Geri Dön

Standard model and beyond standard model studies in coherent elastic neutrino-nucleus scattering

Standart model ve standart model ötesi koherent elastik nötrino-çekirdek saçılması üzerine çalışmalar

PDF İndir

  1. Tez No: 977888
  2. Yazar: SEVGİ KARADAĞ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET CEM GÜÇLÜ, PROF. DR. MUHAMMED DENİZ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  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: Belirtilmemiş.

Özet

Bu tez çalışmasında düşük enerjili nötrino fiziğinde belirleyici bir rol oynayan koherent elastik nötrino–çekirdek saçılmaları (CE$\nu$NS) kapsamında Standart Model (SM) ve olası Standart Model ötesi etkileşmeler incelenmektedir. Çalışmada tamamlayıcı bir çerçeve sağlaması sebebiyle CE$\nu$NS etkileşmelerini inceleyen hızlandırıcı ve reaktör tabanlı olmak üzere iki farklı deney grubu birlikte ele alınmıştır. Bunlardan ilki için CE$\nu$NS etkileşmelerinin Spallasyon Nötron Kaynağı (Spallation Neutron Source -- SNS) kullanarak ilk deneysel tespitini gerçekleştirilmesinde rol oynayan COHERENT Grubu'nun yayınlamış olduğu CsI(Na) ve LAr hedef çekirdeklerinin kullanıldığı iki veri seti dikkate alınmıştır. İkinci grup için ise TEXONO grubunun 2016 yılında yayınlamış olduğu yüksek-saflıkta n-tipi nokta temaslı germanyum (nPCGe) ve içinde bulunduğumuz 2025 yılında yayınlamış olduğu de p-tipi nokta temaslı germanyum (pPCGe) detektörlerinden elde edilen veri setleri ile çalışılmıştır. Bu seçimin en önemli sebebi hızlandırıcı tabanlı deneylerden elektron ve müon nötrinosu ile müon antinötrinosu olmak üzere üç bileşenli akı sağlanırken, reaktör tabanlı deneylerde akının yalnızca tek bileşenli elektron antinötrinosu içeriyor olmasıdır. Bu çift odaklı yaklaşım reaktör deneylerinin düşük momentum transferi (low-$q^2$) ve düşük detektör eşik enerjisi sayesinde hafif aracılı (light mediator) etkileşimlere olan duyarlılığını, hızlandırıcılı deneylerin ise daha büyük momentum transferi $q^2$ ve çok bileşenli akısı sayesinde daha ağır aracılı etkileşimleri ve diyagonal-dışı (flavor-violating -- FV) yapıları araştırma kapasitesini bir araya getirir. Tez boyunca basitleştirilmiş modele dayanan hafif aracılı yeni fizik etkileşimlerinin geniş ve kapsayıcı bir teorik formülasyonunu sunuyoruz. Ardından modelden-bağımsız standard-dışı nötrino etkileşimleri (Non-standard interactions -- NSI) ile egzotik nötr-akım (exotic neutral-current) etkileşimlerine ait formülasyonu oluşturuyoruz. Bu üç yeni fizik etkileşimi için de vektör (V), aksiyalvektör (A), skaler (S), psödoskaler (P), ve tensör (T) olamk üzere var olan beş tip Lorentz-değişmez (Lorentz-invariant) etkileşim çeşidini birlikte ele alıyor ve ortaya çıkan yeni parametre uzaylarındaki davranışlarını sistematik olarak inceliyoruz. Kuramsal çerçevemizin başlangıç noktası öncelikle CE$\nu$NS etkileşimini SM çerçevesinde açıklamaktır. CE$\nu$NS rejiminde küçük momentum transferlerinde çekirdeğin zayıf vektör yükü daha baskın olsa da, çekirdeğin eşlenmemiş nükleon içeriğine duyarlı spin-bağımlı aksiyalvektör bileşeni, özellikle yeni fizik etkileşmelerine olan hassasiyet değerlendirilirken göz ardı edilmemelidir. SM tesir kesitini, özellikle aksiyalvektör terimin çekirdek spin yapı fonksiyonlarına (spin structure functions) bağını açıklayacak biçimde yeniden yazarak ilerliyoruz. Bu yeniden yazım, literatürde daha öncesinde ele alınmayan, ancak yeni yeni sistematikleşen aksiyalvektör ve tensör kanallarının spin-bağımlı katkılarını tutarlı ve saydam bir biçimde inşa etmemize imkân vermektedir. Tensör operatörü hem enine (transverse) hem boyuna (longitudinal) spin bileşenlerine bağlanırken, aksiyalvektör ise yalnızca enine bileşene bağlanır; bu ayrım ileride gözlenen duyarlılık farklarının fiziksel kaynağını oluşturmaktadır. Daha sonra, kapsadığımız SM ve SM ötesi olmak üzere bütün etkileşimlerin teorik formülasyonunu dikkatli bir şekilde ele alarak, her deney için elde edilmiş olan nötrino akılarını da göz önünde bulundurarak diferansiyel olay oranlarını (differential event-rates) hesaplıyoruz. Hesaplarımızı gerçekçi kılmak ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılabilir hale getirebilmek için hem COHERENT hem de TEXONO deneyi için dedektörlere özgü etkileri kuramsal spektruma uyguluyoruz. Bunun için öncelikle nükleer geri tepme enerjisinin elektron eşdeğer enerjiye dönüşümünü sağlayan söndürme faktörünü (quenching factor), ardından dedektörün enerji ölçüm hassasiyetini belirleyen enerji çözünürlüğünü hesaba katıyoruz. Son aşamada ise deneyler tarafından yayınlanmış olan dedektör verimlilik fonksiyonlarını uygulayarak beklenen olay oranlarını elde ediyoruz. Sonuçlarımızı sunmadan önce elde edilen olay oranlarını herbir dedektörün sahip olduğu eşik enerjisi ve kapsadıkları enerji aralığı ile sınırlıyoruz. TEXONO'nun nPCGe (2016) deneyinde $\sim$300 eV$_{ee}$ ve pPCGe (2025) deneyinde de $\sim$200 eV$_{ee}$ eşik enerjilerine inebilen düşük gürültülü nokta temaslı Ge teknolojisi, reaktör CE$\nu$NS arayışında belirleyici bir avantaj sağlar. COHERENT deneylerinde ise eşik enerjisi $\sim$keV seviyesinde olsa da üç çeşnili ($\nu_e, \nu_\mu, \bar\nu_\mu$) yoğun akısı ve daha yüksek $q^2$ sayesinde farklı parametre uzaylarının etkin bir şekilde araştırılmasına olanak sağlar. Hafif aracıları içeren basitleştirilmiş modelde aracı kütleleri $m_X$ ve aracı parçacıkların çekirdeğe bağlanma ilişkisini veren bağlanma (coupling) sabitleri $g_X$ olmak üzere iki parametre üzerinde çalışıyoruz. Burada aracı kütleleri hafiften ağıra olacak şekilde geniş bir aralıkta tutup bağlanma sabitlerinin değişimini gözlüyoruz. Tesir kesitlerinin nükleer geri tepme enerjisine $T_N$ bağımlılığı, reaktör koşullarındaki düşük momentum rejimini avantajlı kılar. Böylece TEXONO deneyi hafif aracı kütlelerine duyarlıyken, COHERENT daha ağır aracı bölgelerinde üstündür. Etkileşim tiplerini tek tek ele alacak olursak, vektör ve skaler etkileşimler literatürde de en çok çalışılan ve en sıkı sınırları sağlayanlardır. Bunun yanı sıra aksiyalvektör ve tensör tipi etkileşmeler spin bağımlı olmaları sebebiyle ve yalnızca eşlenmemiş nükleonlardan gelen katkılar söz konusu olduğundan skaler ve vektör tipi etkileşmelere oranlar çok daha az sıkı sınırlar sağlamaktadırlar. Psödoskaler ise tesir kesitinin nükleer geri tepme enerjisi $T_N$ bağımlılığı tarafından baskılanması sebebiyle bunlar arasında en zayıf sınırı sağlayan etkileşim tipidir. Vektör tipi etkileşmede diğer etkileşimlerden farklı olarak SM ile girişim söz konusudur. Bu da üst limit ile dışarlanan bölge içerisinde dejenerasyondan kaynaklanan ince bant şeklinde bir izin verilen bölgeye neden olur. Bu kapsamda herbir etkileşim için bağlanma sabiti $g_X$ üzerindeki üst limitlerimizi $90\%$ güven düzeyinde (confidence level -- C.L.) hesaplıyor ve elde ettiğimiz sonuçlarımızı literatürde var olan limitleri de göz önünde bulundurarak karşılaştırmalı olarak sunuyoruz. Modelden-bağımsız NSI senaryosunda ise tesir kesitleri bu defa yalnızca etkileşim tipine göre değil quark tipine ve etkileşime giren nötrino tipine göre de değişkenlik göstermektedir. Bu bağlamda çalıştığımız parametre uzayı da bu etkileri yansıtacak şekilde epsilon parametreleri $\varepsilon^{qX}_{\alpha \beta}$ ile belirlenmektedir. Bu epsilon parametreleri esasen zayıf aracı modelindeki kütle ve bağlanma sabiti arasındaki orandan elde edilmektedir, ancak daha çok ağır aracı bölgelerinde etkindir. Bu etkileşimlerde iki parametre uzayı üzerinde çalışıyoruz. Öncelikle tek bir epsilon parametresine bağlı limitlerimizi $90\%$ güven düzeyinde sunuyoruz. Daha sonra iki epsilon parametresinin $\varepsilon^{qX}_{\alpha \beta}-\varepsilon^{q'X}_{\alpha' \beta'}$ aynı anda var olduğu olası senaryoları inceliyoruz. Bu parametreler içerdikleri nötrino çeşnilerine göre diyagonal ve diyagonal-dışı olmak üzere ayrışırlar. Diyagonal parametrelerde tek bir nötrino çeşnisi söz konusuyken, diyagonal-dışı parametrelerden birden fazla nötrino çeşnisi etkileşime girer. Bu sebeple özellikle diyagonal-dışı etkileşimlerde 3 çeşnili nötrino akısına sahip olan COHERENT deneyi daha avantajlı konumdadır ve TEXONO'dan daha sıkı limitler sağlamaktadır. Diyagonal parametre uzayında bu fark azalmaktadır, ancak ağır aracılı bölge söz konusu olduğu için COHERENT hâlâ avantajlıdır. İki parametreli $\chi^2$ analizi ile elde ettiğimiz bu sonuçlarda üst limitlerden ziyade $90\%$ güven düzeyinde izin verilen bölgeler elde ediyoruz. Ayrıca diyagonal parametre uzayında vektör tipi etkileşimler yine SM ile girişim sergiler ve hafif aracılara benzer şekilde bir dejenere bölge ile sonuçlanır. Bu da elde ettiğimiz izin verilen bölgeler içerisinde dışarlanan alanlar oluşmasına yol açar. Ancak bu etki diyagonal-dışı parametre uzayında gözlenmez. Son olarak egzotik nötr-akım etkileşimlerini ele alıyoruz. Bu defa yine hafif aracı senaryosundaki kütle ve bağlanma sabitinin farklı bir kombinasyonunu ifade eden $\xi_X$ parametreleri üzerinde çalışıyoruz. En belirgin özelliği bu defa etkileşim tipi özelinde, yani her defasında V,A,S,P ve T'den birini ele alarak limitler belirlemek yerine, bu defa bu etkileşimlerin aynı anda var olabileceği senaryoları göz önünde bulunduruyoruz. Parametre uzayımız $\xi_X$–$\xi_{X'}$ şeklindedir ve burada psödoskaleri göz ardı ederek kalan altı olasılık üzerinde parametre tahminleri gerçekleştiriyoruz. Burada da yine SM ile vektör etkileşimin girişimini dikkate alıyor ve hem tek parametre hem de aynı anda iki parametre içeren durumlar için sonuçlarımızı $90\%$ güven düzeyinde sunuyoruz. Bu bağlamda, TEXONO için CE$\nu$NS çerçevesinde gerçekleştirilen ilk kapsamlı hafif aracılı yeni-fizik ve standard olmayan etkileşimler ili ilgili analizleri bu tezde sunulmuştur. Kuramsal formülasyon ayrıntılı biçimde geliştirilmiş, özellikle spin-bağımlı aksiyalvektör ve tensör operatörlerinin çekirdek düzeyindeki katkıları açıkça yazılmıştır. Böylece, reaktör tabanlı CE$\nu$NS etkileşimlerinin, literatürde az çalışılmış spin-duyarlı kanallar ve genelleştirilmiş etkileşmeler (NGI) açısından nerede konumlandığı netleşmiştir.%, ve gelecekteki reaktör ve hızlandırıcı programları için sağlam bir metodolojik temel sunulmuştur. Bununla birlikte TEXONO pPCGe (2025), nPCGe (2016)'ya kıyasla belirgin bir iyileşme sergileyerek reaktör CE$\nu$NS programları arasında, eşiklerin düşürülmesi, arka planların bastırılması, enerji ölçeği kalibrasyonu ile dedektör kararlılığının düzenli doğrulanması ve sistematiklerin sıkı kontrolü sayesinde hızla rekabetçi hâle geldiğini göstermektedir. Bu tezde sunulan TEXONO nPCGe (2016) ve pPCGe (2025) verilerine dayanan kapsamlı NSI ve NGI analizi ve sonuçları, ayrıntılı kuramsal çerçeve ile birlikte \textit{Physical Review D}'de yayınlanmıştır. Bu çalışma, CE$\nu$NS'in SM ötesi etkileşimleri araştırmada benzersiz duyarlılığa sahip bir araştırma aracı olduğunu göstermektedir. Reaktör tabanlı TEXONO ölçümlerinin özellikle pPCGe (2025) verisinin sağladığı iyileşmeler, hızlandırıcı tabanlı COHERENT sonuçlarıyla birlikte düşünüldüğünde, düşük enerjili yeni aracıların ve genelleştirilmiş etkileşmelerin geniş bir parametre uzayında artık daha bütünlüklü biçimde sınanabildiğini göstermektedir.

Özet (Çeviri)

This thesis investigates coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CE$\nu$NS) to test the Standard Model (SM) and constrain standard beyond Standard Model (BSM) physics. We use accelerator-based data from the COHERENT Collaboration, where CE$\nu$NS was first observed at the Spallation Neutron Source (SNS), and reactor-based data from the TEXONO Collaboration. Specifically, we analyze COHERENT's CsI(Na) and LAr datasets, which provide a multi-flavor flux at higher $q^2$, and TEXONO's n-type and p-type point-contact HPGe datasets (nPCGe--2016 and pPCGe--2025), which use a pure $\bar\nu_e$ flux with sub-keV$_{\rm ee}$ thresholds. This approach benefits the low $q^2$ and very low thresholds of the reactors for light mediators, and the higher $q^2$ and multiple-flavor fluxes of the SNS for heavier mediators and flavor-violating (FV) scenarios. The theoretical framework starts from the SM description of CE$\nu$NS. In the CE$\nu$NS regime, the nuclear weak vector charge small momentum transfer dominates at $q^2$. The axial vector contribution is spin-dependent and sensitive to unpaired nucleons, so although its contribution is small, it needs to be accounted for when evaluating new physics sensitivities. Nuclear effects are modeled via the weak charge form factor $F(q^2)$, which captures the loss of coherence at higher $q^2$, and spin dependence is modeled via spin structure functions that encode the axial vector and tensor spin responses. The tensor operator couples to both transverse and longitudinal spin components, while the axial vector operator couples only to the transverse spin contribution. The event rate predictions are obtained by applying the experiment-specific inputs, such as quenching factor to map the nuclear recoil energy to the electron equivalent energy, energy resolution, energy-dependent efficiency, analysis thresholds, and energy ranges. TEXONO's point-contact Ge detectors reaches $\sim$300 (for nPCGe) and $\sim$200 eV$_{ee}$ (for pPCGe) thresholds and has an advantage at low $q^2$; while COHERENT operates at keV-scale thresholds, it benefits from higher $q^2$ and a three-component flux $(\nu_e,\nu_\mu,\bar\nu_\mu)$. We then present constraints in three complementary frameworks: a light-mediator (simplified) model over $(m_X,g_X)$; model-independent NSI/NGI in $\varepsilon_{\alpha\beta}^{fX}$ parameter space; and exotic neutral-current couplings $\xi_X$ covering five Lorentz-invariant structures $(V,A,S,P,T)$. For all possible scenarios we present our results at $90\%$ C.L. In the light-mediator model over $(m_X,g_X)$, reactor data are most sensitive at low $q^2$, while SNS data dominate for heavier mediators. Vector terms interfere with the SM and produce degeneracy regions for both the light mediator and flavor-conserving (FC) NSI scenarios, as well as the exotic vector interaction case. Overall, CE$\nu$NS emerges as a powerful channel for BSM searches. The complementarity of reactor and accelerator based experiments (low momentum $q^2$ and pure $\bar\nu_e$ flux versus higher momentum and multi-flavor flux), and distinct interference and spin systematics enable robust constraints across $V, A, S, P, T$ interaction channels. A key contribution of this work is the first comprehensive nonstandard interactions and neutrino generalized interactions analysis of TEXONO data within the CE$\nu$NS framework, including the explicit spin-dependent nuclear formulation for the axial and tensor operators and a full detector-level treatment (quenching factor, detector resolution, efficiency, and thresholds). TEXONO pPCGe (2025) improves significantly over nPCGe (2016), reflecting lower thresholds, and better control of detector specific effects. The TEXONO-based results and the theoretical framework have been published in \textit{Physical Review D}.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    976065

    Neutrino interactions beyond the standard model at dark matter experiments with solar neutrinos

    Güneş nötrinolarıyla yapılan karanlık madde deneylerinde standart model ötesinde nötrino etkileşmeleri

    MUHAMMAD FAUZI MUSTAMIN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Fizik ve Fizik MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET DEMİRCİ

  2. Tez No

    1018572

    Siber güvenlikte saldırı tespiti için yeni bir hibrit kuantum sinir ağı modeli

    A novel hybrid quantum neural network model for attack detection in cybersecurity

    MUHAMMED YUSUF KÜÇÜKKARA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CÜNEYT BAYILMIŞ

  3. Tez No

    1018382

    Toplu taşıma hatlarının optimizasyonu için bir model önerisi: Sivas örneği

    A model proposal for the optimization of public transportation lines: The case of Sivas

    İSMAİL ÖZÇELİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HÜSEYİN ONUR TEZCAN

  4. Tez No

    399918

    Interregional Relations: Perspectives on the Summit of South American-Arab Countries 'New' patterns of engagement

    Bölgelerarasi ilişkiler: Güney Amerika - Arap Ülkeleri zirvesindeki“Yeni”angajman yapısı perspektifleri

    MARSHA MARİE HALL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Uluslararası İlişkilerOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Ortadoğu Araştırmaları Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MELİHA BENLİ ALTUNIŞIK

    DOÇ. DR. DERYA GÖÇER AKDER

  5. Tez No

    66711

    Gelişmekte olan ülkelerde teknoloji politikalarının belirlenmesi ve Türkiye'deki durum

    Technology policies in developing countries and the situatiın in Turkey

    MEHPARE BARIŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mühendislik Yönetimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TUFAN V. KOÇ

Geri Dön