Cern Large Hadron Collider Compact Muon Solenoid Hadronic Calorimeter Upgrade Works

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2016Günümüzden yaklaşık 13,8 milyar yıl önce Büyük Patlamayla başlayan parçacıkların serüveni günümüz fizikçilerinin en merak ettiği konulardan biridir. Büyük Patlamayla oluşan parçacık ve karşı-parçacıklar büyük oranda birbirleriyle etkileşime girerek yok olmuşlardır. Fakat eşit miktarda oluşması beklenen parçacık ve karşı-parçacıklar, parçacıklar lehine yaklaşık \%5 oranında kendiliğinden bozulmuştur. Parçacıkların günümüze doğru devam eden serüvenine yaklaşık 160.000 yıl önce dahil olan homo sapiensler, parçacıklar evrenini keşfetmeye başlamışlardır. M.Ö. 4. yüzyılda Demokritos, maddenin parçalanamayan küçük parçacıklardan yani atomlardan oluştuğu fikrini ortaya atmıştır. Fakat atomun gözlenmesi 19. yüzyılın sonuna kadar mümkün olmamıştır. 1897'de J. J. Thomson'ın elektronu keşfiyle başlayan parçacık fiziği serüveni hızlı bir şekilde seyir almıştır. 1911'de Rutherford'un atom modeli ve bulut odasının keşfiyle birlikte yeni parçacıklar gözlenmeye ve gözlem teknikleri gelişmeye başlamıştır. Atmosferimize çarparak yeryüzüne ulaşan kozmik ışınlarda düşük kütleli parçacıklar gözlenmeye başlandı. 1950'lere gelindiğinde kozmik ışınların enerjisinin düşük olmasından dolayı yeni parçacıklar gözlenmemeye başlandı. Bilim topluluğu bu duruma hızlandırıcılar icat ederek çözüm buldu. Bu sayede parçacıklara elektrik alan altında enerji kazandırılıp hedefe çarptırılarak yüksek kütleli parçacıkların da gözlenmesi sağlandı. 1950'lerin sonunda Avrupa'da İkinci Dünya Savaşı sonrası sadece hayatlar değil, bilim de durma noktasına gelmişti. Bu sebeple 1952 yılında aralarında Werner Heisenberg gibi Nobel ödülü sahibi bilim insanlarının da bulunduğu bir konsey toplandı. Konseyin toplantıları sonucu 1954 yılında İsviçre'nin Cenevre kenti yakınlarında Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN) kuruldu. CERN hızlandırıcı dünyasına Eş Zamanlı Siklotron (SC) ve Proton Eş Zamanlayıcısıyla (PS) birlikte hızlı bir giriş yaptı. SC, 1957 yılında pion parçacığının elektrona bozunumunu gözleyerek vektör - aksiyal vektör (V-A) kuramını doğruladı. Bu keşifle birlikte CERN yıllar içinde yeni hızlandırıcılar yapmaya devam etti. 1976 yılında Süper Proton Eş Zamanlayıcısı (SPS) tamamlandı. Bu eş zamanlayıcı, protonları 450 GeV enerjisine kadar hızlandırabilmektedir. 1983 yılında proton karşı-proton çarpıştırıcısı çalışmaya başladı ve UA1 deneyinde W± veZ0 bozonları keşfedildi. 1989 yılına gelindiğinde 27 kilometre uzunluğundaki Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı (LEP) hayata geçti. Elektron ve pozitronları çarpıştıran bu hızlandırıcı, 200 GeV enerjisine ulaşabiliyordu. 2000'li yılların başında, CERN'de dünya çapında ses getirecek olan yeni bir proje başladı. Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı, Büyük Hadron Çarpıştırıcısıyla (LHC) değiştirildi. 2010 yılında çarpışmalara başlanan LHC'de 4 büyük algıç bulunmaktadır. Bunlardan ikisi genel amaçlı algıçlar olmak üzere Toroidal Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Aparatı (ATLAS) ve Kompakt Muon Solenoididir (CMS). Diğer ikisi belirli amaçlar için tasarlanmış olan Büyük İyon Çarpıştırma (ALICE) ve Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Alt Kuark (LHCb) deneyleridir. CMS deneyi 2012 yılında ATLAS'la birlikte Higgs bozonunu keşfetmiştir. Fakat yerin 100 metre altındaki mağaralarda bulunan bu algıçlar oluşan yoğun radyasyondan dolayı etkilenmektedirler. Algıçların elektronik parçaları ve parçacık tespitini sağlayan mekanik parçaları radyasyondan zarar görmelerinden bağımsız olarak algıçlarda yükseltme işlemleri de gerekmektedir. Yeni parçacıklar keşfedildikçe, daha yüksek kütleli parçacıkların gözlenmesi için daha yüksek ışınlıklı ve daha yüksek enerjili çarpışmalar yapılması gerekmektedir. CMS algıcının hadron kalorimetresi, hadronların enerjisini soğurarak ölçen bir alt algıçtır. Varil şeklinde olan hadronik varil (HB) ve varili iki taraftan kapatan hadronik kapak (HE) kalorimetreleri vardır. Solenoid magnetin hemen dışında varil seklinde bir hadronik dış kalorimetresi (HO) vardır. İleri bölgede yüksek enerjili jetleri ve kayıp enine enerjiyi ölçen ileri hadron kalorimetreleri (HF) vardır. HE kalorimetresinin parçacık etkileşiminde foton oluşturan sintilatörleri, yüksek ışınlıklı LHC (HL-LHC) denilen 2020'de başlayacak olan yeni LHC dönemindeki radyasyona karşı dayanıklı olacak şekilde tasarlanmamıştır. Bu sebeple 4 farklı enstitünün önerdiği sintilatörlerden biriyle değiştirilmesi gerekmektedir. Önerilen sintilatörler 2015 yılı içerisinde CMS üzerinde CASTOR boşluğunda demet hattının birkaç cm yakınında radyasyona maruz bırakılmıştır. Sintilatörler CASTOR boşluğuna yerleştirilmeden önce mart ayında ölçümleri alınmıştır. Daha sonra haziran, eylül ve aralıktaki teknik aralarda tekrar yüzeye çıkarılıp ölçümleri yapılmıştır. İlk yapılan ölçümü referans kabul ederek sonraki ölçümlerde sintilatörün radyasyondan ne kadar zarar gördüğü ölçülmeye çalışılmıştır. Ölçümler ışığı izole etmek için siyah bir kutu içinde silikon foto çoğaltıcı kullanılarak yapılmıştır. Silikon foto çoğaltıcıların kazançları kutuplama gerilimine ve sıcaklığa bağlıdır. Sintilatörler beta kaynağı olan ve radyoaktivitesi bilinen Sr-90 elementine maruz bırakılmıştır. Foto çoğaltıcıdan okunan akım değeri radyasyon kaynağının sintilatörde oluşturabileceği foton sayısıyla ilişkilidir. Bu sebeple veriler kutuplama gerilimine karşılık foto çoğaltıcıdan okunan akımın yer aldığı akım-gerilim grafiğidir. Foto çoğaltıcıların çalışma gerilim aralığını tespit etmek için ROOT yazılım programı aracılığıyla bu grafiğin sayısal türevi alınarak ilgili akım değerine bölünmüştür. Yeni grafikte iki tane tepe oluşur. İlk tepe çöküm gerilimi (BDV), ikinci tepe Geiger modudur. Geiger modundan sonra kaçak akımla karanlık akım ayrıştırılamaz. Çalışma aralığı bu iki tepe arasındadır. Belirli bir ∆V gerilimi, her ölçüm için Gaussyen uydurmasıyla ayrı ayrı hesaplanmış olan çöküm geriliminin üzerine eklenmiştir. Bu sayede foto çoğaltıcının kazancını etkileyen sıcaklık ve kutuplama gerilimi etkileri ortadan kaldırılmış olur. Her bağımsız ölçüm için ayrı ayrı elde edilen BDV+∆V gerilimlerine karşılık gelen akımlar kıyaslanarak radyasyon hasarı belirlenmeye çalışılmıştır. Mart ayında yapılan tekrarlanabilirlik ölçümlerine göre deney düzeneği yaklaşık \%5 civarında sistematik hataya sahiptir. Ayrıca ölçümler 50 mV aralıklarla alınmıştır ve çalışma gerilimi aralığında iki komşu gerilim değerine karşı gelen akımlar arasında \%10 fark vardır. Çöküm geriliminin iki komşu gerilimin tam ortasına gelmesi durumunda (yani çöküm geriliminin iki komşu gerilimden 25 mV uzakta olması durumunda) \%5 mertebesinde istatistiksel hata mevcuttur. Her ne kadar istatistiksel hata, kübik iç-kestirimle azaltılmışsa da sistematik hata hâlâ kabul edilemez seviyededir. Bunun yansıra ölçümler yapılırken fiber kablo yetersizliği yüzünden aynı fiber kablo çeşitli sintilatörlere yerleştirilmiştir. Bu durum, fiber kabloya zarar vererek ileteceği ışık miktarını etkilemiştir. Bu koşullar altında deney sonuçları beklenildiği üzere çok sağlıklı olmamıştır. Ölçümler arasındaki oranların 0 ile 1 arasında olması ve zamanla azalması beklenirken, bazı oranlar 1'den büyük bazıları eksi, bazı oranlar da zaman içinde artmıştır. Mevcut deney düzeneğinin verimli sonuç vermemesinden dolayı radyasyona maruz bırakma ölçümleri hadron kalorimetresinin veri alma sistemi kullanılarak daha stabil bir şekilde algıç üzerinden alınacaktır. Bu sayede tüm çevresel etkiler en aza inecek ve çok daha verimli veri alma sisteminin yanı sıra yeni algoritmalar sayesinde sistematik ve istatistik hatalar en aza inecektir. Yeni deney sistemi için çalışmalar nisan 2016 itibariyle devam etmektedir. Bunların yanı sıra uzun yükseltme 1 (LS1), döneminde ileri hadron kalorimetresinin foto çoğaltıcı tüpleri daha fazla foton üreten yeni foto çoğaltıcılarla değiştirilmiştir. Yeni foto çoğaltıcı tüpler birbirinin aynısı olsa bile çevresel faktörlerden dolayı her birinin kalibre edilmesi gerekmektedir. Bu sebeple 2014 yılı içerisinde HF'nin her iki sektörü için Co-60 kaynağıyla veri alınmıştır. Bu veriler her tüpe teker teker radyoaktif kaynak sokularak tüm fiber boyunca alınmıştır. CMSSW yazılım paketi aracılığıyla kaynak, ilgili tüpteyken ve ilgili tüpten uzaktayken olmak üzere iki farklı analiz yapılmıştır. Kaynak, tüpteyken alınan veriye sinyal; kaynak, uzaktayken alınan veri ardalandır. Veriler analog-dijital dönüştürücü (ADC) aracılığıyla alınır. Veri, farklı ağırlıklara sahip olacak şekilde 32'ye bölünmüş olarak bir histograma kaydedilir. Her bir kutunun Coulomb cinsinden bir değeri vardır. Bu sinyaller hesaplanırken, her bir olay histogramının sol tarafında yer alan tepenin orta noktasına karşılık gelen yük ilgili sinyalden çıkarılmıştır. Bu tepe, kapasitörlerin oluşturduğu pedestal denen yüklerdir. Bu şekilde hem ardalan hem de sinyal hesaplanmıştır. Daha sonra ardalan sinyali, sinyalden çıkarılarak arkaplandaki gürültüden kurtulunmuştur. Elde edilen yüklere geometrik düzeltme uygulanmıştır. HF kalorimetresinin hücre büyüklükleri birbirinden farklı olduğu için hücrelerde soğrulan enerji miktarları farklı olacaktır. Bu geometrik düzeltme katsayıları Geant4 benzetim programıyla belirlenmiştir. Her bir foto çoğaltıcı tüp için okunan değer foto çoğaltıcıların üreticisi Hamamatsu firmasının kitapçığında yazan 2,6 ile çarpılarak femto-Coulomb (fC) cinsinden yükler olarak hesaplanmıştır. Daha sonra son düzeltme, yük (fC) cinsinden enerjiye (GeV) olan dönüşümdür. Bu dönüşüm için hadronik ve elektromanyetik tüplerde farklı enerji katsayıları kullanılmıştır. Sonuç olarak yeni foto çoğaltıcıların kalibrasyon katsayıları hesaplanmıştır. Bu katsayılarla foto çoğaltıcılarda indüklenen elektrik yükü, enerjiye dönüştütülebilmektedir. Bu sayede foto çoğaltıcı tarafından tespit edilen parçacığın enerjisi ölçülebilmektedir. Katsayılar yeni analizlerde kullanılması için veri tabanına kaydedilmiştir. Aynı veriler 2016 yılında da alınmıştır ve yeni verilerin analizi de 2016 yılı içindeki hedeflerden biridir. Yeni kalibrasyon katsayıları, yeni veri alım dönemindeki çarpışma analizlerde kullanılacaktır. Bu işlerin yanı sıra 2016 yılı içerisinde devam eden çevrimiçi yazılım, HF fiberleri radyasyon hasarı izleme görevleri devam etmektedir. Çevrimiçi yazılım yükseltme görevi, yeni nesil veri okuma modüllerinden veri alınmasını sağlayan yazılım paketinin geliştirilmesini içermektedir. Adı ngRBXManager olan yazılım paketi, yeni nesil zamanlama kontrol modülüyle (ngCCM) haberleşerek algıcın elektroniğinden verilerin alınmasını sağlayan pakettir. Bu pakette hangi yükseltmelerin yapılacağını belirlemek de görevin bir parçasıdır. HF kalorimetresi radyasyon hasarı izleme görevi, sürekli olarak algıç üzerinden alınan verilerle kalorimetrede yer alan fiber kabloların hasarını belirlemek içindir. Veriler lazer aracılığıyla özel hazırlanmış 56 HF kanalından alınır. Bu veriler CMSSW yazılım paketi aracılığıyla analiz edilerek zaman içerisinde radyasyon hasarı izlenmektedir. HF çalıştığı sürece radyasyon hasarı olacağından dolayı bu görev dönemlik değil, sürekli yapılması gereken bir iştir.The Large Hadron Collider (LHC) and its detectors have become the most discussed scientific device around the world with its discoveries. Starting from 2000s, LHC project became real in March 2010, the first successful collision. Just in 2 years, LHC discovered Higgs boson on July 4, 2012. LHC houses 4 big experiments, Compact Muon Solenoid (CMS), A Toroidal Large Hadron Collider ApparatuS (ATLAS), A Large Ion Collider Experiment (ALICE) and Large Hadron Collider beauty (LHCb). CMS is the heaviest and one of general purpose detector of LHC. CMS has hadronic calorimeter (HCAL) to measure and identify hadrons. HCAL consists of hadronic barrel (HB), hadronic outer (HO), hadronic endcap (HE) and hadronic forward (HF) calorimeters. Material of these detectors will be damaged due to increasing integrated radiation for high luminosity of LHC. For that reason, material of subsystems needs to be replaced by stronger ones. For example, hadronic endcap scintillators will be highly damaged by luminosity of High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC), new phase of LHC starting from 2023. For replacement, 4 different institutes have proposed new scintillators. Irradiation test of these scintillators were done with a dark box, silicon photomultiplier (SiPM) and a readout system in 2015. Measurements were taken in March, June, September and December 2015. In order to understand how much these scintillators will be damaged by radiation, installation box of scintillators were irradiated by installing few cm close to the beam pipe inside the CMS detector –to Centauro And Strange Object Research (CASTOR) table. After taking derivatives of measurement data under different conditions, breakdown voltage (BDV) of SiPMs were calculated in ROOT software package. Adding a specific voltage to BDV, currents were compared to observe radiation damage in scintillators. Due to systematical and statistical errors in previous measurements setup new measurements will be taken via HCAL data acquisition (DAQ) system for reliable results. Work are still continue as of April 2016. In long shutdown 1 (LS1) photomultiplier tubes (PMT) of HF calorimeters were replaced by new ones. To calibrate new PMTs, sourcing data were taken with Co-60 radioactive source, and analysis were done in CMSSW. Applying several corrections and conversions, calibration coefficients of individual PMTs were calculated. New source data were taken in 2016 and analysis of new data were scheduled later this year. Alongside these tasks, there are several ongoing tasks such as HF radiation damage monitoring and online software development. HF-fiber radiation damage monitoring involves local radiation damage data in CMMSW and monitor radiation damage in time. Online software includes developing and upgrading new generation readout box manager (ngRBXManager). This software will operate to take data from readout boxes via new generation clock control module (ngCCM).Yüksek LisansM.Sc