İlk uzun kapama sürecinde kompakt muon solenoıd hadronik ileri kalorimetrenin fotoçoğaltıcı tüp testleri

CERN, Avrupa Parçacık Fiziği Laboratuvarı ya da Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi, 1954 yılında Cenevre yakınlarında kurulmuştur. CERN'de parçacık hızlandırıcıları ve dedektörler kullanılmaktadır. Büyük Hadron Çarpıştırıcısından başka, CERN karmaşık hızlandırıcısı birçok kendine özgü deney içermektedir. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı deneyi, birkaç aşamalı olarak gerçekleştirilmektedir. Bir şişede bulunan hidrojen ağzındaki hidrojen atomları elektronlarından ayrıştırılmaktadır ve proton kaynağı olarak kullanılmaktadır. Buradan protonlar Doğrusal Hızlandırıcıya (Linac2) geçerler ve protonların enerjileri 50 MeV a kadar hızlandırılır. Proton hüzmeleri buradan da Proton Senkroton İticiye (PSB) gecerler ve sabit bir çapta senkronize¸sekilde 1.4 GeV a kadar hızlandırılırlar. Bir sonraki aşama olarak Proton Senkrotona (PS) gecerler ve enerjileri 25 GeV a kadar çıkarılır. İkinci en büyük makine olan Super Proton Senkroton (SPS) protonları 450 GeV enerjileri çıkarır. Sonunda protonlar Büyük Hadron Çarpıştırıcısına girerler. Protonların maksimum enerjileri 6.5 TeV a ulaşır. Dedektörlerdeki çarpışma noktalarındaki enerjileri toplam 13 TeV a ulaşır. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı yaklaşık olarak 27 km'lik bir çevreye sahiptir ve yerin 100m altındadır. Çarpıştırıcı iki adet birbirine zıt hareket eden proton hüzmelerini taşıyan süperiletken halkalardan olu¸sur. 8 arc ve 8 düz bölümlerden oluşur. Her bir düz bölüm 545m uzunluğunda ve her bir arc 2450m uzunluğundadır. Bu düz bölümlerde 4 büyük deney yer almaktadır. ATLAS ve CMS iki genel amaclı kullanılan dedektörlerdir. ATLAS Point 1'de ve CMS Point 5'te bulunmaktadır. ATLAS ve CMS standart modelden ki Higgs Boson araştırmasıda dahil olarak ekstra boyutlar ve karanlık madde araştırmalarını inceler. LHCb Point 8'de yer almakta olup b kuark kullanarak madde ve antimadde arasındakı farkı incelemektedir. ALICE Point 2'de yer almaktadır ve Büyük Patlamanın hemen sonralarında oluşan bir maddenin fazı olan quark gluon plazmayı araştırmaktadır. CMS dedektörü silindirik şekilindedir. Yerin 100 metre altındadır. 21.6m uzunluğunda ve 14.6m çapında olup toplam 12500 ton ağırlığındadır. CMS dedektörü müon istasyonları tarafından sarılmaktadır ve dedektörün iç kısımlarında çarpışmadan gelen müonları bükmek için gerekli olan süperiletken magnet, magnet içinde hadron kalorimetre, hadron kalorimetre içinde elektromanyetik kalorimetre ve en içte iz sürücüler bulunmaktadır. CMS koordinatları, LHC'nin merkezine dogru x, çarpışma yonu z ve yukarı dogru y koordinatı ile tanımlanır. CMS dedektörünün en dış kısmında dört müon istasyonları ve bu müon istasyonlarını entegre edilmesi için alan yaratan dört döner boyuduruklar vardır. Müon istasyonu uç kısımı katot strip odalardan ve alüminyum drift tüplerden olu¸sur. Boyunduruklar ise demirden yapılmıştır. Elektromanyetik kalorimetre kurşun tungstat (PbWO4) kristallerden oluşmaktadır. Uç bölgesinde vakum fotodiyotlar (VPT) ve fıcı bölgesinde silikon katlamalı fotodiyotlar (APD) ışıgı algılamak için yer almaktadır. Elektromanyetik kalorimetre fıcı (EB) ve on duş sistemli uç bölge (EE) olmak üzere iki bölgeden oluşur. Elektromanyetik kalorimetre hadron kalorimetre tarafından sarılmaktadır. CMS'in en iç bölgesinde iz sürücü sistem bulunmaktadır ve 10 katmanlı silikon microstrip dedektor ve 3 katmanlı pixel dedektörden oluşmaktadır. Silikon mikrostrip uç kı¸sma ayrılmaktadır; uç, iç ve dış. İç kısım 4 katmanlı iç fıcılardır (TIB) ve iç disklerden oluşur (TID). Dış kısım 6 katmanlı dış fıçıdan (TOD) oluşur. Uç kısım ise 10 katmanlı uç disklerden (TEC) olusur. Pixel dedektör iç kısımda bulunmasının sebebi yüklü parçacık izlerinin etki parametresinin ölçümlerini arttırmaktadır. Hadronik kalorimetre dört adet alt kalorimetre oluşur. Bunlar hadronik dış eta < 1.3, hadronik uç eta < 3, hadronik ileri 3.0 < eta < 5.0 ve hadronik fıçılar olup eta < 3 belirtilen CMS koordinatlarında pseudorapidity bölgelerinde yer almaktadır. Hadron kalorimetrenin alt kalorimetrelerinin her biri aktif ve pasif ortam olarak birbirinden farklı olup ayrı birer yapıya sahiptirler. HO pasif ortam olarak magnet ve döner boyunduruklar kullanırken aktif ortamda skintilator kullanır. Hadronik kalorimetreye hadronik dış ile EB ve HB'nin karsılayamadığı duşu karşılamak ve etkileşim uzunlugunu arttırmak için süperiletken magnetin hemen dışına fıçı olarak sarılmıştır. Süperiletkenin içinde hadronik fıçı bulunur ve her iki uç kısımda hadronik uçlar vardır. HE ve HB aktif ortam olarak pirinç ve pasif olarak skintilator kiremit kullanır. Kompakt müon solenoid dedektörünün etkileşim noktasından her iki 11.2m uzaklıkta hadronik ileri kalorimetresi bulunmaktadır ve 760 GeV luk bir radyasyona maruz kalıp ki dedektörün diğer kısmı sadece 100 GeV luk bi radyosyana maruz kalmaktadır, bu kısım enine kayıp enerjiyi araştırmakta da ayrıca önemli olmaktadır. Aktif olarak kuartz fiber optik kablolar bulunur ve demir emicilerle pasif ortamını oluşturmaktadır.˙Işığı algılayan foton çoğaltıcılara sahiptir. Hadronik kalorimetre her iki ileri kısım artı ve eksi olarak toplam 36 kamadan olu¸smaktadır. HF eksi ve HF artı her biri dört çeyreğe ayrılmıştır. Bir çeyrekte 4.5 kama bulunmaktadır. Herbir kama 2 roboxa sahiptir. Her bir roboxta 24 PMT bulunmaktadır. Böylece toplam hadronik kalorimetre toplam 1728 PMT bulunmaktadır. Her bir kama ayrıca 13 kuleden oluşmaktadır. Her bir kule uzun ve kısa olmak üzere iki tip fiber optik kablo kanalına sahiptir. Bu uzun ve kısa fiberlerin farkı elektromanyetik duş ve hadronik du¸s arasındakı farkı oluşturur. Elektromanyetik duş oluşumu, bir foton bir elektron ve bir positrona bölünür ve bremsstrahlung fotonu yayılır ve bu bölünme çiftin üretim enerjisi belirli bir kritik değerin altına düşene kadar devam edecek şekilde tanımlanır. Hadronik duş ise, herhangi bir yüksek enerjili hadronun kalorimetre veya dünya atmosferinde enerji kaybederek ikincil parcacıklara inelastik işlemler sonucunda ayrılmasıdır. Foton çoğaltıcılar vakum tüpler olup ışığı ölçülebilir elektrik sinyale çevirmektedir. Hadronik ileri kalorimetredeki foton çoğaltıcıları uzun kapama süresi faz 1 de yükseltimesi amaçlanmıştı. Etkileşim noktasından gelen yüklü parcacıklar, hadronik ileri kalorimetre boyunca seyehat edip, foton çoğaltıcıların direkt olarak camlarına çarpmaktadır. Bunlar foton çoğaltıcı camında Cherenkov fotonu yayarak yüksek enerjili normal olmayan olaylar yaratırlar. Büyük Hadron Çarpıştırıcı deneyinin öncesinde yapılan testlerde de gözlenen yüksek enerjili normal olmayan olayların indirgenmesi veya yok edilmesi bu yükseltmenin en temel amacıdır. Daha ince camlara sahip olan, yüksek quantum etkiye ve yüksek kazanca sahip olan yeni Hamamatsu R7600U-200-M4 foton çoğaltıcılarla eski Hamamatsu R7525 foton çoğaltıcıların değişirilmesi amaçlanmaktadır. Bu yükseltilmenin amacı, fiziksel olmayan bu sinyal indergemektir, fakat tamamen kaldırılmaz. Bu yeni foton çoğaltıcılar eskisi foton çoğaltıcılara göre daha yüksek kazanç, kuantum verimine sahip olup ayrıca cam olayının üstesinden gelmek için daha ince cama sahiptirler. Bu ince cam borosilika camdan yapılmıştır, fotokatot ise ultra bialkali malzemeden yapılmıştır. Ayrica bu yeni foton çoğaltıcı 4 anot a sahiptir. İlk olarak tek anotlu kullanılıp, sonrasında 2 anot ve uzun kapama sonrasında 4 anot olarak kullanılacaktır. Bu yükseltme sırasında yeni foton çoğaltıcı tüplerin yüksek voltajlarda mavi ışık yayan diyot kullanarak kazanç testleri foton çoğaltıcı ve baseboard istasyonunda gerçekleştirilmiştir. Yeni PMT'ler sayesinde hadronik ileri kalorimetrenin performansı artmaktadır. Foton çoğaltıcı (PMT) test istasyonu CERN'un Prevessin yerleskesinde B904 binasında yer almaktadır. Burada hadronik ileri kalorimetrelerde bulunan roboxlar yerine benzer tasarı için kullanılan darkboxlar kullanılmaktadır. 2 adet darkbox kullanılıp her bir darkboxta 24 foton ço˘galtıcı bulunmaktadır. Bir test alımında toplam 48 foton ço˘galtıcı için veri alınır. RCMS programı sayesinde yüksek voltaj ayarları yapılıp veriler alınır. Bu program ile PMT lerin yerinde olup olmadığı ya da bozuk olup olmadığı anlaşılır. İlk olarak test için veri alınır sonrasında gelen mavi ışık yayan diyot yoğunluğu değiştirilerek veriler tekrarlanır. Buradan alınan ilk ham veriler root dosya tiplerine çevrilir ve sonrasında ROOT programı kullanılarak bilgisayar hesaplamaları ile kazanç, fotoelektron sayısı gibi hesaplamalar istatistiksel verilere dayanarak yapılmaktadır. Elde edilen analiz sonuçlarına göre de yeni foton çoğaltıcıları düsük, orta ve yüksek kazançlı olarak gruplandırılıp hadronik ileri kalorimetreye takılmak üzere Point 5'a ta¸sınmaktadır. Foton çoğaltıcılar düşük, orta ve yüksek kazanclara sahip olmak üzere uç gruba gore HF kalorimetrenin bir kaması icin düsük kazançlılar etkileşim noktasına daha yakın olmak üzere elektromanyetik kanallara ve yüksek kazançlılar daha uzak olmak üzere hadronik kanallara gruplandırmalar yapılır. Bu analizler LED ve SPE yani mavi ı¸sık yayan diyotta ışığın yoğunluk farklarına göre analizler yapılmıştır. Kazanç analizlerinden başka birkaç farklı analizlerde yapılmıştır. Deneysel olarak belirlenen foton çoğaltıcının k de˘geri dinotun metaryeli ve yapısı icin alınan değere gore yapılır ve bu k değeri aralığı ile uyumluluğuna bakılır. Bundan başka, pedestal analizleri yapılır ve burada her bir QIE kanallarının foton çoğaltıcılar takılı değillerken sinyalleri düzgün alıp almadığı kontrol edilir. Ayrica foto elektron sayıları ve katot yük dağılımları üzerine analizler farklı yüksek voltaj ve farklı mavi ısık yayan diyot ışık yoğunluklarına göre yapılmıştır. Hadron ileri kalorimetreye takılacak olan 1728 foton çoğaltıcı için her bir foton çoğaltıcının aldıpı ısığın farklı yoğunluklarına göre olmak üzere farklı yüksek voltaj değerlerindeki korelasyonları yapılmıştır. Bu analizler yapılırken C++ ve ROOT programları kullanılmıştır. Kazanç analizleri icin alınan verilerden yararlanarak istatistiksel formüllere bağlı olarak kazanç analizleri, pedestal, foto elektron sayısı ve katot yük dağılımları analizleri hesaplanmıstır ve ROOT NTuple sınıflarına göre düzenlenmi¸stir ve ayrıca diger analizler ROOT THistogram ile grafiklendirilmişitir. Bu tezdeki ana amaç hadron ileri kalorimetreye takilacak olan bu yeni foton çoğaltıcıların kazanclarını hesaplayıp belirlenen yüksek, düşük ve orta kazanç kategorilerine göre sıralanmasıdır.