Deneysel Yüksek Enerji Fiziği FZK 4206 Uludağ Üniversitesi

Deneysel Yüksek Enerji Fiziği
FZK 4206
Uludağ Üniversitesi
Nedir?
Parçacık Fiziği, temel parçacıkların keşfi, özelliklerinin ölçülmesi ve
aralarındaki temel etkileşmeleri inceler.
İncelemeleri yapabilmek için yüksek enerjilerde deney yapmak
gerekir.
Parçacık Fiziği = Yüksek Enerji Fiziği
Nükleer Fizik ise temel parçacıklardan oluşmuş karmaşık sistemleri
inceler. Konusu elektron, proton, nötron gibi alt parçacıklardan
oluşmuş atom ve bu parçacıkların etkileşmelerini inceler.
Tarihsel Gelişim
… - 1550 BC : Antikçağ
1550 - 1900 BC: Bilimsel Gelişim ve Klasik Mekanik
1900 - 1964 BC: Kuantum Teorisi
1964 - Günümüze: Modern Fizik (Standart Model)
Tarihsel Gelişim
Temel Parçacık Fiziği, 1897'de
J.J.Thomson'ın elektronu (corpuscules)
keşfetmesiyle başlar.
Sıcak bir filamandan yayılan katot ışınlarının (parçacık demeti)
bir mıknatıs ile saptırılabilmesi ile bunların elektrik yükü taşıdığı,
ve bükülme yönünden de bu yükün negatif olduğu belirlenmiştir.
1905, A. Einstein,
bir parçacık gibi davranan
ışık kuantumunu (foton) önerdi.
Fotoelektrik olay (E≤hn-w),
Kütle ve enerjinin eşdeğerliği,
Özel görelilik.
Tarihsel Gelişim
1909, E. Rutherford, alfa parçacıklarının
geri saçılması için atomun içinde küçük,
yoğun ve pozitif yüklü birşey (çekirdek)
olduğu sonucuna vardı.
1920 lerin sonunda atomun elektron ve protondan oluştuğu,
negatif yüklü elektron ve pozitif yüklü proton nötr atomu oluşturuyor
olarak düşünülür.
Atom Modelleri:
Tarihsel Gelişim
1927' de bazı radyoaktif maddelerin sürekli
spektruma sahip elektronlar yayınladığı
gözlemlendi
Protonun çevresindeki elektronlar ancak belirli
enerjilerde yayınlanabilir. Buradaki elektronlar
sürekli spektruma sahip. Sonuç olarak bunlar yörünge elektronu değil
çekirdekten çıkan elektronlardır. Radyoaktif bozunmalar.
1931 de P. Dirac pozitron varlığını postüle etti. Schrödinger
denklemini (parçacığın enerjisi ve momentumu gibi bilgileri
içeren dalga fonksiyonunun uzay ve zamana bağlı değişimi)
görelilik teorisi ile uyumlu hale getirmeye çalışırken elektron
spinin ½ olduğunu ve denklemi sağlayan bir parçacık (pozitron)
olması gerektiğini öngördü.
Tarihsel Gelişim
1932, J. Chadwick, nötron keşfi.
manyetik alanda sapmayan,
kalın ortamda nüfüz edebilen ve
parafin gibi bir malzemeden proton
kopartan bir parçacık.
1932, Carl D. Anderson kozmik ışın deneyleri
sırasında bir antiparçacık olarak tanımlanan
positronu Sis Odasında gözlemledi.
Parçacık fiziğin başlangıcı → ...
Tarihsel Gelişim
1898 - 1964
1964 - bugün
Dersin İçeriği
Tüm temel (alt) parçacıkların üzerine yapılan çalışmalar
– Aralarındaki kuvvet etkileşmeleri
– Reaksiyona sebep olan fiziksel etkiler
– Madde enerji ilişkisi
– Maddenin kaynağı
Bu derste parçacıkların araştırılmasında,
– Yapılan deneylerin mekanizması
– Nasıl gerçekleştirildiği
– Nasıl hızlandırıldığı ve çarpıştırıldığı
– Deteksiyon mekanizması
Parçacık Fiziğinde Birimler
S.I. Birimleri: kg, m, s “günlük” karşılaşılan cisimler için doğal bir
seçimdir, fakat parçacık fiziği için oldukça büyük birimlerdir.
Parçacık Fiziğinde Doğal Birimler kullanılmaktadır:
kuantum mekaniğinden – ħ
görelilikten – ışığın hızı: c (3x108 m/s)
parçacık fiziğinden – enerji birimi: GeV
proton durgun-kütle enerjisi~938 MeV/c2=1.673x10-24 g
Enerji: GeV
Momentum: GeV/c
Kütle: GeV/c2
Zaman: (GeV/ħ)-1
Uzunluk: (GeV/ħc)-1
Alan: (GeV/ħc)-2
ħ=c=1 Böylece,bütün fiziksel nicelikler GeV cinsinden ifade edilir
h Planck sabiti, h = h/2π = 6.626x10-34 J.s = 4.14x10-15 eV.s
ħ indirgenmiş Planck sabiti, ħ = h/2π
Neden Yüksek Enerji
Fotonların yayınlanma mekanizması;
Ex = EL -EK
E = h ν→ ν= c / λ
Ex = hc / λ → λx = hc /Ex
Bu şekilde maddeye bağlı karakteristik bir ışınım salınır (X-Işını)
Neden Yüksek Enerji
Temel parçacıkları inceleyebilmek
için yüksek enerjilere ihtiyaç vardır.
eV : 1 Volt' luk elektrik potansiyeli
altında bir elektronun kazandığı
kinetik enerjidir.
1 eV ~ 1.602x10-19 Joule
1 V ~ 1 Joule/Coulomb
Yüksek demet enerjisi
Daha kısa dalgaboyu
Daha iyi çözünürlük
Neden Yüksek Enerji
Büyük Patlama
Proton
Atom
Evrenin
ilk anlarını
açıklayabilmek
Dünyanın yarıçapı
Dünya-Güneş uzaklığı
Galaksilerin yarıçapı
Evrenin
boyutu
cm
Neden Yüksek Enerji
Mesafe – Enerji ilişkisi:
de Broglie bağıntısı λ = h / P parçacığın momentumuna bağlı olarak
Ona eşlik eden dalganın dalgaboyunu verir.
Yüksek Enerjide:
hc = 1234 eV.nm
hc = 1974 10-19 J.nm
λ = h / P = 2pħc / Pc
Soru:
1 GeV' lik elektron yaklaşık olarak 1 GeV/c momentuma sahiptir.
Bu elektronun dalgaboyu nedir ve atomu nasıl görür?
Soru:
100 GeV' lik elektronun dalgaboyu nedir ve atomu nasıl görür?
Neden Yüksek Enerji
Işığın doğasının farklı deneyler sonucunda madde-dalga ikilemine
sahip olduğu görülmüştür. Mesela ışık kırınım olayında dalga,
fotoelektrik olayda madde gibi davranmaktadır.
Fransız fizikçi Louis de Broglie doktora tezinde bir parçacık olarak
düşünülen elektronun hızlandırıldığında bir dalga gibi davranıp,
dalgalara ait özellikler (kırınım, girişim) göstereceğini önerdi.
Bu öneri tüm momentuma sahip parçacıklar için geçerlidir. Fakat
parçacığın dalga yapısı göstermesi ve atomik boyutta etkileşme
yapması için kütlesinin çok küçük olması gerekir.
Soru:
400 m/s hızla hareket eden 10 g kütleli bir kurşun
için de Broglie dalgaboyu nedir?
Neden Yüksek Enerji
Kütlenin büyük olması dalgaboyunu çok
küçülttü. Madem momentum büyük
(kütlesinden dolayı) hızı düşürürsek,
υ ~ 0.01 m/s olursa dalgaboyu
λ = h / mυ ~ 6.63x10-30 m
Sonuç:
Madde dalga özelliği göstermesi için
kendisine eşlik eden dalgaboyu civarında
bir boyuta sahip olmalıdır. Bir bilardo topu
dalga özelliği gösterip atomik etkileşme
yapamaz.
Soru:
54 V luk bir potansiyel farkı altında hızlandırılan elektronun dalgaboyu
nedir?
Neden Yüksek Enerji
1926 yılında Davisson-Germer,
elektronun dalga özelliği gösterdiğinin
deneyini yapmıştır.
Isıtılımış filamandan üretilen elektronlar
Potansiyel farkı altında hızlandırılıp
Ni kristalinden saçılması gözlenir.
Saçılma açısı → d sinθ = n λ
Soru:
Deneyde kullanılan Ni için d = 0.215 nm ve elektronlar 54 V luk
potansiyel altında 500 lik açı ile sapıyor ise saçılan elektronun λ = ?
Not: de Broglie dalgaları Bohr atom modeline de açıklma getiriyor.
Bu modelde elektronlar ancak belirli yörüngelerde (de Broglie
dalgaboylarının tam katlarında) bulunabilir.
Neden Yüksek Enerji
De Broglie parçacığın dalga ile temsil edilebileceğini söylemiş. Bu
dalgalar parçacığa eşlik ediyor ve parçacıklar aynı hıza sahiptir.
Schrödinger denklemi parçacıkları onların dalga fonksiyonları ile
tanımlayarak parçacıkları uzay-zaman değişimi altında inceler.
Schrödinger denklemi, belirli kısıtlamalara maruz bırakılmış bir
parçacığa eşlik eden ψ dalga fonksiyonun diferansiyel denklemidir
(örnek: çekirdeğin elektrik alanı ile atoma bağlı bulunan bir elektrona
eşlik eden ψ dalga fonksiyonu)
Dalga fonksiyonunun fiziksel yorumu Max Born tarafından yapıldı. Bir
dalganın genliğinin karesi ile şiddeti arasındaki orantıdan yararlanarak,
dalga fonksiyonunun karesinin parçacığın birim hacimde bulunma
ihtimalini verdiğini ortaya koydu.
Parçacıkların bir dalga fonksiyonu ile hareketinin tanımlanması,
parçacıklar arası etkileşmenin bilardo topları gibi çarpışmalar şeklinde
değil dalga fonksiyonlarının etkileşmesi şeklinde düşünmemize yol açar.
Neden Yüksek Enerji
Büyük dalgaboylu
→ küçük enerjili
Küçük dalgaboylu
→ büyük enerjili
Momentum (Enerji, E = P.c) arttıkça daha ayrıntılı inceleme
yapılabilir. Ancak bu hassasiyet sınırlıdır;
dx.dP ≥ ħ (Heisenberg Belirsizlik İlkesi)
Örneğin atomik boyutlarda dx≈10-15 m kesinlikte bir işlem için foton
dP≈ ħ / dx ≈ 100 MeV/c momentumuna sahip olmalıdır.
Parçacıkların Sınıflandırılması
İstatistiksel mekaniğin temel postülatlarından birisi;
Bir parçacığın herhangi bir durumda bulunma ihtimali, diğer kuantum
durumunda bulunma ihtimali ile aynıdır.
Kuantum durumu → spini, Enerji-Momentum, Konumu
Bu durum serbest parçacıklar için geçerlidir. Sisteme dışardan etki eden
E alan, B alan veya Yerçekim gibi kısıtlamaların olmadığı durumlarda
söz konusudur.
Kısıtlamalar olduğunda, parçacıkların bütün durumlarda aynı ihtimalle
bulunabilme hali ortadan kalkar.
Spin, bir parçacığın kuantum durumunu belirlemede önemli faktörlerden
biridir.
Serbest Parçacık
Parçacıkların
Sınıflandırılması
- Spin
Spin : bir parçacığın durgun olduğu sistemde sahip olduğu açısal
momentum değeridir.
⃗
⃗ =⃗
L =⃗
r ×P
r ×m v
r ×⃗
v ) =m ( ⃗
r ×( w
r ))
⃗ =m ( ⃗
⃗ ×⃗
Bohr atom modeline göre elektronlar belirli
yörüngelerde bulunmakta ve geçişlerde belli enerjili
fotonlar yayınlamaktadır.
Ancak manyetik alan içerisinde birbirine çok yakın
spektrum çizgileri gözlendi.
Bu durum 1925 de Hollanda'lı fizikçiler Uhlenbeck ve Goudsmit
tarafından açıklandı:
Elektron, orbital etrafında dönerken aynı zamanda kendi ekseni
etrafında da dönmektedir.
Spin birimi ħ dır, elektron, proton, nötron gibi parçacıklar ħ/2
spine, foton ise 0 spine sahiptir.
Serbest Parçacık
Parçacıkların
Sınıflandırılması
- Spin
Pauli dışlama ilkesi, bir atomda iki elektronun aynı anda aynı
enerji seviyesinde bulunamayacaklarını ifade eden prensip.
(1945 Nobel Fizik ödülü)
Pauli, elektron spini → 4. kuantum sayısını ifade etmiştir. (1,2,3 ?)
Bu da spinin saat yönünde veya ters yönde olabileceği şeklindedir.
Pauli'ye göre, bir orbitale spini 1/2 olan bir elektron yerleşmişse,
aynı orbitale yerleşen ikinci elektronun spini ters yönde (yani -1/2)
olmalıdır. Böylece birbirine ters yönde spinli iki elektronun yer aldığı
orbital dolmuş olur.
Doğru
Yanlış
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p ...
Doğru
Yanlış
Serbest Parçacık
Parçacıkların
Sınıflandırılması
- Spin
Elektron ve proton gibi yarım spinli parçacıklar Pauli dışarlama
ilkesine uyarlar. Bu parçacıklar Fermi-Dirac istatistiğine uyarlar.
Bu tür parçacıklara fermion denir.
Foton gibi tam spinli parçacıklara Pauli dışarlama ilkesine
uymazlar. Bu parçacıklar Bose-Einstein istatistiğine uyarlar.
Bu tür parçacıklara bozon denir.
Elektronların enerji seviyelerinde yerleşimi
Serbest Parçacık
Parçacıkların
Sınıflandırılması
- Spin
Spinlerine göre sınıflandırma
Serbest Parçacık
Parçacıkların
Sınıflandırılması
- Spin
Kuarklarına göre sınıflandırma
Kuark yükleri toplandığında
proton yükü +1
nötron yüksüz
pion +1
Standart Model
Temel parçacıkların nasıl düzenlendiğini ve farklı kuvvetler aracılığında
birbirleri ile nasıl etkileştiğini açıklayan bir teoridir.
Temel parçacıklar
kuarklar ve leptonlar
olarak isimlendirilen
iki aileye ayrılırlar
Bu ailelerin her biri altı parçacıktan oluşur
I. nesil en hafif - III. nesil an ağır
olmak üzere üç nesle ayrılır
Parçacıklar arasında da etkileşmeyi sağlayan
4 farklı kuvvet ve kuvvet taşıyıcıları vardır
Temel Kuvvetler
Kuvvet taşıyıcıları aracılığı ile doğada 4 temel etkileşme vardır.
1. Gravitasyonel
(kütle çekimi)
2. Zayıf
3. Elektromanyetik
4. Kuvvetli
Temel Kuvvetler
Bütün parçacıklar her kuvvet taşıyıcısından
etkilenmezler. Örneğin elektron ve proton
elektromanyetik kuvvet taşıyıcısı olan
fotondan etkilenirler. Foton yayınlayabilir
ve soğurabilirler. Yüksüz olan nötrino ise
foton tarafından etkilenmez ve böylece
foton yayınlayıp soğuramaz.
Parçacıklar arası etkileşmelerin kuantumlu alanlarla temsili
Feynman Diyagramları yardımı ile göz önünde canlandırılabilir.
Temel Kuvvetler (Feynman Diyagramları)
Fermiyonlar
Kuvvet taşıyıcılar
e+e− → γ → µ+µ−
Elektron positron
yok olması
(Elektromanyetik
Etkileşme)
n → p e- νe
Nötron bozulması
(Zayıf Etkileşme)
K+ → π + π + π Kaon bozunumu
(Zayıf ve Kuvvetli Etkileşme)
Temel Kuvvetler (Feynman Diyagramları)
Sezilgen
foton
Elektromanyetik
Zayıf
Kuark tipinde değişim
(çeşni değişimi)
Kuarklar arası
Nükleonlar arası
Temel Kuvvetler
Gravitasyonel Etkileşmeler:
(Kütle-Çekimi)
→ Kütlesi olan tüm parçacıklar
arasında gerçekleşir
→ Kütleler arası uzaklığın karesi ile
ters orantılıdır
→ Evrendeki büyük yapılarda belirgin olur
→ Ufak kütlelerde ihmal edilebilir
→ Kuvvet taşıyıcı graviton dur
→ Deneylerde gözlemlenmemiştir
G = 6.672x10-11 N.m2/kg2
Temel Kuvvetler
Zayıf Etkileşmeler:
→ Kuark değişimini gerçekleştirir
→ Radyoaktif bozunumlar (beta bozunması)
Çekirdek birleşimi (Güneş)
→ Kuvvet taşıyıcıları
W+,W-,Z0 bozonlarıdır
→ 1983 de SPS' de gözlemlendi
(Super Proton Synchrotron)
Fusion / Fission
Temel Kuvvetler
Elektromanyetik Etkileşmeler:
→ Yüklü parçacıklara etki eder
→ Sonsuz menzile sahiptir
→ Elektrik ve Magnetik kuvvetlerin etkisi altında kendini gösterir
→ Kuvvet taşıyıcısı foton dur
→ QED teorisi
(Quantum ElectroDynamic)
Foton ↔ Yüklü parçacık
Yüklü parçacık ↔ Yüklü parçacık
Temel Kuvvetler
Kuvvetli Etkileşmeler:
→ Çok kısa menzile sahiptir
→ Kuvvet taşıyıcıları gluon (glue) dur
→ Kuarklar arasında renk kuvveti bulunmaktadır
→ Uzaklık arttıkça bu kuvvette artar
→ Baryonlar arasında geçerlidir mezon
değişimi ile gerçekleşir
→ QCD teorisi
(Quantum ChromoDynamics)
Temel Kuvvetler
Özetle;
Etkileşim
Kuvvet
Taşıyıcısı
Menzili (m)
Şiddet
Örnek
Kararlı
Sistem
Gravitasyonel
Graviton
Sonsuz
6 x 10-39
Serbest
düşme
Güneş
sistemi
Zayıf
W+,W-,Z0
10-18
10-6
βbozunması
Yok
Elektromanyetik
Foton
Sonsuz
1/137
Cep
telefonları
Atomlar,
moleküller
Kuvvetli
Gluon
10-15
1
Çekirdek
reaksiyonları
Hadronlar
, Çekirdek
SoRu:
Yüklü parçacıkların etkileşimini bir şekil ile gösteriniz?
sOrU:
Çekirdek içerisinde protonlar nasıl bir arada bulunabilmektedir?
Temel Kuvvetler
CeVaP
cEvAp
Temel Kuvvetler
Higgs Bozonu
Kuarklar, yüklü leptonlar ve zayıf etkileşme bozonları (kuvvet
taşıyıcıları) ile etkileşip onları kütle sahibi yaparken
foton ve gluon ile etkileşmeyen parçacık
Yani kuarkların, leptonların ve kuvvet
taşıyıcıların kütlesinin kaynağını
açıklayacak parçacık
Standart modelin tamamlanmasında
önemlidir
Henüz
gözlemlenememiştir
(Ocak 2012)
Hızlandırıcılar
Parçacık fiziğinde deneyler
yapabilmek için parçacıklara
yüksek enerjiler vermek gerekir
Parçacıkların kinetik enerjileri
Arttırılmalıdır
Yüksek enerji →
Büyük kütleli parçacık üretimi
En basit hızlandırıcı kullandığımız!
televizyonlar veya monitorler
Livingston Blewett
Hızlandırıcılar
EB
Ec.m
mT
Sabit hedef
Demet enerjisi
Kütle merkezi enerjisi
Hedef kütle
Çarpışan demet
Işınlık (Limunosity)
N1,2
A
R
Demetteki parçacık sayısı
Demet tesir
Demet yarıçapı
Hızlandırıcılar
Hızlandırma 2 şekilde
1. Elektrostatik (electrostatic) alan
Katot ışını, TV
Van de Graaf üreteci (1929)
Cockcroft–Walton üreteci (1932)
2. Salındırıcılı (oscillating) alan → Modern hızlandırıcılar ...
Hızlandırıcılar
Doğrusal Hızlandırıcılar
http://microcosm.web.cern.ch/Microcosm/RF_cavity/ex.html
Wideroe Doğrusal Hızlandırıcı
Alvarez Doğrusal Hızlandırıcı
FERMILAB
Hızlandırıcılar
Siklotron (Cyclotron)
– yüklü parçacıklar
– yüksek frekansta değişen voltaj
– düzleme dik B
Dairesel Hızlandırıcılar
- Vakum demet hattı
- Hızlandırıcı Kaviteler
- Bükücü magnetler
- Odaklayıcı magnetler
Hızlandırıcılar
Hızlandırıcı Kaviteler
Radyofrekans ile voltaj
kutuplanması
Bükücü magnetler
Demeti dairesel hat boyunca büker
?
Odaklayıcı magnetler
Demeti toparlar
Parçacıkların Madde ile Etkileşimi
Tesir kesiti (σ)
φ
Gelen parçacık akısı
A
Reaksiyon hızı
d
ρ
σ=
Atar
Soğurucu hedef alanı
Hedef yoğunluğu
mmol
Molar kütle
NA
Avagadro sayısı
Birim zamanda verilen bir türdeki etkileşmelerin (reaksiyon) sayısı
Gelen parçacık akısı x Hedef parçacıkların sayısı
1 mb = 10-27 cm2
1 GeV-2= 0.389 mb
1 mb = 2.57 GeV-2
Parçacıkların Madde ile Etkileşimi
→ Parçacıkları algılamak için parçacık madde ile etkileşmeli
→ En önemli etkileşme süreçleri EM
Yüklü parçacıklar
- İyonizasyon ile enerji kaybı (ağır parçacıklar, e-, e+)
- Foton salınımı ile enerji kaybı (e-,e+)
Fotonlar
- Fotoelektrik
- Compton
- Çift oluşumu
Diğer önemli EM süreçleri
- Çoklu saçılma
- Sintilasyon ışığı
- Cerenkov ışığı
- Transition
Parçacıkların Madde ile Etkileşimi
Ağır yüklü bir parçacık (m, Ze, v) serbest atomik elektron (me, e, 0)
Ile çarpışmalar yaparak enerji kaybeder.
Ağır yüklü parçacık = mgelen>>me
proton, k, π, µ
Birim uzunluktaki enerji kaybı
(iyonizasyon & uyarılma)
Temel sabitler
re
= elektron klasik yarıçapı
me = elektron kütlesi
Na = Avogadro sayısı
c
= ışık hızı
Gelen parçacık
z
= yükü
β = v/c
γ = (1-β2)-1/2
Wmax= bir çarpışmada max. enerji transfer
=0.1535MeV-cm2/g
[
2 2
2
2m
γ
v W max
dE
Z
z
2
2
e
2
− =2πN a r e me c ρ
ln(
)−2β
dx
A β2
I2
Bethe-Bloch formulü
Soğurucu ortam
I
= ortalama iyonizasyon potansiyeli
Z
= atom numarası
A
= atomik ağırlığı
ρ= yoğunluğu
δ= yoğunluk düzeltmesi
C
= kabuk düzeltmesi
W max =
2m e ( cβγ )
2
√
1 +m e / M 1+( βγ ) 2+( m e / M ) 2
≈2m e ( cβγ ) 2
]
Parçacıkların Madde ile Etkileşimi
Enerji kaybı fonksiyonu
Ortalama iyonizasyon enerjisi
Parçacıkların Madde ile Etkileşimi
[
2
2m e γ 2 v 2 W max
dE
C
2
2 Z z
2
− ∣c =2πN a r e m e c ρ
ln
(
)−2β
−δ
−2
dx
A β2
Z
I2
δ = gelen parçacığın elektrik alanının
ortamdaki elektronların yük yoğunluğu
ile nasıl perdelendiğini tanımlayan
parametre
δ ≈ 2lnγ+ζ, ζ = materyele bağlı sabit
C kabuk düzeltme, gelen parçacığın
Hızının bağlı elektronların orbital hızı
ile karşılaştırılabilir olduğu durumlarda
geçerlidir, küçük bir düzeltmedir
]
Parçacıkların Madde ile Etkileşimi
Elektronların madde ile etkileşimi
Atomdaki orbital elektronlar ile inelastik saçılma
Ortamdaki atomların iyonizasyonuna ve uyarılmasına
neden olur. Çarpışmalarla Durdurma Gücü
(Collisional Stopping Power)
Atomlarla elastik saçılma
(enerjisi değişmez)
Çekirdek ile inelastik saçılma
Bremsstrahlung (frenleme ışını)
(Radiative Stopping Power)
Parçacıkların Madde ile Etkileşimi
Fotoelektrik etki
σ α Z5
Compton saçılması
2
−29
Nitrojen
2
E << mc ⇒ σ=σ T =6 . 653×10 m
3
E
2E 1
2
E >> mc ⇒ σ= σ T
ln
+
2
2
8
2
mc
mc
(
Çift oluşumu
σ α Z2
)
Kurşun
Parçacıkların Madde ile Etkileşimi
Çoklu saçılma (Multiple Scattering)
Sintilasyon ışığı (Scintillation Light)
Cerenkov ışığı (Cerenkov radiation)
Geçiş ışıması (Transition radiation)
Parçacıkların Madde ile Etkileşimi
Radyasyon uzunluğu (Lr) madde
içerisinde ilerleyen elektronun enerji
kaybını ifade eden önemli bir
büyüklüktür
716 . 4A
−2
L r=
( g−cm )
Z ( Z+1 )ln(287 / √ Z )
Yüksek enerjiili elektronların enerjisinin
1/e sini Bremsstrahlung ile kaybetmesi
için alacağı ortalama yol
Yüksek enerjili fotonların çift oluşumunu gerçekleştirmesi için
ortalama serbest yolunun 7/9 udur
Detektörler
Neden detektör ?
Çarpışmadan sonraki
parçacıklar ...
Yüksek Enerji Detektörleri (YED) elementer parçacıklar belirlemek için
dizayn edilir. Herbir deney kendine ait bir detektör sistemine sahiptir,
fakat genel olarak bir YED;
 Parçacığın yükünü, yönünü ve momentumunu ölçmeli
 Çarpışmada herbir yöndeki elektronların ve fotonların
taşıdıkları enerjiyi ölçmeli
 Çarpışmada herbir yöndeki hadronların (protonlar,
pionlar, nötronlar, v.s) taşıdıkları enerjiyi ölçmeli
 Çarpışmada oluşan elektronları ve muonları tespit etmeli
 Nötrinolar gibi detekte edilmeyen parçacıkların varlığını momentum
korunumdan tespit etmeli
 Yukarıda sayılan özellikleri yeterince hızlı yapabilmeli
 Ölçülen bilgileri eksiksiz kayıt edilebilmeli
 Radyasyon tehlikelerine karşı güvenilir olmalı
Detektörler
CERN
SLAC
DESY
FERMILAB
BROOKHAVEN
KEK
CESR
Soru : Yukarıda bahsedilen 4 detektörün genel özelliklerini veriniz
Detektörler
SUPERCONDUCTING
COIL
CALORIMETERS
ECAL
Scintillating
PbWO4 crystals
HCAL
Plastic scintillator/brass
sandwich
IRON YOKE
TRACKER
Silicon Microstrips
Pixels
Total weight : 12,500 t
Overall diameter : 15 m
Overall length : 21.6 m
Magnetic field : 4 Tesla
MUON BARREL
Drift Tube
Resistive Plate
Chambers ( DT) Chambers (RPC )
MUON
ENDCAPS
Detektörler
Bir YED etkileşme noktası etrafını çevreleyen (tıpkı bir soğan gibi)
alt detektörlerden oluşur. Böylece etkileşen parçacıkların detekte
edilmeden kaçması engellenir.
Tipik bir YED' in çarpışma noktasından itibaren dış katmanlara doğru
alt detektörlerin bileşenleri şu şekildedir;
 Vertex Detektör
 İz Takip Edici Detektör
 Elektromagnetik Kalorimetre
 Hadronik Kalorimetre
 Muon Kalorimetre
Detektörler
Vertex Detektör
Vertex detektörler çarpışmadan sonra
ortaya çıkan kısa ömürlü
parçacıkları detekte eder.
Çarpışma noktasına en yakın olan alt
detektördür.Amacı etkileşme noktasına çok yakın kısa ömürlü
bozunan parçacıkların izlerini ölçmektir.
Ağır b ve c kuarklarını içeren ve ömürleri yaklaşık
10-13 ve 10-12 sn civarında olan parçacıklar kısa ömürlüdür
Tipik olarak çok ufak yarıçaplı silindirik tabakalardan yapılmıştır.
Yaklaşık bir kola kutusu büyüklüğündedir.
Bir çok vertex detektör yarıiletkendir.
Bununla birlikte gazlı detektörler de kullanılmaktadır.
ALEPH
Detektörler
İz Takip Edici Detektör
Çarpışmadan sonra oluşan yüklü parçacıkların
enerjilerinin bir kısmını iyonizasyon vasıtasıyla
kaybettirerek parçacıkların yükünü,
momentumunu ve yörüngesini belirler
Güçlü magnetik alan içerisinde bulunur (CMS' de 4T)
Magnetik alan parçacıkların yörüngelerinin dairesel olarak bükülmesine
neden olur. Herbir yörüngenin yarıçapı parçacığın momentumunu,
bükülme yönü ise paracığın yükünün işaretini belirler
Genel olarak büyük hacimli gaz sürüklenme odaları (Drift Chambers)
iz detektörü olarak kullanılır. Gelen yüklü parçacıklar gaz atomlarını
iyonize ederek elektron-iyon çiftleri oluşturur. Elektronlar pozitif yüklü
sinyal teline doğru bir elektrik alan etkisinde sürüklenirler. Tele varış
zamanları ölçülerek gelen yüklü parçacığın izlediği yol belirlenir.
Detektörler
İz Takip Edici Detektör
BaBar
Genel olarak büyük hacimli
gaz sürüklenme odaları
(Drift Chambers)
iz detektörü olarak kullanılır.
Gelen yüklü parçacıklar gaz
atomlarını iyonize ederek
elektron-iyon çiftleri oluşturur
Elektronlar pozitif yüklü
sinyal teline doğru bir elektrik alan etkisinde sürüklenirler. Tele varış
zamanları ölçülerek gelen yüklü parçacığın izlediği yol belirlenir.
Gazlarda bir elektron-iyon çifti oluşturmak için gerekli
iyonizasyon potansiyeli 30eV iken,
Yarıiletken tabanlı Silikonda bir elektron-hol çifti oluşturmak için gerekli
iyonizasyon potansiyeli 3,6eV' dur.
Detektörler
İz Takip Edici Detektör
İz takip ediciler silikon şeritlerden oluşan
bir tabaka (Silicon Strip Detector)
da olabilir
Silikon şeritler kullanmak çok kısa mesafelerde büyük sinyal
oluşturduğu için gaz
detektörlere göre
daha avantajlıdır
Silikon içerisinde ise
sürüklenen
elektron ve hollerdir
CMS
Detektörler
Elektromagnetik Kalorimetre (ECAL)
Amacı e-, e+ ve γ tarafından taşınan enerjiyi ölçmektir
ECAL ince
(~ 15 mm) kurşun
levhalar ve aralarına
yerleştirilmiş sintilasyon
kristallerden oluşur
ATLAS
Detektörler
Elektromagnetik Kalorimetre (ECAL)
Yüksek enerjili e- ortamın atom çekirdeği ile elektromagnetik
etkileşme, bremsstrahlung yaparak yüksek enerjili γ üretir. Bu
γ ortamın atom çekirdeğinin Coulomb alanından etkilenerek
tekrar e- ve e+ çiftleri oluşturur. Oluşan e- tekrar yeni γ ve oluşan
yeni γ larda yeni e- e+ çiftleri üretir. Sonuç olarak elektromagnetik
kalorimetreye giren yüksek enerjili e- γ lar, e+ ve e- lardan oluşmuş
bir elektromagnetik sağanağa dönüşür.
Bu durum meydana gelen ikincil
parçacıkların enerji değerlerinin
iyonizasyon ile enerji kaybı
yapacağı enerji değerlerine
düşmesine kadar devam eder.
Detektörler
Hadronik Kalorimetre (HCAL)
Hadronik kalorimetreler çarpışmadan sonraki hadronların
(proton, nötron, pion ve diğer mezonların) enerjilerini ölçer.
Elektromagnetik kalorimetrede oluşan sağanağa kıyasla
hadronik kalorimetredeki sağnak daha karmaşıktır.
Bu durum, inelastik hadronik etkileşmeler sonucu
çeşitli parçacıkların sağanak oluşturmasından dolayıdır.
Detektörler
Muon Kalorimetre
Çarpışmadan sonra oluşan yüklü parçacıklardan muonlar,
kalorimetrelerden sonra detektörün en dış kısmında bulunan muon
detektörlerinde algılanırlar
Muonların kütlesi elektrondan yaklaşık 200 kat fazla olması
sebebiyle atomlarla elektriksel bir etkileşmeye girmezler. Bu
nedenle elektromagnetik sağanak oluşturmaz
Enerjileri 5 GeV civarında olan muonlar, bakır, çelik gibi metallerin her
milimetresinde yaklaşık 1 MeV enerji kaybına uğradıkları için çok fazla
enerji kaybetmeden kalorimetreleri geçebilir
Detektörler
Detektörler