Geri Dön

Understanding of polarization and spin correlation of top quark pairs for precision measurements and new physics searches

Hassaslık ölçümleri ve yeni fizik araştırmaları için üst kuark çiftlerinin polarizasyonu ve spin korelasyonunun anlaşılması

PDF İndir

  1. Tez No: 682991
  2. Yazar: ORÇUN KOLAY
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUAMMER ALTAN ÇAKIR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 101

Özet

İnsanlık doğayı daha iyi anlayabilmek için tarih boyunca çeşitli teoriler geliştirmiştir. Bu teoriler çağlar boyunca yapılan gözlemler ve matematiksel metotların gelişmesiyle üzerine koyularak günümüzdeki halini almıştır. Günlük dilimizde bile yer edinmiş atom kavramı çok eski zamanlara dayanmaktadır. Atomların ve atomların oluşturduğu karmaşık yapıların anlaşılmasından pek çok bilim dalı doğmuş olup bunların sonucunda da teknoloji müthiş bir ivmeyle gelişim göstermiştir. Son gelinen noktada atomik ölçeklerin de altında deneyler yapmak olağan bir durum olmuştur. Özellikle 20. yüzyılda kuantum devrimiyle birlikte atomun ve onu oluşturan bileşenlerin daha iyi anlaşılması yeni bir çağın başlangıcı olmuştur. P. A. M. Dirac'ın göreceli kuantum teorisi'nde bahsettiği pozitif yüklü elektronların olabileceği fikri parçacık fiziğinin en önemli yapı taşlarından olmuştur. Bununla birlikte bir çok yeni atom altı parçacık keşfedilmiş ve bunların kütle çekim, elektromanyetik, zayıf ve güçlü yeğin kuvvet olmak üzere farklı etkileşimlerde bulundukları anlaşılmıştır. Fizikçiler tüm bu karmaşıklığı Standart Model adı verilen bir teoride anlaşılır kılmaya çalışmışlardır. Standart Model, kütle çekim dışında üç etkileşimi diğer bütün temel parçacıklarla birlikte tanımlayan güçlü bir teoridir. Şimdiye kadar bir çok deneyde test edilmiş ve öngörülerinde başarılı olmuştur. Bu deneylerin en gelişmiş olanı İsviçre'nin Cenevre kentinde bulunan Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi'ndeki (CERN) Büyük Hadron Çarpıştırıcısıdır (Large Hadron Collider-LHC). Kompozit bir parçacık olan protonları çok yüksek hızlarda çarpıştırarak Standart Model'in test edilmesine olanak sağlamaktadır. Son olarak Higgs bozonunu keşfederek Standart Model'in tamamlanmasında büyük bir rol oynamıştır. Standart Model, öngördüğü tüm parçacıklar bulunmuş olsa da her şeyi açıklayan bir teori değildir. Hiyerarşi problemi, karanlık madde, madde-karşıt madde asimetrisi, dört kuvvetin birleştirilememiş olması bu modelin çözüm getiremediği başlıca meselelerdir. Bu sorunları çözmek için fizikçiler Standart Model'in ötesinde başka teoriler geliştirmişlerdir. Bunların arasında, deneysel olarak herhangi bir kanıt olmamasına rağmen Süpersimetri (Supersymmetry-SUSY) en çok kabul gören teori olmuştur. Standart Model'de bulunan her bir bozon ve fermiyona bir süpersimetrik eşlikçi olduğundan bahsederek bozonlar ve fermiyonlar arasında bir simetri kurmaktadır. Bununla birlikte SUSY yukarıda bahsedilen problemlerin bir çoğuna çözüm getirmektedir. Bundan dolayı bir çok teori ve deney grubunun üzerinde çalıştığı bir modeldir. Yukarıda bahsedildiği gibi Standart Model'in öngördüğü tüm parçacıklar gözlemlenmiştir. Bu parçacıklar arasında en ağır kütleye sahip olan parçacık üst (top) kuarktır. Yaklaşık 172.5 GeV kütleye sahip olan üst kuark bir sonraki en ağır kuarktan bile yaklaşık 40 kat daha ağırdır. Bu da Standart Model'de açıklanmayan bir soru olarak durmaktadır. Üst kuarkın bu kadar fazla olan kütlesi onu Standart Model ötesi araştırmalarda önemli bir rol oynamasına neden olmaktadır. Üst kuarkın Yukawa bağlantısının bire yakın olması onu Higgs bozonu ile en çok etkileşime giren parçacık yapmaktadır. Ayrıca Higgs bozonu kütlesi üst kuark ile etkileşmesinden fazla miktarda kuantum düzeltmesi almaktadır. Tüm bunlar üst kuarkın Standart Model hassaslık ölçümlerinde önemli bir yer tutmasına neden olmaktadır. Yukarıda bahsedildiği gibi Standart Model bazı sorulara bir açıklama getirememesine rağmen özellikle LHC çerçevesinde yapılan bir çok deneyden başarıyla çıkmıştır. Ama bilinen bir gerçek var ki Standart Model evreni tamamen açıklayan bir teori değildir. Bu sebeple deneylerin Standart Model'den farkının gözlemlenmesi ve yeni teorilerin deney ile desteklenmesi için hassaslık ölçümlerine ihtiyaç vardır. Bu noktada bu tezde de ele alınacak olan üst kuark çiftlerinin spin korelasyon ve polarizasyonları önem kazanmaktadır. Sahip olduğu ağırlığı ve çok kısa olan ömründen dolayı çarpışma işlemlerinde meydana gelmiş olan üst kuarklar hadronize olamadan başka parçacıklara bozunmaktadır. Bu da hadronizasyondan gelen etmenlerden korunmuş olan üst kuarkın spin hizalanma bilgisini bozunduğu parçacıklara aktarmasına olanak tanımaktadır. Kısa ömürlerinde dolayı deneylerde üst kuarklar gözlemlenmeyip leptonlar ve hadronize olmuş kuarklar tespit edilmektedir. Son ürün olarak gözlemlenen bu parçacıklardan yola çıkarak üst kuarkın spin bilgisi hakkında yorum yapılabilmektedir. Protonların çarpışmasından gelen üst kuark çiftlerinin spin bilgisine yukarıda bahsedildiği gibi farklı parçacıklar yardımıyla ulaşılabilmektedir. Bu çalışmada iki üst kuarkın da lepton içeren bir bozunma gerçekleştirmesi durumu ele alınacaktır. Bunun sebepleri olarak her ne kadar tesir kesiti küçük olsa da hadronize olmuş kuarklara göre daha net momentum bilgisi elde edilmesi ve daha sonra bahsedilecek olan spin korelasyonu daha iyi aktarması gösterilebilir. Spin korelasyonun ve polarizasyonun matematiksel olarak modellenmesinde spin yoğunluk matrisinden faydalanılarak toplamda 22 tane gözlemlenebilir ile ilgilenilmiştir. Yüksek enerji fiziği hesaplamalarında Monte Carlo olay üreteçleri çok sık kullanılan araçlardır. Kuantum renk dinamiğinde (QCD) pertürbatif bölgede ilk ve ikinci en büyük katkıların olduğu Feynman diyagramlarının hesaplanmasında büyük rol oynamaktadırlar. Buradan hareketle parçacık çarpıştırma olaylarının benzeşimlerinin yapılması ve bu olaylardan çok yüksek miktarlarda elde edilmesinde kullanılmaktadırlar. Deneylerden elde edilecek verilerin nasıl karakteristiklerinin olacağı bu araçlar sayesinde önceden kestirim yapılarak bulunmaktadır. Ayrıca yeni fizik modelleri de bu araçlar sayesinde deney sonuçları ile kıyaslanabilmektedir. Çeşitli Monte Carlo olay üreteçleri olmakla birlikte bu çalışmada üç tanesi ele alınmaktadır: MadGraph5_aMC@NLO, Sherpa and Powheg box. Bunlara ek olarak benzeşim verisinin gerçeğe daha yakın olmasını sağlayan parton duşu tekniğin de Pythia ile sağlanmaktadır. Bu tez, yukarıda bahsedilen üst kuark çiftlerinin spin korelasyon ve polarizasyon gözlemlenebilirlerinin farklı Monte Carlo olay üreteçleri yaklaşımları altında davranışlarını ele almaktadır. Monte Carlo olay üreteçleri yardımıyla QCD'de yüksek mertebelerin ve elektro-zayıf düzeltmelerin üst kuarkların spin korelasyonları üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Farklı Monte Carlo yapılandırmalarının spin yoğunluk matrisindeki her bir elemanın üzerindeki etkisi detaylı olarak ele alınmıştır. Tüm benzeşim sonuçları CMS grubunun deney sonuçları ile kıyaslanmıştır. Farklı Monte Carlo olay üreteçlerinin üst kuark spin korelasyon gözlemlenebilirleri açısından farklılıklarının ortaya çıkarılmasına ek olarak ATLAS ve CMS başta olmak üzere çeşitli grupların üzerinde çalıştığı Standart Model ötesi modellerin bu gözlemlenebilirler ile testi gerçekleştirilmiştir. Bu tezde sözü geçen çarpışma olayları üst kuarkın süper partneri olan s-üst (stop) kuark çiftinin bir üst kuarka ve bir de neutralino'ya bozunması ve üst kuark çiftiyle ilişkili karanlık madde üretimidir. Bu modeller şimdiye kadar bir çok grup tarafından çalışılmıştır. Bu çalışmalar kısmen daha kolay üzerinde çalışılabilen yüksek kayıp enerji bölgelerinde yapılmış olup herhangi bir s-üst kuark ya da karanlık madde izine rastlanmamıştır. Son dönemde düşük kayıp enerji bölgelerinde çalışmalar yoğunlaşmış olup Standart Model ötesi bir parçacık izine rastlanmamasına rağmen bu bölge hala gizemini korumaktadır. Tez kapsamında, yukarıda bahsedilen modellerin düşük kayıp enerjili bölgelerinde spin korelasyon ve polarizasyon gözlemlenebilirleri ile hassaslık ölçümlerine farklı Monte Carlo tahminleri aracılığıyla katkı sağlamak amaçlanmıştır. Bu modellerde düşük kayıp enerji bölgesine bakmak için SUSY örneklerinde s-üst (stop) ve neutralino kütleleri arasındaki farkın üst kuarktan biraz büyük, karanlık madde örneklerinde ise karanlık madde parçacıklarının oluşmasına aracılık eden parçacığın kütlesinin görece küçük olması senaryo olarak seçilmiştir. Ayrıca ayrık bir simetri olan R-Parity'nin korunmaması durumundaki SUSY örneği de çalışmaya dahil edilmiştir. Tez şu şekilde yapılandırılmıştır: Bölüm 1'de Standart Model'e kısa bir giriş yapılmıştır. Standart Model'deki problemler ve bunların çözümü için geliştirilen teorilerden bahsedilmiş olup Büyük Hadron Çarpıştırıcısı tanıtılmıştır. Bu çalışmada kullanılan Monte Carlo olay üreteçleri ve bir çarpışma olayının hangi aşamalardan geçilerek benzeşim yapıldığı Bölüm 2'de anlatılmıştır. Bölüm 3'te, çalışmada kullanılan analiz yöntemi ve Monte Carlo olay üreteçlerinde kullanılan örneklerin parametreleri detaylandırılmıştır. Ayrıca üst kuark çiftlerinde spin korelasyon ve polarizasyonun matematiksel olarak modellenmesi bu bölümde ele alınmıştır. Analizden elde edilen sonuçlar Bölüm 4'te ayrıntılı bir şekilde tartışılmıştır. Son olarak Bölüm 5'te analizden elde edilen çıktılar sonuçlandırılmış ve sonraki analizler için öneriler verilmiştir.

Özet (Çeviri)

The standard model (SM) is a powerful theory that describes the three interactions, except gravity, with all other elementary particles. It has been tested in many experiments so far and has been successful in its predictions. The most advanced of these experiments is the Large Hadron Collider (LHC) at the European Organization for Nuclear Research (CERN) in Geneva, Switzerland. The LHC played a major role in completing the Standard Model with the discovery of the Higgs boson. The SM is not a theory that explains everything, although all the particles it predicts have been found. The hierarchy problem, dark matter, matter-antimatter asymmetry, and the unification of the fundamental interactions are the main problems that this model is not able to answer and still need to be solved. To solve these problems, physicists have developed other theories beyond the standard model (BSM) such as Supersymmetry (SUSY). SUSY establishes a symmetry between bosons and fermions by mentioning that each boson and fermion in the SM has a supersymmetric partner. Thus, SUSY is a model that many theory and experimental groups work on due to bring a solution to some problems in the SM. As mentioned above, all particles predicted by the SM were observed. Among these particles, the particle with the heaviest mass is the top quark. With a mass of about 172.5 GeV, the top quark is about 40 times heavier than even the next heaviest quark. This remains an unexplained question in the SM. The massive mass of the top quark makes it play an important role in research beyond the standard model. The Yukawa coupling of the top quark is close to unity, making it the particle that interacts the most with the Higgs boson. Also, the Higgs boson mass gets a large level of quantum correction from its interaction with the top quark. All this causes the top quark to hold an important place in standard model precision measurements. Precision measurements are needed to observe the difference of experiments from the standard model predictions and to support new theories with experiments. At this point, spin correlation and polarization of top quark pairs, which will be discussed in this thesis, gain importance. Due to its weight and very short lifetime, the top quarks produced in collision processes decay into other particles before hadronization. This allows the top quark, which is preserved from the effects of hadronization, to transmit its spin alignment information to its decay products. Due to their short lifetimes, top quarks are not observed in experiments, but leptons and hadronized quarks are detected. Based on these particles observed as the final product, it is possible to have information about spin of the top quark. In this study, the case of two top quarks going into a full leptonic decay will be discussed. In the mathematical modeling of spin correlation and polarization, a total of 22 observables were dealt with by using the spin density matrix. Monte Carlo event generators are critical tools in high energy physics calculations. They play a major role in the leading and next to leading order calculations, in QCD, but also in the electroweak corrections. Based on a high level of calculation, studied with LHC data, these contributions allow for both the realistic simulation of top quark pairs precision measurements and the possible understanding of BSM signals. While there are various Monte Carlo event generators, this study covers three: MadGraph5_aMC@NLO, Sherpa and Powheg box. In addition, the parton shower technique, which makes predictions closer to reality, is also provided with Pythia. In this thesis, it will be examined the behavior of the spin correlation and polarization observables of the above-mentioned top quark pairs under different Monte Carlo event generator approaches. With the help of Monte Carlo event generators, the effects of high order in QCD and electroweak corrections on spin correlations of top quarks were investigated. The effect of different Monte Carlo configurations on each element in the spin density matrix is discussed in detail. All the simulation results were compared with the experimental results of the CMS group. The collision events mentioned in this thesis are the superpartner of the top quark (stop) pair production, decayed into a top quark and a lightest supersymmetric particle (LSP), and the top quark pair production associated with dark matter. These models have been studied by many groups so far. But, they were partially carried out in high missing transverse energy regions that can be studied more easily, and the most of the phase space of the stop quark mass is excluded at 95% confidence level. Recently, the focus has been on the low missing transverse energy region, which is partly difficult to study. Within the reach of the thesis, it is aimed to contribute to the precision measurements with spin correlation and polarization observables in the low missing transverse energy regions of the above-mentioned models by means of different Monte Carlo estimations. In these models, for the low missing transverse energy region, that the difference between the stop and the LSP masses in the SUSY samples is slightly larger than the top quark, and in the dark matter samples, that the mediator mass is relatively small is chosen as a scenario. In addition, the R-Parity violating (RPV) SUSY model is also included in the study. The thesis is structured as follows: A brief introduction to the standard model is given in Chapter 1. In addition, the problems in the Standard Model and the theories developed for their solution are mentioned and the Large Hadron Collider is introduced. The Monte Carlo event generators used in this study and the steps in the simulations of the collision events are explained in Chapter 2. In Chapter 3, the analysis method used in the study and the parameters of the samples used in Monte Carlo event generators are detailed. In addition, mathematical modeling of spin correlation and polarization in top quark pairs is discussed in this section. The results from the analysis are discussed in detail in Chapter 4. Finally, in Chapter 5, the analysis is with final remarks concluded and recommendations for further analysis are given.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    912452

    Polarized neutron scattering on the magnetization reversible of the multiferroic spinel CoCr2O4

    Tersinir manyetize multiferroik spinel CoCr2O4'ün polarize nötron saçılması

    UGUR MERT ULUTANIR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Technische Universität München

    PROF. DR. WINFRIED PETRY

  2. Tez No

    826690

    Spin-1 droplets stabilized by spin fluctuations

    Spin çalkantılarıyla kararlılaştırılmış spin-1 damlacıkları

    TAHA ALPER YOĞURT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET KELEŞ

    PROF. DR. MEHMET ÖZGÜR OKTEL

  3. Tez No

    521701

    CLIC (kompakt dogrusal çarpıstırıcı) demet taşınım hattında polarizasyon çalışması

    Polarization studies on CLIC (compact linear collider) beam delivery system

    AYŞEGÜL UŞUN SİMİTÇİOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Fizik ve Fizik MühendisliğiBursa Uludağ Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ZERRİN KIRCA

  4. Tez No

    177166

    Size modulation and defects in graphene based ribbons: Magnetism and charge confinement

    Grafin tabanlı malzemelerde kalınlıksal çesitlendirmeler ve ağ örgü delikleri: Manyetizma ve yük yoğunlaşması

    MEHMET TOPSAKAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Nanoteknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SALİM ÇIRACI

  5. Tez No

    445116

    Yarı iletken polimerlerden hazırlanan ince filmlerin elektriksel ve spektroskopik özelliklerinin incelenmesi ve organik güneş hücreleri

    The electrical and spectroscopic properties of the prepared semiconductor thin films of polymers and organic solar cells

    MEHMET SELİM AKTUNA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ESRA ALVEROĞLU DURUCU

Geri Dön