi konum çözünürlüğü ve parçacık tanımlaması sunarlar. • Hızlandırıcılarda üniversal olarak hadron kalorimetreleri olarak kullanılırlar. • Kabul edilebilir dedektör kalınlıklarında(<2m) yeterli etkileşim uzunluğu sağlarlar. • Telefi edici yapılabilirler. • Kullanılan aktif elemana göre sınıflandırılabilirler. • Sıklıkla kullanılan soğurucu materyaller: Kurşun, demir, bakır ve uranyum. I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

38. ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ • Kullanılan örnekleme kalorimetre çeşitleri • Kullanılan aktif materyale göre sınıflandırılırlar: • Sintilasyon kalorimetreleri • Gaz kalorimetreleri • Katıhal kalorimetreleri • Sıvı kalorimetreler I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

39. ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

40. ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ ATLAS SIVI-ARGON EM KALORİMETRE Akordiyon Yapı Kurşun plakalar Cu/kapton electrotlar (HV ve sinyal için) Boşluklarda sıvı Argon. I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

41. ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ • ATLAS SIVI ARGON KALORIMETRE I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

42. ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ • CMS HADRONIC BARREL & ENDCAP CALORIMETER HPD I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

43. ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

44. ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ • CMS HCAL FIÇI KALORİMETRE I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

45. ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ • CMS FIÇI KALORİMETRE I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

46. ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ • CMS ÇOK İLERİ KALORİMETRE Fiberler demir soğurucuya gömülüdür. İleri kalorimetredir Radyasyon dayanıklıdır. I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

47. ÖRNEKLEME KALORİMETRELERİ CMS-HF

48. ENERJİ ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ Enerji Çözünürlüğü Örnekleme terimi Gürültü terimi Sabit terim Elektronik gürültü Radyoaktivite Olay yığılması(Pile-up). Çatlak, bozuk bölgeler Homojensizlikler Non-lineerlik Hücreler arası kötü kalibrasyon I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

49. ENERJİ ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ Dedektör doğrusallığı Çözünürlük I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM

50. Barrel ENERJİ ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ CMS’in EM kalorimetresinin 120 GeV’de enerji çözünürlüğü. Elektronlar bir tam kristal yüzeyine çarpar. Enerji demetin çarpığı kristal merkezde olmak üzere 5x5’lik dizi üzerinden toplanır. Çözünürlük 0.44% CMS’in EM kalorimetresinin enerjinin fonksiyonu olarak enerji çözünürlüğü. 120 GeV’de çözünürlük 0.4% e- 300 GeV ATLAS’ın sıvı argon kalorimetresinin enerji çözünürlüğü. I.Dumanoğlu, Parçacık Fiziğinde Kalorimetreler 8. UPHUK 2012 BODRUM