Simulation of four anode photomultipliers for the CMS forward hadron calorimeter
CMS ileri hadron kalorimetresi için dört anotlu fotoçoğaltıcı simülasyonu
- Tez No: 349630
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KEREM CANKOÇAK, DR. TAYLAN YETKİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 73
Özet
Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi(CERN)'de bulunan Büyük HadronÇarpıştırıcısı(LHC) dünyanın en büyük parçacık çarpıştırıcısıdır. Parçacık demetleri birbirlerine ters yönde dairesel olarak hızlandırılıp detektörlerin içinde çarpıştırılmaktadır.LHC'de dört büyük detektör ve deney yer almaktadır. Bunlardan ATLAS ve CMS tüm fizik konularını araştırırken,ALICE deneyi kuark-gluon plasmayı, LHCb ise b-kuark hakkında araştırma yapmaktadır.Bu deneylerden CMS ve onun hadron kalorimetresi bu tez çalışmasının üzerine yapıldığı kısımlardır.CMS detektörü parçacıkların konumunu saptayan bir iz sürücü, elektromanyetik etkileşimleri ölçen bir elektromanyetik kalorimetre,hadronik etkileşimleri ölçen bir hadronik kalorimetre ve müonları saptamak içinyapılan ve detektöre de ismini veren müon odalarından oluşmaktadır. Bütün parçalarıyla CMS hermetik bir detektör olup her bölgeden gelen parçacıkları saptayabilmektedir.İz sürücü silikon piksel ve şerit detektörlerden oluşmakta olup, çarpışmanoktasından sadece 4.4 cm uzaklıkta bulunmaktadır. İz sürücüler parçacıklarınçarpışma verteksinden dağıldıkları yolları saptayarak, parçacıklarınçarpışma sonrası yörüngelerinin belirlenmesinde kullanılmaktadır.Elektromanyetik kalorimetre, iz sürücünün dışında bulunmaktadır veelektromanyetik olarak etkileşen parçacıkların enerjilerini bıraktıklarıbölgedir. Aynı şekilde elektromanyetik kalorimetrenin dışında, hadronikkalorimetre vardır ve bu kalorimetrede hadronik parçacıkların enerjilerinidetektörde bıraktıkları yerdir. Bu iki kalorimetrenin de merkezde ve yanlarda,çarpışma noktasının her iki tarafında parçaları vardır. Ek olarak hadronikkalorimetrenin, ileri bölge olarak tanımlanan, çarpışma noktasından 11.2 mötede de bir parçası vardır.İz sürücü, elektromanyetik kalorimetre ve hadronik kalorimetre CMS'inmıknatısının içinde yer almaktadır. Bu mıknatıs dünyadaki en büyük mıknatısolup 4.8 T büyüklüğünde manyetik alan yaratabilmektedir.Müon odaları ise CMS mıknatısının dışından başlamaktadır. Bu parçacının tasarımamacı zor etkileşime giren müonları ölçmek olduğu için, kabuledilebilir ölçülerde, müonların etkileşimini maksimuma çıkarmak amacıylaolabildiğince büyük hazırlanmıştır.CMS'in genel fizik amacı Higgs bozonunun var olup olmadığını araştırmaktadır. Bu parçacık maddenin nasıl kütle kazandığı sorusuna açıklama getirmek için gereklidir.Bu keşif ayrıca Standart Modelinde doğru olup olmadığı konusunda bilgi verecektir. Bu parçacık haricinde CMS'de süpersimetri, ekstra boyutlar ve daha pek çokstandart model ötesi modellerin testleri ve bu modellere ait parçacıların bulunmalarına yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Ayrıca alınan verilerle Standart Modelin dahakesin sonuçlarla tekrar doğrulanması da önemlidir.Bütün bu analizler ve veri alımı işlemlerinin aksamadan yapılabilmesi içinCERN'in ve CMS'in yeterli bir bilgisayar ağı altyapısına sahip olmasıgerekmektedir. Bu konuda CERN, hem kendi içinde hem de dışarıdan eriştiği büyükbir bilgisayar ağına sahiptir. Kullanıcılar bu ağdaki bilgisayarlara bağlanarakanalizlerini ve işlerini yapabilmektedirler. CMS içindeki işlerin yapılabilmesiiçinde CMSSSW adında bir yazılım paketi kullanılmaktadır. C++, Python ve Geant4 temelli olan bu yazılım, tezdeki analizlerin yapılması için kullanılmıştır.Türkiye'de dahil olmak üzere Dünya üzerinden pek çok ülkenin de katkıda bulunduğu LHC deneyive dahilindeki detektörler 2013 yılında bakım çalışmaları altına girecektir.Deneyin durakladığı bu evrede CMS detektörünün bazı kısımlarında çeşitliyenileme çalışmaları da olacaktır. Bu yenileme çalışmalarından biride İleriHadron Kalorimetresindeki(HF) foto çoğaltıcı tüplerin(Photomultiplier tube)değiştirilmesidir. Eski foto çoğaltıcıların sahip olduğu sorunlar ve verimkaygıları, yeni bir foto çoğaltıcı arayışını doğurmuştur. Yeni foto çoğaltıcılarıntakılması ile CMS deneyinin fizikanalizlerinde iyileşme sağlaması beklenmektedir.İleri Hadron Kalorimetresi çarpışma noktasından 11.2 m ötesinde bulunan ve ileri bölgeye gelen jetlerin ve parçacıkların enerjilerini kaybettikleri kalorimetredir. CMS detektörünün simetrik şekilde iki tarafında birer disk şekilinde bulunan HF + ve HF - detektörlerinin her biri pasta dilimi şekilinde, 20 dereceye eşdeğer 18 parçadan oluşurlar. HF bir kuartz fiber kalorimetresidir vegelen parçacıkların detektörde oluşturdukları duşlardan gelen parçacıkların, detektör içindeki fiberlerde Cherenkov radyasyonu oluşturmasıyla çalışır. Fiberlerde üretilen fotonlardan bir fotoçoğaltıcı tüp vasıtasıyla foto-elektronlarüretilir. Üretilen foto-elektronlar ışık toplayıcılarıyla elektronik okuma ünitelerine transfer edilirler ve burdan bir sinyal okunur. Her bir elektronik okuma ünitesi kutusunda 24 tane fotoçoğaltıcı bulunur. Fotoçoğaltıcıların 2 HF'te iki uzun ve kısa olmak üzere iki tip fiber vardır. Farklı iki fiberden gelen sinyallerinkarşılaştırılması ile parçacıkların hadronik veya elektromanyetik etkileşen parçacıklar oldukları saptanabilir. Elektromanyetik parçacıklar kolay etkileşime girdiklerinden detektörün tüm boyunu giden uzun fiberlerde sinyal verirler. Öte yandan hadronik parçacıklar daha geç etkileşmeye başlarlar, böylelikle hem uzun fiberlerde hem de detektörün ön tarafından 22 cm sonra başlayan kısa fiberlerde sinyal verirler.Şu an HF detektöründe kullanılan foto çoğaltıcılar Hamamatsu'nun R7525modelidir. Bu modelde borosilikat cam ve bialkali katot tipi kullanılmıştır.Bu cihazlar cama çarpma olaylarına maruz kalmaktadırlar. Cama çarpmaolayları gelen parçacıkların foto çoğaltıcının camında Cherenkov radyasyonuyaymaları ve detektörde sahte bir sinyal oluşturması demektir. Önerilen yeniHamamatsu R7600U-200-M4 foto çoğaltıcılarda borosilikat cam ve ultrabialkalikatot bulunmaktadır. Bu foto çoğaltıcılarının cam bölgesi daha inceolduğundan dolayı, bir parçacık cama çarpıp Cherenkov radyasyonu yarattığındadaha az sinyal verecektir ve dolayısıyla bu sahte sinyaller azalacaktır. Ayrıcayeni foto çoğaltıcılar daha korunaklı dış yapıları sayesinde başka parçacıklarlaolan etkileşimlerini de azaltacaklardır.Bahsedilen tarzda istenmeyen sinyallerinkesilmesi haricinde yeni foto çoğaltıcıların yüksek kuantum verimleri ve çokanotlu olmaları sebebiyle enerji çözünürlüğünde de bir iyileşme sağlanacaktır.Dört anotlu bu foto çoğaltıcılar, eskilerin aksine dört farklı kanaldan sinyalverebilmektedir. Bir olayda sinyalin hangi çıkışlardan geldiği takip edilmesive bu konuda seçimler yapan algoritmalar yazılması, olay seçiminde deiyileşmelere neden olacaktır.Çalışır halde bulunan sistemin yeni çok anotlu foto çoğaltıcılarla göreayarlanması önem arz etmektedir. Tek anotlu olan eski foto çoğaltıcılara nazaranyenifoto çoğaltıcıldan alınan sinyalin de okunması eskifoto çoğaltıcılara göre farklılık gösterecektir. Bu farklı okuma tarzı ve yenifoto çoğaltıcının özellikleri CMS yeniden yapılandırma yazılımında(CMSSW)tanımlanmalıdır. Sonrasında ise yeni foto çoğaltıcı ile ilgili simülasyonlaryapılmalıdır.Yeni foto çoğaltıcıların kuantum verimlerini(Quantum efficiency) tarif edenfonksiyon parametrize edilmiş, foto çoğaltıcının çalışma dalga boyundakiaralıklara göre bölünmüş ve CMSSW sisteminde HF detektöründeki Cherenkovradyasyonu hesaplamalarıyla ilgili parçacının içine yerleştirilmiştir. Buaşamadaortaya çıkan, yeni bir yazılım sürümü kullanmakla alakalı hatalar vefoto çoğaltıcı geometrisinin Geant4'de yanlış tanımlanmış olmasındankaynaklanan sorunlar giderilmiştir.HF ve foto çoğaltıcı simülasyonu için farklı seçenekler vardır. Bunlarsırasıyla tam Geant4 simülasyonu yapmak, HF GFlash yöntemini kullanmak yadaShower Library metodunu kullanmaktır. Tam Geant4 simülasyonu yapmak çokzahmetli ve HF GFlash yöntemi de gene başka yollarla elde edilecekparametrizasyon verilerine bağımlı olduğu sebebiyle, yeni foto çoğaltıcılarınsimülasyonlarının yapılabilmesi için Shower Librarymetodu seçilmiştir.Shower Library kalorimetrede oluşan hadronik ve elektromanyetik duşların dahakolay simüle edilebilmesi için hazırlanmış bir yöntemdir. Farklı enerjilerdekifarklı parçacıkların oluşturdukları duşların verileri üretilerek ShowerLibrary adı altında bir elektronik kütüphane dosyasında saklanır. Böylelikledaha sonra bir duş simüle edilmesi gerektiği zaman, sistem Shower Library'eerişerek daha kısa ve daha verimli bir şekilde, neler olacağını söyleyebilir. Buişlem hız ve güç kazanımı yanında, bir seçenekten başka bir seçeneğe geçmeişlemini de kolaylaştırmaktadır. Foto çoğaltıcıların değişmesi durumunda farklıfoto çoğaltıcılar için yazılmış kütüphaneler kullanılarak ana programlarıdeğiştirmeden sonuç alınabilinir.Bu çalışma için eski Shower Library formatına uyularak yeni Shower Librarybaştan yaratılmıştır. Eski şablonun takip edilmesi program içinde uyumluluksağlaması düşücesiyle kararlaştırılmıştır. Bu esnada eskiden yaratılmış olanShower Library'nin çok eski bir CMSSW sürümü ile yaratılmış olmasından kaynaklısorunlarda giderilmiştir. Yeni CMSSW sürümleri için uyumlu olarak yazılanprogram, başka kullanıcılarında bu metodu kullanmak isteyebilecekleri gözönüne alınarak hazırlanmıştır.Eski ve yeni Shower Library arasındaki farkların gösterilmesi amacıyla sonuçlarhazırlanmıştır. İlk etapta yapılan değişikliklerin, eski sonuçları tekraredip edemediği test edilmek istenmiştir. Shower Library metodugeliştirildiğinde eski foto çoğaltıcılar için hazırlanan Shower Library sonuçlarıalınmış ve gene eski foto çoğaltıcılar için yeni CMSSW sürümü ve yeni ShowerLibrary kodu kullanılarak elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Eldeedilen sonuçlarda uyum görülmüş, daha düşük bir hata ile simülasyonunyapılabilmesi için daha fazla simülasyon verisine ihtiyaç duyulduğugösterilmiştir. Daha sonra yeni foto çoğaltıcılar için sonuçlar çıkarılmış,yüksek kuantum veriminden dolayı oluşan daha fazla foto-elektron sayısıgözlenmiştir.Gelecek çalışmalar için yeni foto çoğaltıcıların fizik analizlerinegetirebileceği etkiler tartışılmıştır. Foto çoğaltıcıların vefoto çoğaltıcıların okunma şekillerinin değişmesi fizikanalizlerinde iyileşme yada kötüleşmeye sebep olacaktır. Bu etki çok küçük birdeğişime sebebiyet vereceğinden, hassas ölçümün önemli olduğu ve Standart Modelardalanlarının etkisinin büyük olduğu çeşitli Standart Model ötesi fizikçalışmalarında önemli olacaktır.
Özet (Çeviri)
Large Hadron Collider located in CERN is the world's biggestparticle collider. Main design purpose of the LHC is toaccelerate protons and collide them at the scale of TeV center of mass energy sothat it allows physicist to study new physics beyond Standard Model predictionsat that scale. LHC houses four big experiments and detectors. From thesedetectors ATLAS and CMS are general purpose experiments, ALICE is for studyingquark-gluon plasma and LHCb is for studying b meson physics.The detectors in the experiment will go through a maintenance in 2013. Someparts of the CMS(Compact Muon Selenoid) detector will be upgraded in this period.One of the changes that going to happen will be the PMTs of Hadronic ForwardCalorimeter. The improvement will be achieved with this upgrade will help thedata analysis for the physics processes that looked in the experiment.Currently used PMTs are Hamamatsu R7525 models. This PMT has a borosilicatewindow and a bialkali cathode. It is very susceptible to the window hit events,where a coming particle made Cherenkov radiation in the PMTs window, resultingin anomalous events. Proposed new Hamamatsu R7600U-200-M4 PMTs hoped todecrease this anomalous events and make the energy resolution better. The newPMThas a borosilicate window and an ultra bialkali cathode. It has a thinnerwindow that decreases the number of window hit events.It is essential to make necessary adjustments for the used methods, for the newPMTs. Since the new PMT has four anodes, the readout scheme for it will bedifferent than the old PMT, that has one anode. The different readout and thecharacterization of new PMTs must be represented in the CMS reconstructionsoftware and the new PMTs must be simulated.The new PMTs quantum efficiency function is generated and placed in the CMSreconstruction software. Problems related to the new version of the softwareand the misconfiguration of PMT geometry is solved.For the simulation of HF PMT's, there are several options available. From theavailable methods, the HF Shower Library method was chosen to simulate HFPMTs. Shower Library contains the information about the created showers for different particles hitting the HF detector.These information then used when similar situation occurs, instead of doing a full simulation. Shower Libraryis created according to the existing Shower Library's template for the sake ofcompatibility.A comparison between the old Shower Library and new Shower Library has beenmade. The differences were represented and explained. For future studies, thepossible contribution of new PMTs to the physics analysis was discussed.
Benzer Tezler
- Lityum iyon batarya paketi tasarımı ve termal kaçak simülasyonu
Lithium-ion battery pack design and thermal propogation simulation
ESER BERK YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ
- Katodik koruma sistemleri için 4 bölgeli doğrultucu tasarlanması
Design of four-quadrant rectifier for cathodic protection systems
MEHMET AKİF ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Mühendislik BilimleriGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET TİMUR AYDEMİR
- Akış kanalı içerisindeki engelleyici blokların proton aktaran membran yakıt hücresi karakteristiklerine etkisi
The effect of baffle blocks in flow channel to proton exchange membrane fuel cell characteristics
HÜLYA ÖZTOPRAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ATİLLA BIYIKOĞLU
- Experimental and theoretical evaluation of hydrogen production via PV-assisted alkaline electrolysis
Hidrojen üretiminin PV destekli alkalin elektrolizi ile deneysel ve teorik değerlendirilmesi
HÜSEYİN NAZLIGÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAdana Alparslan Türkeş Bilim Ve Teknoloji ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAŞAK DOĞRU MERT
- PEM tipi yakıt hücrelerinde ısı ve su yönetiminin modellenmesi
Modelling heat and water management in PEM fuel cell
ELİF EKER
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İMDAT TAYMAZ