RHIC ve LHC'de dev dipol rezonansı eşliğinde elektron-pozitron çifti üretimi
Electron-positron pair production accompanied by giant dipole resonance at RHIC and LHC
- Tez No: 948787
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET CEM GÜÇLÜ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
Relativistik hızlara ulaşan ağır iyonların çarpışmaları, yüksek enerji fiziğinin hem teorik hem de deneysel araştırmalarının temel kaynaklarından biridir. Bu tür çarpışmalar, maddenin ekstrem koşullardaki davranışlarını anlamak için eşsiz bir fırsat sağlar. Dünya genelinde bu amaçla kurulmuş ileri teknolojiye sahip parçacık hızlandırıcıları, bu araştırmaların yürütülmesinde kritik bir rol oynar. En önde gelen merkezler arasında, ABD'de bulunan Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı (RHIC) ve Avrupa'daki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) yer alır. Bu hızlandırıcılarda, ağır iyonlar merkezi (central) ve çevresel (peripheral) çarpışmalar gerçekleştirir. İki çekirdeğin merkezleri arasındaki mesafe çarpışma parametresi $b$ ile ifade edilir ve çarpışmanın merkeziliği, bu parametrenin çekirdeklerin yarıçapları $R$' nin toplamından büyük olup olmamasına göre belirlenir. Neredeyse ışık hızına ulaşan iyonlarda, görelilik kuramına göre hareket yönlerinde boyut kısalması olur ve dışarıdan bakıldığında adeta bir disk şeklinde görünür. Bu ağır iyon disklerinin merkezi çarpışmalarının $(b2R$) ise, ağır iyonların fiziksel temas olmadan, relativistik hızlardan kaynaklanan Lorentz daralması nedeniyle oluşan yoğun elektromanyetik alanların etkileşime girmesiyle gerçekleşir. Bu çarpışmalarda, çekirdeğin yükü ($Z$) ve ince yapı sabiti $\alpha$ çarpımı küçük olmadığından dolayı oluşan yoğun elektromanyetik alanlar nedeniyle, çok sayıda foton içeren süreçler meydana gelir. Bu bağlamda, eşdeğer foton veya Weizsäcker-Williams yaklaşımı sıklıkla kullanılır. Bu fotonlar, lepton çiftlerinin üretimine yol açar ve bu süreçler kuantum elektrodinamiği (QED) çerçevesinde modellenir. Elektron-pozitron çiftlerinin oluşumu incelenirken, elektromanyetik süreçler genellikle pertürbatif yöntemlerle analiz edilir. Bu yöntemde, pertürbasyon serilerindeki en düşük mertebeli sıfırdan farklı terimlerin iki ara fotonlu diyagramları temsil ettiği ve bu terimlerin elektromanyetik çift oluşum fenomenini açıklamak için yeterli olduğu varsayılır. Ayrıca, Heisenberg belirsizlik ilkesinden kaynaklanan geçici enerji dalgalanmaları nedeniyle fotonların sanal (off-shell) olduğu kabul edilir. Nükleer uyarılma, bir atom çekirdeğinin dışarıdan enerji alarak daha yüksek bir enerji durumuna geçişini ifade eder. Bu süreç, çekirdeğin iç yapısındaki nükleonların (proton ve nötron) farklı enerji seviyelerine uyarılmasıyla gerçekleşir. Nükleer uyarılma, çeşitli mekanizmalarla (örneğin, foton absorbsiyonu, Coulomb uyarılması) tetiklenebilir ve farklı türde rezonanslar veya geçişler içerebilir. Dev Dipol Rezonansı (GDR), ultra-çevresel ağır iyon çarpışmalarında öne çıkan ve iyon demetinin azalmasına yol açabilen özel bir nükleer uyarılma türüdür. Relativistik hızlarda çarpışan iyonların yoğun elektromanyetik alanları, karşı iyonun çekirdeğini Coulomb kuvvetiyle uyarır. Bu uyarılma, çekirdekteki protonlar ve nötronlar arasında zıt yönlü salınımlar oluşturur; protonlar bir yönde, nötronlar ise ters yönde titreşir. Bu salınımlar, çekirdeğin dev dipol modunda uyarılması olarak tanımlanır ve genellikle nötron emisyonuyla sonuçlanır. Uyarılmış çekirdek, bir veya daha fazla nötron yayarak bozunur ve bu nötronlar, çarpışma eksenine çok yakın açılarda (sıfır dereceye yakın) ilerler. Bu nötronlar, deneylerde Sıfır Derece Kalorimetreleri (ZDC) tarafından hassas bir şekilde tespit edilir. ZDC'ler, nötronları algılayarak çarpışmanın çevresel doğasını ve GDR'nin varlığını doğrular. STAR (Solenoidal Tracker at RHIC), RHIC tesisinde bulunan ve altın-altın (Au+Au) çarpışmalarını incelemek için tasarlanmış bir dedektör sistemidir. ALICE (A Large Ion Collider Experiment), ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) ve CMS (Compact Muon Solenoid) ise, CERN'deki LHC bünyesinde kurşun-kurşun (Pb-Pb) çarpışmalarını incelemek için tasarlanmış bir dedektör sistemlerinin adıdır. Kinematik kısıtlamalar, fiziksel bir sistemdeki parçacıkların hareketini tanımlayan parametrelerin (örneğin, momentum, enerji, açısal dağılım) belirli sınırlar veya koşullar altında analiz edilmesini ifade eder. Çarpışmalarda üretilen parçacıkların belirli fiziksel özelliklere sahip olmasını sağlayarak veri analizini daha anlamlı hale getirir. Bu kısıtlamalar, genellikle dedektörün geometrik kabul aralığı, enerji çözünürlüğü veya parçacıkların belirli bir kinematik bölgede (örneğin, rapidite veya enine momentum) tespit edilmesi gibi koşullarla belirlenir. Bu tez çalışmasında, $\sqrt{s_{NN}}=200$ GeV kütle merkezi enerjisinde altın-altın (Au+Au) çarpışmalarında (RHIC) ve $\sqrt{s_{NN}}=2.76$ TeV kütle merkezi enerjisinde kurşun-kurşun (Pb+Pb) çarpışmalarında (LHC), dev dipol rezonansı eşliğinde elektron-pozitron çifti üretimine ilişkin tesir kesitlerinin teorik hesaplamaları yapılacaktır. Her iki sistemde de, GDR ile elektron-pozitron çifti üretiminin tesir kesitleri hem STAR kinematik kısıtlamaları dikkate alınarak hem de dikkate alınmadan hesaplanacaktır. İkinci mertebe Feynman diyagramları ve pertürbatif QED kullanılarak, çarpışma parametresine bağlı diferansiyel kesit ifadeleri analitik olarak türetilecektir. Bu ifadeler, analitik çözümü çok boyutlu ve karmaşık integraller içerdiğinden, Monte Carlo yöntemiyle FORTRAN kodu kullanılarak sayısal hesaplamalar gerçekleştirilecektir. Elde edilen sonuçlar, çarpışma parametresine bağlı diferansiyel tesir kesitlerini ve olasılıkları verecektir. Daha sonra, GDR olasılıkları da dikkate alınarak karşılıklı 1 nötron emisyonu (1n1n) durumu ve karşılıklı herhangi bir sayıda nötron emisyonu (XnXn) durumu ile birlikte toplam tesir kesiti hesaplanacaktır. Son olarak, üretilen elektron-pozitron çiftlerinin rapidite ($y$), enine momentum ($p_\perp$) ve değişmez (invariant) kütle ($M$) dağılımlarına göre kesitlerin değişimi grafiksel olarak sunulacaktır. Bu teorik sonuçların, deneysel verilerle karşılaştırılması, QED'nin güçlü elektromanyetik alanlarda lepton çiftleri üretimini açıklamada doğruluğunu test edecektir.
Özet (Çeviri)
In ultraperipheral collisions ($b>2R$), heavy ions interact with intense electromagnetic fields due to Lorentz contraction resulting from relativistic speeds without physical contact. In these collisions, processes involving a large number of photons occur due to intense electromagnetic fields formed because the product of the charge of the nucleus ($Z$) and the fine structure constant $\alpha$ is not small. These photons lead to the production of lepton pairs, and these processes are modeled within the framework of quantum electrodynamics (QED). When studying the creation of electron-positron pairs, electromagnetic processes are usually analyzed with perturbative methods. In this context, the equivalent photon or Weizsäcker-Williams approach is often used. In this method, it is assumed that the lowest-order nonzero terms in the perturbation series represent diagrams with two intermediate photons and that these terms are sufficient to explain the electromagnetic pair production phenomenon. In addition, photons are assumed to be virtual (off-shell) due to transient energy fluctuations resulting from the Heisenberg uncertainty principle. Nuclear excitation refers to the transition of an atomic nucleus to a higher energy state by receiving energy from outside. This process occurs by exciting the nucleons (protons and neutrons) in the internal structure of the nucleus to different energy levels. Nuclear excitation can be triggered by various mechanisms (e.g. photon absorption, Coulomb excitation) and can involve different types of resonances or transitions. Giant Dipole Resonance (GDR) is a special type of nuclear excitation that is prominent in ultraperipheral heavy ion collisions and can lead to a decrease in the ion beam. The intense electromagnetic fields of the ions colliding at relativistic speeds excite the other nucleus by the Coulomb force. This excitation creates counter-current oscillations between the protons and neutrons in the nucleus; protons vibrate in one direction and neutrons in the opposite direction. These oscillations are defined as the excitation of the nucleus in the giant dipole mode and usually result in the emission of neutrons. The excited nucleus decays by emitting one or more neutrons, which propagate at very close angles (near zero degrees) to the collision axis. These neutrons are precisely detected by the Zero Degree Calorimeters (ZDCs) in the experiments. By detecting the neutrons, ZDCs confirm the environmental nature of the collision and the existence of the GDR. STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) is a detector system located at the RHIC facility and designed to study gold-gold (Au+Au) collisions. ALICE (A Large Ion Collider Experiment), ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) and CMS (Compact Muon Solenoid) are the names of detector systems designed to study lead-lead (Pb-Pb) collisions at the LHC at CERN. Kinematic constraints refer to the analysis of the parameters (e.g. momentum, energy, angular distribution) that describe the motion of particles in a physical system under certain limits or conditions. It makes data analysis more meaningful by ensuring that particles produced in collisions have certain physical properties. These restrictions are usually determined by conditions such as the geometric acceptance range of the detector, the energy resolution, or the detection of particles in a certain kinematic region (e.g., rapidity or transverse momentum). In this thesis, theoretical calculations of the cross sections for electron-positron pair production accompanied by giant dipole resonance in gold-gold (Au+Au) collisions (RHIC) at $\sqrt{s_{NN}}=200$ GeV center-of-mass energy per nucleon and in lead-lead (Pb+Pb) collisions (LHC) at $\sqrt{s_{NN}}=2.76$ TeV center-of-mass energy will be made. In both systems, the cross sections for electron-positron pair production with GDR will be calculated both with and without considering the STAR kinematic constraints. Using second-order Feynman diagrams and perturbative QED, the differential cross sections depending on the impact parameter will be derived analytically. Since these expressions involve multidimensional and complex integrals in their analytical solutions, numerical calculations will be performed using the FORTRAN code with the Monte Carlo method. The obtained results will give the differential cross sections and probabilities depending on the impact parameter. Then, the total cross section will be calculated with the case of 1 neutron emission (1n1n) and any number of neutron emission (XnXn) considering the GDR probabilities. Finally, the variation of the cross sections with respect to the rapidity $y$, transverse momentum $p_\perp$ and invariant mass $M$ distributions of the produced electron-positron pairs will be presented graphically. Comparison of these theoretical results with experimental data will test the accuracy of QED in explaining the production of lepton pairs in strong electromagnetic fields.
Benzer Tezler
- Rölativistik ağır iyon çarpışmaları sonucu parçacık üretimi
Particle pair production from relativistic heavy ion collisions
MELEK YILMAZ ŞENGÜL
Doktora
Türkçe
2011
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET CEM GÜÇLÜ
- Relativistic and non-relativistic kinetic theories of chiral fermions
Kiral fermiyonlarının rölativistik ve rölativistik olmayan kinetik kuramı
EDA KILINÇARSLAN
Doktora
İngilizce
2021
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER FARUK DAYI
- Muon pair production at ultra-relativistic energies
Yüksek-rölativistik enerjilerde müon çifti üretimi
SEVGİ KARADAĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET CEM GÜÇLÜ
- Ağır iyon çarpışmalarında lepton çiftlerinin üretilme olasılıkları
The probabilities of lepton pair production at heavy-ion collisions
ERKAN KURBAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET CEM GÜÇLÜ
- Yüksek rölativistik hızlarda ağır iyon çarpışmaları sonucu müon çifti üretimi
Muon pair production from ultra relativistic heavy ion collisions
NİHAL GÖZLÜKLÜOĞLU KARAKUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET CEM GÜÇLÜ