ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

Fatma BORAN

CMS HADRONİK KALORİMETRE LAZER SİSTEMİNİN TEST ÇALIŞMALARI

FİZİK ANABİLİM DALI

ADANA, 2015

CMS HADRONİK KALORİMETRE LAZER SİSTEMİNİN TEST ÇALIŞMALARI

Fatma BORAN

YÜKSEK LİSANS TEZİ

FİZİK ANABİLİM DALI

Bu tez 19/08/2015 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir.

………... ...……….……….. ………..

Prof. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU Prof. Dr. Ayşe POLATÖZ Öğr. Gör. Dr. Kadri ÖZDEMİR DANIŞMAN ÜYE ÜYE

Bu tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır.

Kod No:

Prof. Dr. Mustafa GÖK Enstitü Müdürü

Bu Çalışma Ç. Ü. Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir.

Proje No: FYL-2015-3455

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.

CMS HADRONİK KALORİMETRE LAZER SİSTEMİNİN TEST ÇALIŞMALARI

Fatma BORAN

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

FİZİK ANABİLİM DALI

Danışman : Prof. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU Yıl: 2015, Sayfa: 63

Jüri : Prof. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU : Prof. Dr. Ayşe POLATÖZ

: Öğr. Gör. Dr. Kadri ÖZDEMİR

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı üzerinde yer alan dört büyük deneyden biri olan CMS deneyi proton-proton çarpışmalarında ortaya çıkan parçacıkları incelemektedir.

CMS’nin alt dedektörlerinden biri olan CMS hadron kalorimetresi (HKAL) bu çarpışmalarda meydana gelen hadronik parçacıkların enerji ve konumlarını ölçmektedir. 2012 yılında BHÇ’de gerçekleşen 7 TeV’lik çarpışmalarda HKAL’ın HB alt kalorimetresinin bazı kanallarında beklenmeyen yüksek enerjiler görülmüştür.

Bu beklenmeyen yüksek enerjilerin lazer sisteminden geldiği tespit edilmiş ve lazer sistemi kapalı olduğu halde HB’nin bazı kanallarında lazer sinyalinin halen var olduğu düşünülmüştür. CMS lazer kalibrasyon sistemi, veri alma esnasında dedektörde oluşan radyasyon hasarını, QIE kartlarının lineerliğini, enerji ölçüm istikrarını ve kalorimetrelerin performansını ölçmek için kullanılmaktadır. Bu çalışmada lazer sistemi kapalı olmasına rağmen görülen bazı lazer sinyallerinin filtrelenmesi ve 2015 yılında yeni lazer sistemi ile alınan verilere tekrar bakılarak bu beklenmeyen lazer sinyallerinin olup olmadığının kontrolü üzerine çalışılmıştır.

Anahtar Kelimeler: HKAL, Lazer, Kalibrasyon

LASER SYSTEM STUDIES IN HADRONIC CALORIMETER OF CMS

Fatma BORAN

ÇUKUROVA UNIVERSITY

INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF PHYSICS

Supervisor : Prof. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU Year: 2015, Pages: 63

Jury : Prof. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU : Prof. Dr.Ayşe POLATÖZ

: Öğr.Gör. Dr. Kadri ÖZDEMİR

CMS which is one of the four biggest experiments in the LHC, investigates the production yields from the proton–proton collisions. As one of the sub-detectors of CMS, Hadronic Calorimeter(HCAL) measures the energy and position of the quarks and gluons which are created in the proton-proton collisions. Some unexpected high energies were seen in some channels of the HB which is one of the subcalorimeters of HCAL, at 7 TeV collisions from the LHC in 2012. It was determined that, these unexpected high energies originated from the laser system, and it was thought that these unexpected laser signals exist at some channels of HB although the laser system was off. CMS laser calibration system were used to check radiation damage of detectors, linearity of QIE cards, stability of energy measurement and performance of the calorimeters. In this study some filtering study was done for these unexpected laser signals although the laser system was off and also all studies were repeated for 2015 data, in which the new laser system was installed.

Key Words: HCAL, Laser, Calibration

yapıcı ve yönlendirici fikirleri ile bana yol gösteren danışman hocam Prof. Dr. Aysel KAYIŞ TOPAKSU’ya sonsuz teşekkürlerimi sunarım.

Bilgi ve tecrübelerinden faydalandığım değerli hocalarım Prof. Dr. Gülsen ÖNENGÜT, Prof. Dr. Eda EŞKUT, Prof. Dr. Ayşe POLATÖZ ve Prof. Dr. İsa DUMANOĞLU’na sonsuz teşekkür ederim.

CERN’deki deneysel çalışmalarım süresince destek veren Dr. Kadri ÖZDEMİR ve Emine GÜRPINAR’a çok teşekkür ederim.

Tüm eğitim-öğretim hayatım boyunca maddi-manevi her konuda beni destekleyen, sabır gösteren başta sevgili annem ve babam olmak üzere değerli aileme, abilerime, ablama, kardeşlerime özellikle kardeşim Emine BORAN’a sonsuz teşekkür ederim.

Yüksek lisans boyunca desteklerini her zaman hissettiğim Furkan DÖLEK’e çok teşekkür ederim. Her türlü yardım ve desteklerini gördüğüm Yalçın GÜLER, Candan DOZEN, İbrahim Soner ZORBAKIR, Cemali KILINÇ ve Mehmet OĞLAKÇI’ya çok teşekkür ederim.

CERN’de bulunduğumuz süre boyunca yanımda olan tüm Yüksek Enerji Fiziği grubu arkadaşlarıma çok teşekkür ederim.

Ayrıca CERN’deki çalışmalarımı maddi olarak destekleyen TAEK’e (Türkiye Atom Enerjisi Kurumu) çok teşekkür ederim.

ÖZ ... I ABSTRACT ... II TEŞEKKÜR ... III İÇİNDEKİLER ... IV ŞEKİLLER DİZİNİ ... VI SİMGELER VE KISALTMALAR ... VIII

1. GİRİŞ ... 1

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR ... 3

2.1. Standart Model ... 3

2.2. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) ... 7

2.2.1. ALICE ... 10

2.2.2. ATLAS ... 11

2.2.3. LHCb ... 12

2.2.4. LHCf ... 13

2.2.5. TOTEM ... 14

2.3. CMS (Compact Muon Solenoid) Deneyi ... 15

2.3.1. Solenoid Mıknatıs ... 18

2.3.2. İzleyici Sistem ... 19

2.3.3. Müon Sistemi ... 20

2.3.4. Elektromanyetik Kalorimetre (EKAL) ... 22

3. MATERYAL VE METOD ... 23

3.1. Hadronik Kalorimetre (HKAL) ... 23

3.1.1. Hadronik Fıçı Kalorimetresi (HB) ... 25

3.1.2. Hadronik Uç Kapak Kalorimetresi (HE) ... 27

3.1.3. Hadronik Dış Kalorimetresi (HO) ... 31

3.1.4. İleri Hadronik Kalorimetre (HF) ... 33

3.2. Ön Uç Elektronikleri ve Veri Toplama ... 35

3.2.1. Hibrit Foto Diyotlar (HFD) ... 36

3.2.2. Foto Çoğaltıcı Tüp (FÇT) ... 37

4. ARAŞTIRMA VE BULGULAR ... 41

4.1. Lazer ... 41

4.2. Lazer Kalibrasyon Sistemi ... 42

4.3. Lazer Düzeneği ... 44

4.3.1. Lazer Sisteminde HFD’ler ... 45

4.4. HKAL’de Digitization (Sayısallaştırma) ... 45

4.5. Lazer Kalibrasyon Sisteminin Filtreleme Çalışması ... 46

5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 57

KAYNAKLAR ... 59

ÖZGEÇMİŞ ... 63

Şekil 2.1. Tarihsel süreçte parçacık keşifleri ... 4

Şekil 2.2. Kuarklar, leptonlar ve kuvvet taşıyıcı bozonların özellikleri ... 5

Şekil 2.3. BHÇ’nın yapısının bütünü ... 8

Şekil 2.4. Parçacıklar ve detektörde bıraktıkları izler ... 9

Şekil 2.5. ALICE dedektörü ... 10

Şekil 2.6. ATLAS dedektörü ... 12

Şekil 2.7. LHCb dedektörü ... 13

Şekil 2.8. LHCf dedektörü ... 14

Şekil 2.9. TOTEM deneyinin enine bir kesiti ... 15

Şekil 2.10. CMS dedektörünün dörtte birinin enine kesiti ... 17

Şekil 2.11. CMS dedektörünün enine kesitinin şematik görünümü ... 18

Şekil 2.12. Süper iletken solenoid mıknatıs ... 19

Şekil 2.13. CMS iç izleyicinin şematik görünümü. Her satır bir dedektör modülünü ... 20

Şekil 2.14. Müon sisteminin dörtte birinin boyuna kesiti ... 21

Şekil 2.15. EKAL kalorimetresinin enine bir kesiti ... 22

Şekil 3.1. HKAL ve onun alt dedektörleri olan HB, HE, HF ve HO ... 23

Şekil 3.2. CMS dedektörünün boyuna kesitinde HB, HE, HF ve HO’nun yerleri ... 24

Şekil 3.3. HB kamasının izometrik görünüşü... 25

Şekil 3.4. HB kamalarının numaraları ... 26

Şekil 3.5. Sintilatör tablası, WLS fiberleri, temiz fiberler ve radyoaktik kaynak borusu ... 27

Şekil 3.6. Uç kapağı demir boyunduruk üzerine yerleştirilen HE kalorimetresi ... 28

Şekil 3.7. HE soğurucularının mekaniksel yapısı... 29

Şekil 3.8. HE kalorimetresinin ışıldayıcı tablası ... 30

Şekil 3.9. Etkileşim noktasından bakıldığında HE kamalarının numaralandırma düzenini, +x yönü de LHC halkasının merkezini göstermektedir ... 31

Şekil 3.10. CMS dedektörünün boyuna ve enine kesitindeki HO katmanları ... 32

Şekil 3.11. HO tablasının şematik görünümü. ... 33

görünümü ... 35 Şekil 3.14. HFD’lar özel vakum tüp içine yerleştirilmiş foto katot ve PIN

diyottan oluşmuştur ... 36 Şekil 3.15. Tipik bir foto çoğaltıcı tüp ... 37 Şekil 4.1. UV lazer kalibrasyon sistemini ... 43 Şekil 4.2. Lazer sistemi ve ilgili bileşenlerini göstermektedir. Mavi çizgiler

temsili lazerdir ... 44 Şekil 4.3. (a) 2012 (b) 2015 yılında alınan veriler ile HB ve HE

kalorimetrelerin doluluk histogramları. ... 47 Şekil 4.4. İstenmeyen lazer sinyallerin alındığı RBX’ler ... 48 Şekil 4.5. (a) 2012 (b) 2015 yılında alınan veriler ile HB ve HE

kalorimetrelerinin enerjileri. ... 49 Şekil 4.6. 2012 yılında alınan 211118 lazer verisine ait (a) kötü kanalların (b)

iyi kanalların yük dağılımları ... 50 Şekil 4.7. Lazer sinyallerini elemek için belirlenen kısıtlama miktarı ... 50 Şekil 4.8. 211118 lazer verisine ait 4000 fC’luk kısıtlama uygulandıktan sonra

HB HE kalorimetredeki kötü kanalların yükleri ... 51 Şekil 4.9. 2012 yılında alınan veri ile (a) 15 fC’lik kısıtlama (b) 4000 fC’lik

kısıtlama uygulanarak HBHE kalibre edilmiş digi’lerin HBHE digi’lere göre dağılımı. ... 52 Şekil 4.10. 2015 yılında alınan çarpışma verisi ile HBHE kalibre edilmiş

digi’lerin HBHE digi’lere göre dağılımı. ... 53 Şekil 4.11. (a) 2012 (b) 2015 yılında alınan veri kümelerinin HBHE iyi

RBX’lerin kötü RBX’lere göre oranı. ... 53 Şekil 4.12. HF kalorimetresinin doluluk haritalaması. ... 54 Şekil 4.13. 2012 yılının veri kümesi ile HF kalorimetresinin enerjisi. ... 55

SUSİ : Süper Simetri

KRD : Kuantum Renk Dinamiği

CERN : Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi BHÇ : Büyük Hadron Çarpıştırıcısı

LEP : Büyük Elektron Pozitron Çarpıştırıcısı CMS : Sıkı Müon Solenoidi

ATLAS : Büyük Toroidal Detektör ALICE : Büyük İyon Çarpıştırma Deneyi LHCb : LHCb Fiziği Deneyi

LHCf : Büyük İleri Hadron Çarpıştırıcısı EKAL : Elektromanyetik Kalorimetre EE : Elektromanyetik Uç Kapak EB : Elektromanyetik Fıçı HKAL : Hadronik Kalorimetre

HB : Hadronik Fıçı

HE : Hadronik Uç Kapak

HO : Hadronik Dış

HF : İleri Hadronik Kalorimetre TIB : İç izleyici Fıçı

TID : İç Diskler

TOB : Dış İzleyici Fıçı TEC : İzleyici Kapağı CSC : Katot Şerit Odaları

DT : Sürüklenme Tüpleri

RPC : Dirençli Paralel Levhalı Odalar FÇT : Foto Çoğaltıcı Tüp

APD : Çığ Foto Diyot

VPT : Vakum Foto Triyot

QIE : Yük Toplayıcı Kodlayıcı GOL : Gigabit Optik Link DCC : Veri Toplama Kartı WLS : Dalga Boyu Kaydırıcı

RBX : Okuma Kutusu

TS : Zaman Dilimi

SiFÇ : Silikon Foto Çoğaltıcı

η : Psüdorapidite

q : Polar Açı

f : Azimutal Açı

kyp

ET (MET) : Kayıp Dik Enerji PbWO 4 : Kurşun Tungsten MeV : Milyon Elektron Volt GeV : Milyar Elektron Volt TeV : Trilyon Elektron Volt

fC : Femto Coulomb

L : Işıklılık

s : Kütle Merkezi Enerjisi

Cu : Bakır

Zn : Çinko

l I : Nükleer Etkileşme Uzunluğu

1. GİRİŞ

Evrenin yapısı ve etrafımızdaki maddelerin nelerden yapılmış olduğu insan aklını öteden beri meşgul etmiştir. Maddenin özelliklerinin anlaşılabilmesi için temel yapıtaşlarının nasıl bir araya geldikleri ve birbirleri ile nasıl etkileştiklerinin bilinmesi gerekmektedir. Standart Model (SM), temel yapıtaşlarının nasıl düzenlendiğini ve bu yapıtaşlarının farklı kuvvetler aracılığıyla nasıl etkileştiğini açıklayan bir teoridir. Birçok deneysel çalışmanın sonuçlarını açıklayabilmiş olmasına rağmen SM’nin yetersiz veya eksik olduğu konular da vardır. SM ötesi fizik olarak adlandırılan bu konulara ekstra boyutlar, Süper Simetri (SUSY) ve kütleli yeni vektör bozonları örnek verilebilir.

Dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, (BHÇ) İsviçre ve Fransa sınırlarında yer alan Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN)’de bulunmaktadır. BHÇ halkası üzerinde bulunan dedektörlerde, Ekim 2009 ve Aralık 2012 yılları arasında kütle merkezi enerjisi 8 TeV’e ulaşan proton – proton (p-p) ve ağır iyon (kurşun – kurşun) çarpışmaları gerçekleştirilmiş ve 2012 yılından 2015 yılının Mart ayına kadar uzun bir mola verilmiştir. Verilen bu uzun mola süresince BHÇ ve üzerindeki dedektörlerde iyileştirme ve yenileme çalışmaları yapılmıştır. Bu çalışmalardan sonra 2015 Mayıs ayında 13 TeV’lik kütle merkezi enerjisinde p–p çarpışmaları gerçekleştirilmiştir. Kütle merkezi enerjisinin 14 TeV’e çıkarılması için çalışmalar devam etmektedir. Bu çarpışmalarda alınacak veriler ile merak edilen pek çok sorunun cevap bulması beklenmektedir.

Bu tez çalışması, BHÇ halkası üzerinde bulunan CMS deneyindeki hadronik kalorimetrenin (HKAL) alt dedektörlerinden olan hadronik fıçının (HB) iyileştirme çalışmalarının bir kısmını içermektedir. Dedektörün performansı, radyasyon hasarı, yük toplama ve şifreleme (QIE) kartlarının lineerliği ve dedektörün tüm elektronik bileşenlerinin testi için lazer kalibrasyon çalışmaları yapılmaktadır. Bu tezin analiz kısmı da lazer kalibrasyonu yapılırken lazer sisteminden kaynaklanan sorunların iyileştirme çalışmalarının bir kısmını içermektedir.

Önceki çalışmalar kısmında, SM hakkında bilgi verilmiş, BHÇ, BHÇ üzerindeki deneyler ve CMS deneyi anlatılmıştır. Materyal metod kısmında, HKAL

ve alt dedektörleri ile HKAL kalibrasyon sistemi tartışılmıştır. Araştırma ve bulgular kısmında, lazer kalibrasyon çalışmaları ile ilgili yapılan analizler yer almaktadır.

Sonuç ve öneriler kısmında ise HB’de kötü olarak tespit edilen kanalların filtreleme çalışması özetlenmiştir.

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR

2.1. Standart Model

Yüksek enerji fiziği, maddenin temel yapısını ve bu yapıyı oluşturan temel parçacıklar arasındaki temel etkileşmeleri inceleyen bilim dalıdır. Maddeyi oluşturan temel yapı taşlarını bilmek maddeyi anlamak için yeterli değildir. Maddenin özelliklerinin tam olarak anlaşılabilmesi için bu temel yapıtaşlarının nasıl bir araya geldiklerinin, birbirleri ile nasıl etkileştikleri ve nasıl başka parçacıklara dönüşebildiklerinin de bilinmesi gerekmektedir. SM, maddenin temel yapıtaşları ile bunlar arasındaki temel etkileşmelerinin açıklamaya çalışan bir teoridir. SM içerdiği dört temel kuvvetten elektromanyetik, zayıf ve güçlü kuvveti açıklayabilirken kütle çekim kuvvetini açıklayamamaktadır. Temel parçacıkların yapısını inceleyebilmek için yüksek enerjilere ve hızlandırıcılar sayesinde yüksek enerjilere ulaştırılan parçacıkların yapısını gözlemleyebilmek için dedektörlere ihtiyaç vardır.

Atom altı parçacıklar yüzyılı aşan bir süre içerisinde teker teker bulunmuştur.

Bu keşiflerin ilki 1897 yılında Thomson’un elektronu keşfetmesidir. 1911 yılında atomun merkezinde pozitif yüklü bir çekirdeğin olduğunun keşfi ve bu süreç içerisinde çekirdeğin tek parça olmadığı, pozitif yüklü proton ve yüksüz nötronlardan meydana geldiği anlaşılmıştır. İlerleyen zamanlarda kütlesi elektron ile proton arasında olan orta kütleli mezonların gözlenmesi temel parçacık araştırmalarına olan ilgiyi arttırmıştır. Şekil 2.1’de tarihsel süreçte içinde parçacık keşifleri gösterilmektedir.

SM’de temel parçacıklar, kuarklar ve leptonlar olarak adlandırılan iki gruba ayrılmaktadırlar. Leptonların ve kuarkların genel adı ise fermiyondur. Leptonlar, temel elektron yükü biriminde elektrik yüküne sahip elektron ( ), müon (µ), tau (τ) ile birlikte bunların her birine karşılık gelen nötrinolarından oluşmaktadır. Aynı zamanda bu parçacıkların her birine karşılık gelen anti parçacıklar bulunmaktadır.

Anti parçacıkların yük dışında tüm özellikleri parçacıklar ile aynıdır. Elektron _{1 ̸2} spinli, yükü _{−1.6 × 10 C} kütlesi _{9.31 × 10} kg (0.5 MeV/c²) ve anti parçacığı pozitrondur. Müonun kütlesi 105.7MeV/c², spini _{1 ̸2} ve elektrik yükü elektron ile

aynıdır. Tau parçacığının kütlesi 1784 MeV/c², spini _{1 ̸2} ve elektrik yükü elektronun yüküne eşittir. Nötrinolarının SM’ye göre kütlesi ve yükü yoktur fakat spinleri 1 ̸2’dir. Ancak deneysel sonuçlar nötrinoların çok az da olsa bir kütleye sahip olduklarını göstermiştir.

Şekil 2.1. Tarihsel süreçte parçacık keşifleri (http://visual.ly/standard-model-particle- physics-timeline).

Maddeyi oluşturan diğer temel parçacıklar ise kuarklardır. Kuarklar, yukarı (u), aşağı (d), tılsım (c), acayip (s), üst (t), ve alt (b) olmak üzere altı çeşittir. u, c ve t kuarklarının kütleleri sırasıyla ≈ 2.3 MeV ̸c², ≈ 1.275 GeV ̸c², ≈ 173.07 GeV ̸c² ve elektrik yükleri _{2 ̸3 ⁻}’dir. d, s, ve b kuarklarının kütleleri ise sırasıyla ≈ 4.8 MeV ̸c²,

≈ 95 MeV ̸c , ≈ 4.18 GeV ̸c² ve elektrik yükleri aynı olup _{−1 ̸3 ⁻}‘dir. Bütün kuarkların spinleri aynı olup _{1 ̸2} değerindedir. Anti parçacıklar ile birlikte toplamda 24 tane temel parçacık bulunmaktadır.

SM’ye göre temel parçacıklar üç aileye ayrılmaktadır. En kararlı ve kütlece en hafif parçacıklar birinci aileyi, daha ağır ve kararsız parçacıklar sırasıyla ikinci ve üçüncü aileyi oluşturmaktadır. Evrendeki görünür maddenin tümü, birinci ailenin

üyeleri tarafından oluşmuştur. Diğer ağır ve kararsız parçacıklar, oluştukları takdirde hızla bozunarak bir alt neslin parçacıklarına dönüşmektedirler ve bu dönüşüm parçacıklar kararlı hale gelene kadar devam etmektedir. Temel parçacıklar ve kuvvet taşıyıcıları Şekil 2.2’de gösterilmektedir.

Şekil 2.2. Kuarklar, leptonlar ve kuvvet taşıyıcı bozonların özellikleri (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e2/Standart _Model_of_Elementary_Particles_tr.svg/2000pxStandard_Model_of_

Elementary_Particles_tr.svg.png).

Kuark modeline göre, kuarklar üçerli gruplar halinde bir araya gelerek baryonları, bir kuark bir anti kuark çifti oluşturacak şekilde bir araya gelerek ise mezonları oluştururlar. Örneğin atom çekirdeğini oluşturan proton ve nötron birer baryondur. Baryonları ve mezonları içeren parçacık ailesine ise hadronlar denilmektedir. Baryonlar birer fermiyon oldukları için Pauli dışarlama ilkesine uymalılardır. Pauli dışarlama ilkesine göre, iki tane fermiyon aynı anda aynı kuantum durumunda bulunamaz. Protonun yapısındaki aynı kuantum durumu (iki u kuark

içermesi ) Pauli dışarlama ilkesine aykırı bir durumdur. Bu sorun da Kuantum Renk Dinamiği (KRD) ile çözümlenmiştir. KRD’ye göre, renk niceliğinin kırmızı, mavi, yeşil olmak üzere üç mümkün durumu vardır ve şayet baryonlardaki üç kuarkın hepsi farklı renklere sahip olursa Pauli dışarlama ilkesi ile uyumlu hale gelmiş olurlar.

İçinde yaşadığımız evrende dört temel kuvvet vardır. Bunlar elektromanyetik kuvvet, zayıf kuvvet, güçlü kuvvet ve kütle çekim kuvvetidir. Bu etkileşimler ayar bozonu adı verilen parçacıkların değiş tokuşu ile gerçekleşmektedir. Kütle çekim kuvveti, kütlesi olan bütün parçacıklar arasında gerçekleşir. Kütleler küçüldükçe etkinliği azalmaktadır ve atom altı parçacıklar için bu kuvvet ihmal edilmektedir.

Kütle çekim kuvveti, gezegenlerin, uyduların, yıldızların ve diğer bütün gök cisimlerinin yörüngelerinde kalmalarını sağlayan etkileşimdir. Elektromanyetik kuvvet, yüklü parçacıklar arasında olan etkileşimdir. Elektromanyetik kuvvetin şiddeti parçacıklar arası mesafe arttıkça giderek azalır. Bu kuvvetin taşıyıcısı yüksüz ve kütlesiz fotondur. Güçlü kuvvet, temel kuvvetler içerisinde en kuvvetli olanıdır ve atomun çekirdeğini bir arada tutan kuvvettir. Bu kuvvetin taşıyıcı parçacığı gluonlardır. Zayıf kuvvet, kütle çekim kuvvetinden daha büyük bir kuvvettir.

Çekirdekteki kararsızlıkla ile ilgili bir etkileşimdir. Radyaoktif bozunması gibi olaylar zayıf kuvvet ile açıklanmaktadır. Zayıf kuvvetin ara bozonları, W^± ve Z⁰’dır.

SM’nin test edilmiş birçok başarısına rağmen henüz cevaplayamadığı pek çok soru bulunmaktadır. Bu sorulardan bir tanesi temel parçacıklar arasındaki büyük kütle farklarının nasıl ortaya çıktığıdır. Kütlenin kaynağı olarak öngörülen SM’nin eksik parçacığı olan Higgs bozonu ilk kez CERN’deki BHÇ üzerinde bulunan deneyler tarafından 4 Temmuz 2012 tarihinde gözlemlenmiştir.

2.2. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ)

Parçacık fiziğinin son yıllardaki en önemli projelerinden birisi olan BHÇ İsviçre-Fransa sınırında, 27 km’lik çevresi ile yerin ortalama 100 m altında bulunmaktadır. Daha önce elektron-pozitron çarpıştırıcısı olarak kullanılan Büyük Elektron Pozitron Çarpıştırıcısının (LEP) olduğu tünele inşa edilmiştir. BHÇ’de hem p-p hem de ağır iyonlar zıt yönde hızlandırılmakta ve dedektörlerde birbirleri ile kafa

kafaya gelecek şekilde çarpıştırılarak maksimum kütle merkezi enerjisi elde edilmeye çalışılmaktadır. BHÇ’de, p-p çarpışmaları için _{√ = 14} TeV’lik bir kütle merkezi enerjisi ve L = 10³⁴ cm^-2s^-1 ışıklık hedeflenmektedir. Ağır iyon çarpışmalarında ise bu rakamlar sırasıyla √ = 5.5 TeV ve = 10 cm s olacaktır. BHÇ’deki çarpışmalarda bir saniyede üretilen olay sayısı,

=

ile verilmektedir. Burada incelenen olay için tesir kesiti, L makinenin ışıklığıdır. Makinenin ışıklığı sadece hüzme parametrelerine bağlıdır ve bir Gaussian hüzme dağılımı;

= ^ö_∗

bağıntısı ile verilir. Burada

N

n

f

e

Hızlandırılan parçacık demetlerini yörüngede tutabilmek için çok güçlü bir manyetik alan gerekmektedir. Bu da proton demetlerinin yörüngede kalmasını sağlayan süperiletken mıknatıslar ile sağlanmaktadır. Kullanılan bu süperiletken mıknatısların -271.3 ^oC’de olması gerektiğinden, mıknatıslar ve sistemin soğutulması için sıvı helyum kullanılmaktadır.

Şekil.2.3 BHÇ’nın yapısının bütünü (http:// upload.wikimedia.org / wikipedia / commons / thumb/ b / ba / Cern – accelerator - complex.svg/ 600px - Cern-acceleratorcomplex.svg.png).

BHÇ’nin şematik yapısı şekil 2.3’de gösterilmektedir. BHÇ’de protonların hızlandırılması LINAC2 (Linear Accelerator - Çizgisel Hızlandırıcı) ile başlamaktadır. Burada protonlar 50 MeV’e kadar hızlandırılmaktadır. Daha sonra PSB (The Proton Synchrotron Booster– Proton Sinkrotron İtici) tarafından enerji 1.4 GeV seviyesine kadar çıkartılmaktadır. Buradan PS’ye (Proton Synchrotron) gönderilen protonlar 25 GeV’e kadar hızlandırılır ve daha sonra da SPS (Super Proton Synchrotron) hızlandırıcısına gelerek burada 450 GeV’e kadar hızlandırılır.

Son olarak BHÇ’ye gönderilen proton demetleri burada iletken mıknatıslar arasında geçen iki ayrı vakum tüpü içinde ilerleyerek 7 TeV’lik enerjiye kadar çıkartılır.

Vakum tüpü içerisinde birbirine zıt yönde hızlandırılan proton demetleri ışık hızının yaklaşık olarak % 99.9’una kadar hızlandırılmaktadır. Hızlandırılan protonlar, bilinen dört ayrı çarpışma noktasında 25 ns’de bir çarpışmaktadır. Her çarpışmada ortalama olarak yirmi p-p etkileşmesi gerçekleşmektedir (CMS TDR, 2006).

BHÇ’de çarpışma noktalarına yerleştirilmiş dört büyük deney bulunmaktadır.

Bunlar; ATLAS (A Torodial LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid),

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ve LHCb (A Large Hadron Collider beauty) olarak adlandırılmaktadır. Ayrıca LHCf (The Large Hadron Collider forward Experiment), TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement), gibi özel amaçlı küçük deneyler de veri almaktadır. Genel amaçlı olan CMS ve ATLAS dedektörlerinin her ikisi de silindirik ve çarpışmalarda ortaya çıkacak parçacıkların tümünü algılayabilmeleri için soğansı yapıda tasarlanmışlardır. Bu dedektörler arasındaki en büyük fark manyetik alanı oluşturan mıknatısların birinde solenoidal, diğeride ise toroidal olmasıdır. Dedektörlerin bütün katmanlarından gelen bilgiler birleştirildiğinde dedektörlerde iz bırakan parçacığın kimliği belirlenebilmektedir. Şekil 2.4’de bazı parçacıkların bir yüksek enerji dedektörünün farklı katmanları ile nasıl etkileştiği gösterilmektedir.

Şekil 2.4. Parçacıklar ve detektörde bıraktıkları izler (http://web.itu.edu.tr/2012).

Şekildeki ilk katmanda bulunan iz dedektörü çarpışmada çıkan yüklü parçacıkların izlerini belirlemektedir. Elektromanyetik kalorimetrede elektron, pozitron ve fotonun toplam enerjileri ölçülmektedir. Elektromanyetik kalorimetrenin devamında proton, nötron ve pion gibi kuvvetli etkileşen parçacıkların enerjilerini ölçen hadronik kalorimetre bulunmaktadır. En dış kısımda ise sadece müonların ulaşabildiği müon odaları bulunmaktadır. Müonlar detektörde oluşturdukları

iyonizasyon ile gözlenebilirken zayıf etkileşimli nötrinolar etkileşmeye uğramadan geçerler. Bu nedenle nötrinoların varlığı detektördeki kayıp enerji ile belirlenmektedir. Bu tip parçacıklar enerjinin korunumu ilkesinden yararlanılarak dolaylı yoldan gözlenmektedir. Aşağıda BHÇ üzerinde bulunan deneylerden kısaca bahsedilmektedir. Bu tez çalışması CMS deneyinde yapıldığı için, CMS deneyi detaylı olarak anlatılacaktır.

2.2.1. ALICE

BHÇ halkası üzerine yerleştirilmiş olan ALICE dedektörü 10⁴ ton ağırlığında, 26 m uzunluğunda, 16 m genişliğinde ve 16 m yüksekliğindedir. Bir ağır iyon dedektörü olan ALICE maddenin Büyük Patlama’dan hemen sonraki koşullarını araştırmaktadır.

Şekil 2.5. ALICE dedektörü (http://public.web.cern.ch/public/en/lhc/ALICE- en.html).

ALICE dedektörü temsili olarak Şekil 2.5’de gösterilmektedir. Bu detektörde ağır iyon çarpışmalarından elde edilen veriler kullanılarak Büyük Patlamadan hemen sonra var olduğu bilinen maddenin kuark-gluon plazma yapısı anlaşılmaya çalışılmaktadır. Günümüz evreninde her atom, proton ve nötronların bulunduğu bir çekirdek ve bu çekirdeğin etrafında onları çevreleyen elektron bulutundan

oluşmaktadır. Proton ve nötronların içindeki kuarklar gluon denilen diğer bir parçacık tarafından birbirlerine güçlü bir şekilde bağlanmaktadır. Bu güçlü bağ kuarkların izole olarak bulunmadığını göstermektedir. Bu nedenle kuarklar hiç bir zaman tek başlarına gözlenemezler. BHÇ’deki çarpışmalar Güneş’in merkezindeki sıcaklıktan yaklaşık olarak 10⁵ kat daha yüksek sıcaklık meydana getirmektedir.

Araştırmacılar bu koşullar altında proton ve nötronların eriyeceğini böylece kuarklar ve gluonlar arasındaki bağın kopacağını düşünmektedir. Bu da Büyük Patlama sonrasında var olduğu düşünülen kuark–gluon plazmasını meydana getirmektedir.

ALICE deneyindeki araştırma sonuçlarının kuark–gluon plazma yapısı hakkında daha ayrıntılı bilgi bilgiler vermesi ve bu plazmanın günümüz evrenini oluşturan parçacıklara nasıl dönüştüğünü açıklaması beklenmektedir .(http://public.web.

cern.ch/public/en/lhc/ALICE-en.html).

2.2.2 ATLAS

ATLAS dedektörü 46 m uzunluğunda, 25 m yüksekliğinde, 25 m genişliğinde ve 7000 ton ağırlığında inşa edilmiş en büyük hacimli parçacık detektörüdür.

BHÇ’deki iki genel amaçlı detektörden bir tanesi olan ATLAS’ta Higgs bozonları, süper simetrik parçacıklar, ağır vektör bozonları ve ekstra boyutlar gibi çeşitli fizik araştırmaları yapılmaktadır (Coadou, 2003).

ATLAS dedektörü soğansı yapıda olup altı farklı alt sistemden oluşmuştur.

En iç kısımdaki süper iletken toroidal ile çevrelenmiş dedektör, çarpışma noktasından uzaklaşan elektrik yüklü parçacıkların yörüngelerini büker ve kaydeder.

Bu izlerin eğriliğinden de her bir parçacığın elektrik yükü ve momentumu saptanır.

Şekil 2.6’da ATLAS dedektörü gösterilmektedir.

Şekil 2.6. ATLAS dedektörü

2.2.3. LHCb

LHCb dedektörü 21 m uzunluğunda, 10 m yüksekliğinde, 13 m genişliğinde ve 5600 ton ağılığındadır. LHCb deneyi, B mezonlarının özelliklerini ve b – kuark etkileşmelerini inceleyerek evrendeki parçacık ve anti parçacık simetrisini (anti- simetrinin) araştırmaktadır. LHCb deneyinde, başlıca temel parçacıkları algılamak amacıyla, soğansı yapıdan farklı olarak, alt dedektörler ile bütün çarpışma noktasını çevrelemek yerine art arda sıralanmış bir dizi alt dedektör kullanılmaktadır. İlk dedektör çarpışma noktasının yakınına monte edilirken, diğer detektörler birbirinin arkasına 20 m aralıklarla yerleştirilmiştir.

LHCb dedektörü b-kuarkını varlayabilmek için, BHÇ’deki hüzme doğrultusu yakınlarına taşınabilir izleyici dedektör yerleştirilmiştir. Şekil 2.7’de LHCb dedektörü gösterilmektedir. (http://public.web.cern.ch/public/en/lhc/LHCb-en.html).

Şekil 2.7. LHCb dedektörü (http://inspirehep.net/record/877017/files/lhcb_new.png).

2.2.4. LHCf

LHCf deneyi, BHÇ halkası boyunca ATLAS dedektörünün her iki tarafına 140 m uzaklıkta bulunan bölgeye yerleştirilmiş olan bağımsız iki dedektörden oluşmaktadır. Her dedektör de 80 cm yüksekliğinde, 30 cm uzunluğunda, 10 cm genişliğinde ve 40 kg ağırlığındadır. LHCf deneyi laboratuvar koşullarında kozmik ışınları simüle etmek için, BHÇ’deki çarpışmalarda ileri fırlayan parçacıkları kullanmaktadır. Kozmik ışınlar, uzaydan gelen ve sürekli olarak Dünya’nın atmosferini bombardıman eden yüklü parçacıklardır. Bu ışınlar atmosferin üst kısmında bulunan çekirdek ile çarpışarak ikincil parçacıklar üretmekte ve yeryüzüne ulaşana kadar bir parçacık duşu oluşturmaktadır. BHÇ’de ileri yönde hareket eden parçacıklar LHCf’de gözlenmeye çalışılarak kozmik ışınların benzer parçacık duşlarını nasıl oluşturduğu incelenmektedir (http://home.web.cern.ch/about/

experiments/lhcf). Şekil 2.8’te LHCf deneyi gösterilmektedir.

Şekil 2.8. LHCf dedektörü (CERN Brochure, 2009).

2.2.5. TOTEM

TOTEM deneyi, 5 m yüksekliğinde, 5 m genişliğinde ve 20 ton ağırlığında olup CMS deneyinin etkileşme noktasının her iki tarafına, dört farklı noktaya yerleştirilmiştir (http://home.web.cern.ch/about/experiments/totem). TOTEM, BHÇ’de protonlar kafa kafaya çarpıştığında ortaya çıkan ve proton hüzmeleri ile aynı doğrultuda olan parçacıkları hassas bir şekilde kayıt ederek p-p çarpışmalarının etkin tesir kesitini ölçmektedir (CERN Brochure, 2012). TOTEM genel amaçlı deneylerde tespit edilemeyen ileri yönde giden parçacıklar üzerine çalışmakta ve buna ek olarak protonun boyutunu hesaplayarak BHÇ’deki ışıklığı gözlemektedir.

CMS deneyinin her iki tarafına yerleştirilmiş olan TOTEM deneyinde, her yöndeki yüklü parçacıkları izlemek için iki teleskop ve esnek olarak çarpışan protonları belirlemek için de “Roman Pots” (RP)’ler kullanılmaktadır (CERN Brochure, 2012). Her ne kadar iki deney bilimsel olarak bağımsız olsa da TOTEM, CMS dedektöründen ve diğer tüm BHÇ deneylerinden elde edilen sonuçları tamamlamış olacaktır. Şekil 2.9’da TOTEM deneyinin bir kesiti gösterilmektedir.

Şekil 2.9. TOTEM deneyinin enine bir kesiti (CERN Brochure, 2012).

2.3 CMS ( Compact Muon Solenoid) Deneyi

CMS deneyinde, Higgs bozonu, süper simetrik parçacıklar, madde-antimadde asimetrisi gibi araştırmalar yapılmaktadır. CMS, BHÇ’nin genel amaçlı iki deneyinden bir tanesi olup ATLAS deneyi ile aynı bilimsel hedeflere sahip olmasına rağmen, dedektörlerin mıknatıs sistemi ve tasarımları birbirlerinden farklıdır.

CMS dedektörü, 28.7 m uzunluğunda, 15 m genişliğinde, 15 m yüksekliğinde ve 14000 ton ağırlığında olup silindirik bir yapıya ve azimutal simetriye sahiptir.

Merkezinde 4T’lık manyetik alan oluşturan bir süper iletken solenoid mıknatıs bulunmaktadır. CMS tarafından kabul edilen koordinat sisteminde dedektör içinde çarpışma noktası orijin olarak kabul edilmektedir.

· x-ekseni radyal olarak BHÇ halkasının merkezini,

· y-ekseni düşey olarak yukarıyı,

· z-ekseni ise hüzme doğrultusunu göstermektedir.

Azimutal açı, f , x-y düzlemindeki x-ekseninden, polar açı q ise z-ekseninden ölçülmektedir.

Psüdorapidite;

η = − ln(tan )

denklemi ile tanımlanmaktadır (Pandolfi, F). Parçacığın dik momentumu P_T ve dik enerjisi E_T hüzme boyunca sırasıyla x ve y bileşenlerinden hesaplanmaktadır. Dik düzlemdeki enerji ölçümünün kararsızlığı kayıp dik enerji ile ifade edilmektedir (CMS TDR, 2006).

Şekil 2.10. CMS Dedektörü (http://irfu.cea.fr/Images/astImg/839_2.jpg).

Şekil 2.10’de CMS dedektörü gösterilmektedir. CMS deneyi içten dışa doğru dört alt sistemden oluşmaktadır. BHÇ’deki çarpışmalarda meydana gelen yüklü parçacıkların izlerinin belirlenmesi için en içte iz dedektörü, arkasında elektron ve fotonların enerjilerini ölçen elektromanyetik kalorimetre (EKAL), elektromanyetik kalorimetrenin hemen arkasında kuvvetli etkileşen parçacıkların belirlenmesi için hadronik kalorimetre (HKAL) ve en dış kısımda da müonların yük ve

momentumlarını ölçmek için müon odacıkları bulunmaktadır. Şekil 2.11 CMS dedektörünün enine bir kesitinin şematik bir görünümü gösterilmektedir.

Şekil 2.11. CMS dedektörünün enine kesitinin şematik görünümü (Pandolfi, F).

2.3.1. Solenoid Mıknatıs

CMS dedektörünün tasarımındaki en önemli noktalardan biri de müon momentum ölçümündeki hassasiyetin yüksek olma gerekliliğidir. Yoğun ve yüksek çözünürlüklü bir müon algılama sistemi elde edilmesi için büyük bir bükme gücüne ihtiyaç vardır ve bu bükme gücü için de yüksek manyetik alana gereksinim duyulmaktadır. Bu nedenle, CMS deneyinde 4T’lık manyetik alan sağlayan solenoid mıknatıs kullanılmaktadır.

Solenoid mıknatıs, dedektör merkezinde gerçekleşen yüksek enerjili çarpışmalarda ortaya çıkan parçacıkların yollarını bükmekte ve bu bükülme sayesinde parçacığın momentumu ölçülebilmektedir. Uygun bir uzunluk/yarıçap oranı, iyi bir momentum çözünürlüğü sağlamak için önemlidir (Pandolfi, F).

Solenoid mıknatıs 12.9 m uzunluk, 5.9 m iç çap ve 220 ton ağırlığındadır. Depoladığı enerji 26×10⁸ J’dir. Şekil 2.12’de bu solenoid mıknatıs gösterilmektedir.

Şekil 2.12. Süper iletken solenoid mıknatıs (CMS HCAL Collaboration, 2008, CMS Note 2008/010).

2.3.2. İç İzleyici Sistem

CMS iç izleyici sistemi, BHÇ’deki çarpışmalarda ortaya çıkan yüklü parçacıkların yörüngelerini hassas ve güvenilir bir şekilde ölçebilmek için iç izleyici etkileşme noktasının çok yakınına yerleştirilmiştir. Manyetik alandan dolayı yörüngelerinde eğrilik oluşan parçacıkların momentumu hesaplanabilir ve bükülme yönüne bakılarak yükleri tespit edilebilir. CMS’deki solenoid mıknatıs, 4T’lik manyetik alan sağlar ve bu alanda iç izleyici sisteminin tüm hacminin üzerine homojen olarak yayılmıştır. İç izleyici sistem 5.8 m uzunluğunda ve 2.5 m çapında olup, | | < 2.5 psüdorapidite aralığını kapsamaktadır (CMS HCAL Collaboration, 2008, CMS Note 2008/010).

CMS’de yüksek iz çözünürlüğünü ve gerekli hassaslığı sağlamak için izleyici olarak silikon piksel ve silikon mikro şerit dedektörleri kullanılmaktadır. Silikon piksel dedektörü etkileşme noktasına yakın olan fıçı bölgesinde 4.4 cm, 7.3 cm ve 10.2 cm yarıçaplarında 3 silindirik katmandan oluşmaktadır. Piksel dedektör sisteminin tümünde 1440 adet dedektör modülü olup yaklaşık olarak 66×10⁶ piksel ve 16000 veri okuma kanalı bulunmaktadır. Silikon mikro şerit dedektör ise, dışa

doğru 1.1 m kadar genişleyen 10 katmanlı silindirik sistemden oluşmaktadır ve farklı kalınlıkta iki kısımdan oluşmuştur. İç kısım 320 µm, dış kısım ise 500 µm kalınlığına sahip olup toplamda 15148 silikon mikro şerit modülden oluşmaktadır. Şekil 2.13’de CMS iç izleyicinin şematik bir görünümü gösterilmektedir.

Şekil 2.13. CMS iç izleyicinin şematik görünümü. Her satır bir dedektör modülünü temsil etmektedir (CMS HCAL Collaboration, 2008, CMS Note 2008/010).

Şekil 2.13’de izleyicinin Dış İzleyici Fıçı (TOB), İç İzleyici Fıçı (TIB), İç Diskler (TID) ve İzleyici Kapağı (TEC) olmak üzere birbirinden bağımsız mekanik yapılardan oluştuğu gösterilmektedir.

2.3.3. Müon sistemi

CMS kalorimetreleri ve bobinin hemen arkasında bulunan Müon sistemi izleyici ile birlikte müonları tanımlamak ve momentumlarını hassas bir şekilde ölçmek için kurulmuştur. BHÇ’deki çarpışmalarda oluşan yüklü müonlar kalorimetrelerden sonra dedektörün en dış kısmına yerleştirilen müon dedektörlerinde algılanmaktadır ve sadece müon ve nötrinolar bu uzaklığa erişebilmektedir.

Müonların kütlesi elektronlardan yaklaşık olarak 200 kat daha ağırdır ve birçok parçacığın aksine elektriksel etkileşmeye girmezler. Bu yüzden müonlar elektromanyetik duş oluşturmazlar (http://cms.web.cern.ch/news/muon-detectors).

Müonların enerjileri yaklaşık olarak 5 GeV civarındadır ve demir, bakır gibi metallerin her bir milimetresinde yaklaşık olarak 1 MeV enerji kaybettikleri için enerjilerinin çoğunu kaybetmeden kalorimetrelerden geçebilmektedirler. Şekil 2.14’da CMS müon sisteminin dörtte birinin boyuna kesiti gösterilmektedir.

Şekil 2.14. Müon sisteminin dörtte birinin boyuna kesiti (CMS TDR, 2006).

CMS müon sisteminde izleyiciler önemli rol oynadıkları için çalışma prensipleri farklı üç gazlı parçacık dedektörü kullanılmaktadır. Bunlar, merkez fıçı bölgesinde Sürüklenme Tüpleri (DC), kapak bölgesinde Katot Şerit odalar (CSC) ve hem kapak hem de fıçı bölgesinde bulunan Dirençli Paralel Levhalı odalardır (RPC).

DT ve CSC parçacıkların konumlarını tam olarak belirleyip tetiklemeyi sağlamakta RPC ise elde edilen müon verisinin tutulup tutulmayacağına karar vermektedir (http://cms.web.cern.ch/news/muon-detectors).

2.3.4.Elektromanyetik Kalorimetre (EKAL)

BHÇ’deki çarpışmalarda elektronlar, pozitronlar ve fotonlar elektromanyetik etkileşme yaparak enerjilerini kaybetmektedirler. Elektromanyetik kalorimetre (EKAL) kaybolan bu enerjiyi ölçmek için tasarlanmıştır. Yüksek enerjili elektronlar madde ile etkileşip Bremsstrahlung ışıması yaparak yüksek enerjili fotonlar üretmektedir. Oluşan bu fotonlar da atom çekirdeğinin Coulomb alanından etkilenerek tekrar elektron pozitron çiftini oluşturmaktadır. Böylece elektron, pozitron ve fotondan oluşan bir elektromanyetik duş meydana gelmektedir. EKAL kalorimetresinin şematik bir görünümü Şekil 2.15’de gösterilmektedir.

Şekil 2.15. EKAL kalorimetresinin enine bir kesiti (CMS TDR, 2006)

EKAL, 4 T’lık yüksek bir manyetik alan içinde bulunmakta ve bir fıçı (EB), iki kapak (EE) kısmından oluşmaktadır. Fıçı bölümü < 1.48 psüdorapidite aralığındayken kapak kısmı ise = 3.0 psüdorapidite aralığına kadar uzanmaktadır.

EKAL’da aktif materyal olarak yüksek yoğunluklu (8.3 g/cm³), küçük Moliere yarıçaplı (2.2 cm) ve kısa radyasyon uzunluğuna (X₀ = 0.89) sahip Tungstat (PbWO₄) sintilatör kristali kullanılmıştır. EKAL hermitik ve homojen yapıda olup fıçı kısmında 61200 tane, kapak kısmında ise 7324 tane PbWO4 sintilatör kristali kullanılmıştır. Sintilasyon ışığı, fıçıda çığ foto diyot (APD)’lar ve kapak kısmında vakum foto triyot (VPT)’lar ile okunmaktadır (Pandolfi, F).

3. MATERYAL VE METOD

3.1. Hadronik Kalorimetre (HKAL)

HKAL manyetik alan içerisinde bulunan son dedektördür. HKAL, EKAL’ın alt dedektörleri ile birlikte hadron jetlerinin, nötrinoların veya egzotik parçacıkların ölçümünde önemli rol oynamaktadır. HKAL’ın mükemmel jet çözünürlüğünün olması, jetlerin yönünü ve kayıp dik enerjiyi (MET) hassas bir şekilde ölçmeye olanak sağlar (CMS TDR, 2006). HKAL, HB (Hadronik fıçı), HE (Hadronik kapak), HF (İleri Hadron), HO (Hadronik dış) olmak üzere 4 alt dedektörden oluşmaktadır.

Şekil 3.1’de HKAL’ın alt dedektörleri gösterilmektedir. HB ve HE, 4T’lık yüksek manyetik alanlı solenoid mıknatısın içine yerleştirilmiş ve EKAL’ın hemen arkasında yer almaktadır.

Şekil 3.1 HKAL ve onun alt dedektörleri olan HB, HE, HF ve HO.

HB radyal olarak EKAL’ın en dış yarıçapı R=1.77 m ile mıknatıs bobinin iç yarıçapı olan R=2.95 m arasına yerleştirilmiştir. Bu kısıtlamadan dolayı HB, geç başlayan hadronik duşları durdurmakta yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle solenoidin dışına HB’yi tamamlayıcı HO yerleştirilmiştir (CMS Collaboration, 2008, JINST 3 S08004). HKAL’de parçacıkların yerini, enerjisini ve varış zamanlarını belirleyebilmek için, soğurucu tabakalar ve sintilatör materyaller kullanılmaktadır.

Sintilatör materyaller, parçacık geçtiği esnada ani bir ışık atımı üretmektedir. Oluşan bu ışık atımı da özel optik fiberler ile foto dedektörlerdeki okuma kutuları (RBX) içinde toplanır ve çoğaltılır. Belirlenen bölgede toplanan ışık miktarı parçacığın enerjisidir.

Şekil 3.2. CMS dedektörünün boyuna kesitinde HB, HE, HF ve HO’nun yerleri (CMS Collaboration, 2008, JINST 3 S08004).

Şekil 3.2’de CMS dedektörünün bir kesitindeki HB, HE, HO ve HF’nin yerleri gösterilmektedir. Kesikli çizgiler sabit η değerleridir. HB psüdorapiditesi

|η|=1.4 değerine kadar HE 1.3 < η < 3.0 psüdorapitide aralığını kapsayarak dedektörün hermitik yapıda olmasını sağlamaktadır. HF ise etkileşme noktasından 11.2 m uzağa ve |η|=3 değerinden büyük bölgelere yerleştirilmiştir. HF’nin psüdorapiditesi aralığının |η|=5’e kadar uzatılmasında radyasyona dayanıklı olmasının da etkisi vardır. HF, dar ve kısa hadronik duşlar için tasarlanmış, ileri enerjitik jetlerin belirlenmesinde önemli bir dedektördür (CMS Collaboration, 2008, JINST 3 S08004).

3.1.1. Hadronik Fıçı Kalorimetresi (HB)

HB −1.3 < η < 1.3 psüdorapitide aralığında bulunan bir örnekleme kalorimetresidir. HB, maksimum duş çözünürlüğüne ulaşabilmesi için HB+ ve HB- olmak üzere iki yarım fıçıdan oluşmuştur.

Şekil 3.3. HB kamasının izometrik görünüşü(CMS HCAL Collaboration, 2006, CMS Note 2006/138).

Bu fıçıların her biri eşit açılı (∆∅ = 20°) 36 özdeş kama ve bu kamalarda hüzme eksenine paralel soğurucu pirinç tabakalardan oluşmaktadır. Her bir kama 4 sektöre ayrılmıştır. Her bir sektör azimutal açısı _{(∆∅ = 5°)} olan 16 kuleden oluşmaktadır. Kamalar kendi aralarında ve aralarındaki boşluk 2 mm’den az olacak şekilde civatalanmıştır. En içteki ve en dıştaki soğurucu tabakalar, yapısal dayanıklılık için paslanmaz çelikten yapılmıştır. HB’deki kamaların numaralandırılması Şekil 3.4’te gösterilmektedir.

Şekil 3.4. HB kamalarının numaraları (CMS Collaboration, 2008, JINST 3 S08004, 2008).

HB’nin C26000 (pirinç kartuş) olarak bilinen pirinç soğurucu tabakasının

%70’i bakır(Cu) %30’u çinko (Zn) olup yoğunluğu 8.83 g/cm³’tür. 90^o’de toplam soğurucu kalınlığı 5.82 nükleer etkileşme uzunluğuna (λ1) sahiptir. HB kalorimetresinin etkin kalınlığı polar açı ile artmaktadır ve = 1.3’deki değeri 10.6 λ ’dir. Soğurucunun radyasyon uzunluğu = 1.49 cm ve etkileşme uzunluğu λ₁=16.42 cm’dir (CMS Note 2006/138). Soğurucunun ön plakasında 40 mm kalınlığında çelik plaka, onun arkasında 8 tane 50.5 mm kalınlığında pirinç plaka daha sonra 6 tane 56.5 mm kalınlığında pirinç ve en sonda da 75 mm kalınlığında çelik plakalar bulunmaktadır (Breskin A. ve Voss R, 2009).

HKAL’da aktif materyal olarak ≈7×10⁴ adet sintilatör döşeme kullanılmaktadır. Fiziksel elemanların sayısını sınırlandırmak için azimutal kısımları ve derinlikleri belirli döşemeler tek bir sintilatör biriminde gruplanarak tablalar oluşturmuştur. Şekil 3.5’de bir sintilatör tablası gösterilmektedir.

Şekil 3.5. Sintilatör tablası, WLS fiberleri, temiz fiberler ve radyoaktik kaynak borusu görülmektedir (CMS HCAL Collaboration, 2006, CMS Note 2006/138).

HB’de birinci çelik levha içinde 9 mm kalınlığında sintilatörler (Bicron BC408), pirinç levhalar arasında 3.7 mm kalınlığında (Kuraray SCSN81), son levha içinde 9 mm kalınlığında sintilatörler seçilmiştir. Bu sintilatörlerin seçilmesinin nedeni, bunların radyasyona karşı dayanıklı ve uzun süre kararlılığını koruyabiliyor olmasıdır. Işık bütün tablalardan 0.94 mm çaplı yeşil dalga boyu kaydırıcı (WLS) fiberler ile toplanmaktadır. Dalga boyu kaydırıcı fiberler, sintilatör plaklara taşınan ışıktaki optik zayıflamayı azaltmak için temiz fiberlere ayrılmaktadırlar ve foto sensörlerden birkaç metre uzağa yerleştirilmişlerdir (CMS NOTE, 2006/138).

3.1.2. Hadronik Uç Kapak Kalorimetresi (HE)

HE yüksek manyetik alan içinde bulunup HB’nin her iki ucunu kapatmaktadır. HE dedektörü, HB gibi bir örnekleme kalorimetresidir. Soğurucu kısmı 4T’lık solenoid mıknatısın sonuna eklendiğinden manyetik alandan etkilenmeyen malzemeden yapılmıştır. Aynı zamanda hadronik duşları içermesi için maksimum etkileşim uzunluğuna sahiptir. Soğurucunun etkileşme uzunluğu 16.4 cm, radyasyon uzunluğu 1.5 cm olup yoğunluğu da 8.83 g/cm³’tür. HE, 1.3 < η < 3.0 psüdorapitide aralığında bulunup son durum parçacıklarının %34’ünün bulunduğu bir bölgededir. Kapak bölgelerine yerleştirilen HE dedektörü, HE+ ve HE- olmak

üzere iki modülden oluşmaktadır. Şekil 3.6’da HE’nin müon uç kapak boyunduruğuna yerleştirilmesi gösterilmektedir.

Şekil 3.6. Uç kapağı demir boyunduruk üzerine yerleştirilen HE kalorimetresi (CMS HCAL Collaboration, 2008, CMS Note 2008/010).

HE’de her biri eşit açılı (∆∅ = 20°) olan 18’er adet kama bulunmaktadır ve kamalar da eşit açıyla bölünmüş _{(∆∅ = 5°)} olan 4 kısıma ayrılmıştır. HE ve HB arasında belirli bir geçiş bölgesi veya çatlak olarak bilinen bir boşluk bulunmaktadır.

HE’de soğurucu yapı tasarlanırken, HB ile HE arasındaki bu çatlağın en aza indirgenmesine dikkat edilmiştir. Bu nedenle HE’deki pirinç soğurucular bu boşlukları en aza indirebilmek için özel olarak tasarlanmıştır. Boşluklar izdüşümsel olmadığından boşluk yönündeki jetlerin enerjileri ölçülebilmektedir. Fakat bu bölgedeki parçacık jetlerinin enerji çözünürlüğü manyetik alan etkileri ve parton parçalanması ile sınırlandırılmaktadır. HE’deki pirinç plakalar 79 mm kalınlığındadır ve pirinç plakalar arasına sintilatörlerin yerleştirilebilmesi için birbirleri arasında 9 mm’lik boşluklar bulunmaktadır. Elektromanyetik kristaller ile HKAL’ın toplam etkileşme uzunluğu 10λ₁ civarındadır (CMS NOTE, 2006). Şekil 3.7’de HE soğurucuların mekaniksel yapısı gösterilmektedir.

Şekil 3.7. HE soğurucularının mekaniksel yapısı (CMS HCAL Collaboration, 2008, CMS Note 2008/010).

HE’nin dış katmanları, fotoçoğaltıcılar ve ön uç elektronikler için kesilmiştir.

Materyaldeki bu azalmayı gidermek için fazladan bir katman HE’deki 16. kuleye eklenmiş ve en dış katman yapısal destek için 10 cm kalınlığında paslanmaz çelik plakaya sabitlenmiştir. Soğurucu yerleştirildikten sonra optik elementler boşluk içine, sonrada soğurucuya monte edilmiştir (CMS HCAL Collaboration, 2008, CMS Note 2008/010). HE’de sintilasyon ışığı, sintilatörün dış sınır kenarına yakın yerleştirilmiş WLS fiberler aracılığıyla toplanmaktadır. Bu tasarımın amacı ölü bölgeyi en aza indirmek ve ışığı 0.94 mm’lik fiberler ile kolayca foto detektörlere yönlendirebilmektir. Bu sintilatörlerin sıfırıncı katmanı için ikizkenar biçiminde ve 4 mm kalınlığındaki Bicron SCSN81 veya 9 mm kalınlığındaki Bicron BC408, 1-17 katmanları için de 3.7 mm kalınlığındaki SCSN81 sintilatörleri kullanılmıştır.

Fiberlerin ucu elmas kesiciler tarafından şekillendirilip ışığın toplanmasının artırılması için bir uçları alüminyum ile kaplanmış, diğer uçlarına da özel yapım optik bağlayıcı içine yapıştırılmış temiz fiberler eklenmiştir.

HE’de toplam 20916 adet döşeme ve 1368 adet tabla bulunmaktadır. Şekil 3.8’de bu tablalardan biri gösterilmektedir. HE tablaları çok dayanıklı, güvenilir ve sert bir yapıya sahiptir. Tablalar soğurucular içindeki boşluklara yerleştirilip vidalar ile sabitlenmiştir. Tablaların kalite kontrolü UV nitrojen lazer ile HE’deki sintilatörler uyarılarak yapılmaktadır.

Şekil 3.8. HE kalorimetresinin ışıldayıcı tablası (CMS HCAL Collaboration, 2008, CMS Note 2008/010).

UV kaynak ile üretilen ışığın yüklü bir parçacığın oluşturduğu sinyale benzemesinden dolayı sintilatörlerden elektroniklere kadar olan bütün optik yol UV kaynak ile kontrol edilebilmektedir. Bu kontrol ile HE’de radyasyon hasarından kaynaklanan sinyaldeki azalmalar belirlenebilmektedir. Okuma kutuları (RBX) kalorimetrenin arka kısmına yerleştirilmiştir. RBX’lerin içinde foto dedektörler ve ön yüz elektronikler bulunmaktadır. Foto dedektör olarak manyetik alandan az etkilenmelerinden ve geniş dinamik aralıkları olmasından dolayı Hibrit Foto Diyotlar (HFD) kullanılmaktadır. Paslanmaz çelik tüp içerisinde hareket eden radyoaktif kaynak zamana bağlı kalibrasyon sabitlerini çalışmak için kullanılır ve böylece daha ileri kalibrasyon ve görüntüleme elde edilir. Şekil 3.9 etkileşim noktasından bakıldığında HE kamalarının numaralandırma düzenini göstermektedir.

Şekil 3.9. Etkileşim noktasından bakıldığında HE kamalarının numaralandırma düzenini, +x yönü de LHC halkasının merkezini göstermektedir(CMS HCAL Collaboration, 2008, CMS Note 2008/010).

3.1.3. Hadronik Dış Kalorimetresi (HO)

Merkezi psüdorapidite bölgesinde bulunan elektromanyetik fıçı (EB) ve hadronik fıçı (HB) birlikte 4T’lık manyetik alan sağlayan solenoid mıknatıs içinde yeterli kalınlığa sahip değildir. Bu yüzden bileşik durdurma gücü hadron duşlarını algılamakta yetersiz kalmaktadır. Müon sisteminde hadronik duşları durdurabilmek ve kayıp dik enerjiyi (MET) daha hassas ölçebilmek için solenoid mıknatısın dışına psüdorapitide aralığı | | < 1.3’e kadar uzatılmış hadronik dış kalorimetre (HO) denilen bir kuyruk yakalayıcısı eklenmiştir. HO, 1.4 sin⁄ etkileşim uzaklığında olup ek bir soğurucuya karşılık gelmektedir. Başlangıç duşlarını tanımlamak ve HB’nin ötesindeki duş enerjisini ölçmek için kullanılmaktadır. HO alt kalorimetresi ilk müon odası katmanının önüne yerleştirilmiş ve -2, -1, 0, 1, 2 olmak üzere beş halkaya bölünmüştür. Bu numaralandırma z-ekseni yönünde artmaktadır ve beş halkanın z-eksenindeki konumları sırasıyla -5.342 m, -2.686 m, 0, 2.686 m, 5.342

m’dir. HB, η=0’da minumum soğurucu derinliğine sahiptir. Bu yüzden merkezi halka iki katmanlı HO sintilatöründen oluşmuştur. Bu sintilatörlerin her iki katmanında da radyal uzaklığı 3.82 m ve 4.07 m olan 19.5 mm kalınlığında demir plakalar bulunmaktadır. Diğer halkalar, 4.07 m radyal uzaklıkta tek bir HO katmanına sahiptir. HB ve HE’nin sınır bölgesi haricinde kalorimetre sisteminin toplam derinliği en az 11.8 λI’dir. Şekil 3.10 HO katmanları gösterilmektedir.

Şekil 3.10 CMS dedektörünün boyuna ve enine kesitindeki HO katmanları (CMS Collaboration, 2008, JINST 3 S08004).

Her bir katman 12 özdeş ϕ sektörüne ayrılmıştır. Bu sektörler, müon sisteminde olduğu gibi 75 mm kalınlığındaki paslanmaz çelik kirişler ile ayrılmıştır.

HO’nun katmanları radyal doğrultuda 40 mm’ye ayrılmış dedektör tabakası için 16 mm, geriye kalan kısım da alüminyum petek destek yapısı için kullanılmaktadır. HO kalorimetresinde halka ±1 ve ±2 için birer adet, 0. halka içinde 2 adet sintilatör döşemelerinden oluşan halkalar mevcuttur. Döşemelerden gelen sintilasyon ışığı 0.94 mm çapındaki çok katlı Y11 Kuraray WLS fiberler tarafından toplanıp, ucuna yerleştirilen Kuraray temiz fiberler tarafından foto detektörlere taşınmaktadır.

HO’nun kurulumunu kolaylaştırmak amacıyla, sintilatör döşemeler tabla denilen tek bir birim içine paketlenir. HO tablasının şematik yapısı Şekil 3.11’de gösterilmektedir.

Şekil 3.11. HO tablasının şematik görünümü. (CMS Collaboration, 2008, JINST 3 S08004).

Tablalardan gelen optik fiberler okuma elektroniklerine oradan da kodu çözmek içinde foto dedektörlerin bulunduğu kutuya gönderilir. Her bir tabla genişliği 5^o olan bir ϕ dilimine karşılık gelip, z yönünde (η doğrultusunda) bir tabla bir müon halkasının tüm aralığını kapsamaktadır (CMS Collaboration, 2008, JINST 3 S08004).

3.1.4. İleri Hadronik Kalorimetre (HF)

HF, etkileşme noktasının her iki tarafından 11.2 m uzaklıkta ve 3 ≤ |η| ≤ 5 psüdorapidite aralığında bulunmaktadır. HF± olmak üzere iki modülden oluşmaktadır. Bu modüllerin her biri ∆∅ = 20° ′lik 18 kamadan, her kama da 24

kuleden ve 10°’lik eşit açıyla bölünmüş iki kısımdan oluşmaktadır (CMS NOTE, 2006/44).

HF çok dar ve kısa hadronik duşlar için tasarlanmıştır jetlerin, MET’in ölçümünde önemli rol oynamaktadır. Yoğun bir parçacık akışına maruz kaldığından HF’in yapımında radyasyona dayanıklı malzemeler kullanılmıştır. Aktif malzeme olarak çelik soğurucular ve bunların içine yerleştirilmiş kuvars fiberler, okuma sinyalleri için de Foto Çoğaltıcı Tüpler (FÇT) kullanılmıştır. Kullanılan fiberler parçacıkların yön bilgisini sağlamada yardımcı olan ve FÇT’ler ile tespit edilen Çerenkov ışımasına neden olur. HF’de uzun ve kısa olmak üzere 2 farklı fiber kullanılmaktadır. Uzun fiberler HF’nin elektromanyetik kısımda yer alır ve hem elektromanyetik hem de kuvvetli etkileşen parçacıklara duyarlıdırlar kısa fiberler ise hadronik kısmında yer alıp sadece kuvvetli etkileşen parçacıklara duyarlıdır. Bu sayede kuvvetli ve elektromanyetik etkileşme birbirinden ayırt edilebilmektedir.

Şekil 3.12’de HF kalorimetresi gösterilmektedir.

Şekil 3.12. İleri Hadronik kalorimetre (http://cds.cern.ch/record/1431489/files/HFLo wering4.jpg?subformat=icon-1440).

3.2. Ön Uç okuma Elektronikleri ve Veri Toplama

HKAL’ın ön uç elektronikleri 40 MHz’lik hüzme etkileşiminden gelen sinyalleri sayısallaştırıp okuma kartlarına göndermektedir. Sintilatörlerden gelen ışık WLS fiberler ile temiz fiberlere ve optik kablolar aracılığıyla foto detektörlere, sonrasında ise ön uç elektroniklere iletilmektedir. Fiberler aracılığıyla alınan optik sinyaller önce RBX’in içine yerleştirilen foto detektörlere iletilmektedir. HB, HE ve HO’da foto dedektör olarak Hibrit Foto Diyotlar (HFD) kullanılırken, manyetik alanın daha az yoğun olduğu HF’de foto dedektör olarak FTÇ’ler kullanılmaktadır.

HFD veya FÇT’den gelen analog sinyaller, analog-digital dönüştürücü (ADC) kartlar ve yük toplama ve şifreleme (QIE) kartları yardımıyla sayısal sinyale dönüştürülerek fiber optiklerle ön uç elektroniklerdeki hadronik tetikleme (HTR) kartına iletilir.

HTR kartı farklı türdeki verileri işleyip diğer sistemlere iletmektedir (CMS Collaboration, 2011, CMS UG-TP-1). HKAL’ın veri toplama elektroniklerinin gelen görünümü Şekil 3.13’de gösterilmektedir.

Şekil 3.13. HKAL’deki ön uç elektronikler ve veri toplama sisteminin genel görünümü (CMS Collaboration, 2008, JINST 3 S08004).

HPD’lerde toplanan veri QIE’de sayısallaştırılır ve CCA’ya (Özel Toplu Devre Kontrol Kartı ) aktarılır, hemen sonrasında da GOL (Gigabit Optik Link) optik fiberler ile dedektörden uzaklaştırılır. Veri, veri toplama kartı (DCC) ile CMS veri akış sistemine gönderilir ve HTR (Yüksek Tetikleme Okuyucusu) birinci tetiklemeyi oluşturmuş olur (CMS HCAL Collaboration, 2006, CMS Note 2006/138).

3.2.1 Hibrit Foto Diyotlar (HFD)

HKAL’ın alt kalorimetreleri olan HB, HE ve HO’da foto dedektör olarak HFD’ler kullanılmaktadır. HFD’ler optik sinyali elektrik sinyaline dönüştüren foto detektörlerdir ve parçacık enerjilerinin geniş bir aralığı için ilk sinyallere cevap vermektedirler. Maliyetleri düşüktür, manyetik alandan fazla etkilenmezler ve ayrıca radyasyona dayanıklıdırlar.

Şekil 3.14. HFD’lar özel vakum tüp içine yerleştirilmiş foto katot ve PIN diyottan oluşmuştur (Cushman P.B. ve Heering., 2002).

HFD’ler Şekil 3.14’te gösterilmektedir. HB ve HE’deki HFD’lerde çok sorun yaşanmamasına rağmen HO’da kullanılan HFD’lerde istenilen performans sağlanamamıştır. Bu sorunlar HO’daki yüksek manyetik alandan kaynaklanmaktadır.

Manyetik alanda, kalorimetrenin dış halkaları ±1 ve ±2’de bulunan HFD’lerde gürültü baskın olduğundan gerçek sinyal sayısı azalmıştır. Bu bölgede manyetik alan

0.2 T - 0.3 T aralığında bulunmaktadır. Bu durum kalorimetrenin jet ve müon fiziği çalışmaları için veri alınımını kötü bir şekilde etkilemektedir (CMS Collaboration, 2011, CMS UG-TP-1). Bu problemi çözmek için kalorimetredeki tüm HFD’lerın yerine Silikon Foto Çoğaltıcı’lar (SiFÇ) yerleştirilmesine karar verilmiştir.

3.2.2 Foto Çoğaltıcı Tüp (FÇT)

FÇT’ler son derece yüksek hassasiyet ve hızlı tepki veren çok yönlü bir cihazlardır. HF’de manyetik alan daha zayıf olduğu için foto dedektör olarak FÇT’ler kullanılmaktadır. FÇT’ler genellikle bir cam tüp içerisinde bulunan bir giriş penceresi, bir foto katot, bir elektron çoğaltıcı ve bir anottan oluşmaktadır (Hamamatsu, 2006). Tipik bir FÇT’nin şematik yapısı Şekil 3.15’de gösterilmektedir.

Şekil 3.15 Tipik bir foto çoğaltıcı tüp (Hamamatsu, 2006).

Işık foto katoda girdiğinde, foto katot vakum içine foto elektronları yayar. Bu foto elektronlar daha sonra elektron çoğaltıcılara doğru elektrotlar tarafından odaklanarak yönlendirilir ve burada ikinci yayınım süreci ile elektronları çoğaltır.

Çoğaltılmış elektronlar bir çıkış sinyali olarak anot ile toplanmaktadır (Hamamatsu, 2006).

3.2.3 Silikon Foto Çoğaltıcı (SİFÇ)

Geiger modunda çalıştırılan SiFÇ’ler çok pikselli silikon tabanlı çığ foto diyotlardır. SiFÇ’ler düşük foton akılarını belirlemek için geliştirilen yarı iletken tabanlı foto detektörlerdir. SİFÇ’leri daha cazip hale getiren, yüksek foton algılama verimliliği, dayanıklı ve düşük maliyetleri, kuantum verimliliklerinin HPD’lerin iki katı iken kazançlarının FÇT’lere benzemesidir. SİFÇ’lerin 105-107 oranındaki yüksek kazançları, sıcaklık ve voltaj değişimlerine karşı tepki kararlılığını artırmaktadır. Hızlı zamanlama ve tekli foton sayma özelliklerine sahiptirler, ayrıca SİFÇ’ler iyonize radyasyona karşı duyarsızdırlar. Bu da HPD’lerin SİFÇ’ler ile değiştirilmesinin ana sebeplerinden biridir (Garutti E., 2011). Çünkü iyonize radyasyon CMS’nin tüm alt dedektörlerinde radyasyona bağlı olarak hasara yol açmaktadır. Radyasyon hasarı da dedektörün okuduğu sinyalleri etkilemekte ve dedektörde oluşan gürültüde artışa neden olmaktadır. Bütün bu sorunlar hem dedektörün verimliliğini azaltmakta hem de dedektörden gelen gerçek sinyallerin belirlenmesini zorlaştırmaktadır.

SİFÇ’ler 4T gibi yüksek bir manyetik alandan etkilenmemektedirler. HFD’ler ise sıfır ve 3.5T – 4T manyetik alanlar, çalışmakta iken 0.2T – 0.3T’lik manyetik alanlarda aygıtların bir kısmına zarar vermektedir. Bu da HO kalorimetresinin ±1 -

±2 numaralı halkalarına denk geldiğinden, bu bölgede verimli veri alımı engellenmektedir. HO kalorimetresindeki HFD’lerin SİFÇ’ler ile değiştirilmesi, HO’nun tasarım amaçlarından biri olan düşük manyetik alan etkisindeki hadronik duş enerjisinin küçük bir kısmını ölçmeyi kolaylaştıracaktır (CMS Collaboration, 2011, CMS UG-TP-1).

3.3. HKAL Kalibrasyon Sistemi

HKAL kalibrasyon sistemi; başlangıçtaki mutlak enerji skalasını ayarlamak, dedektörün tepkisini ve homojenliğini anlamak, fizik verileri alındığı sırada zaman kararlılığını izlemek için kullanılmaktadır. HKAL kalibrasyonu;

· Sintilatör döşemelerle özelliklerinin uyumlu olduğu garanti edilmiş paralel radyasyon kaynağı testleri,

· Geçerli bir sayısal dönüştürücü kullanılarak bir yük enjektörü ile yapılan kalite kontrol testlerinden oluşmaktadır.

Enerji skala sabitleri, e^±, π^± ve müon hüzme testleri ile alınmış verilerle radyasyon kaynaklı müon hüzme verileri birleştirilerek hesaplanmaktadır. Dedektör tek tip (homojen) olmadığı için test skalasından alınan bilgiler bütün kanallar için radyasyon kaynağından alınan veriler ile karşılaştırılarak tüm sisteme çevrilmiştir.

Her bir kanalın (sintilatör, fotodedektör, elektronik) tam yanıtı radyasyon kaynakları ve UV-lazer kullanılarak gözlemlenmektedir. Ayrıca elektronik kısmın gözlemleri UV-lazer ve mavi LED (Light Emitting Diode) kullanılarak kontrol edilmektedir (CMS TDR, 2006).

3.3.1. Offline Kalibrasyon ve İzleme

Kalibrasyon katsayıları manyetik alansız bir ortamda test hüzmelerinden alınan veriler ile hesaplanmasına rağmen HKAL kalorimetresi çalıştığında 4T’lık bir manyetik alan içerisinde bulunmaktadır. Manyetik alan HB-HE ve HE-HF arasındaki geçiş bölgelerinde duş düzeltmelerini etkilemektedir. Yüksek ışıklıkta alınan veriler için HE’nin tepkisi radyasyon hasarından dolayı azalmaktadır. Bu nedenle HKAL çalışmaya başladığında kuleler, yeniden kalibrasyonları yapılarak izlenmelidir.

Hızlı gözlemleme, dedektör çalıştığı zaman depolar (stores) ve minimum-bias verileri arasında pedestal, LED, lazer ve radyoaktif kaynak ile alınan veriler ile gerçekleştirilmektedir. Mavi LED sistemi, tüm kanallar için ayrı ayrı elektronik yanıtın %3‘nün ölçümünü yapabilmektedir. UV-lazer ile eşdeğeri %4’lük bir çözünürlüğe sahiptir. Radyasyon kaynağı 0 ve 9’uncu katmanların tüm serisi için

%2’lik bir ölçüm yapmaktadır (CMS TDR, 2006).