Deneysel Parçacık Fiziği 'Journal Club' ve ilk makale!

Fizik gibi bir temel bilimle uğraşmanın en güzel yönü, yol boyunca sürekli yeni şeyler öğreniyor olmak ve daha da güzeli öğrendiklerini yazı, konuşma, sunum vb. şekilde paylaştıkça öğrendiklerini aklına daha iyi oturması. Geçmişte çeşitli vesilelerle birden fazla blog tutmuşluğum göz önüne alındığında, 'Standart Model' blogu yakın zamanda başladığım doktora araştırmalarım çerçevesinde yazmayı planladığım yazılarla hem kendimin çok şey öğrenip sindireceğim, hem de okuyan kişilerin deneysel parçacık fiziğine dair genel fikir edinebilecekleri bir serüven olacaktır diye umuyorum.

İlk yazıda, Boğaziçi Üniversitesi Fizik Bölümü'nde deneysel parçacık fiziği labaratuarı olan KahveLab (Kandilli Algıç, Hızlandırıcı ve Enstrümantasyon Labaratuarı) altında, bu dönem itibariyle başladığımız, her hafta düzenli olarak toplanıp güncel makaleleri tartıştığımız 'Journal Club'dan söz açmak ve bu hafta okuduğumuz makaleden bahsetmek niyetim. (İlerleyen yazılarda KahveLab'daki çalışmalardan da ufak ufak bahsederiz.) 

Grupta benim de dahil olduğum CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC - Large Hadron Collider)'nın büyük dedektörlerinden biri olan ATLAS dedektöründe enstrümantasyon, yazılım geliştirme ve analiz konularında çalışmalar yürütüyoruz. Enstrümantasyon ve yazılım geliştirme kısmı daha çok dedektörün işleyişi ile ilgililiyken, analiz kısmı daha çok dedektörle yapılan fizik çalışmalarına yönelik oluyor. Her hafta düzenli olarak bu üç konu üzerinde seçeceğimiz güncel makaleleri doktora/y. lisans öğrencileri olarak bir araya gelip, beraber okuyarak anlamaya çalışacağız; sorular sorup, cevaplarını bulmaya çalışacağız. Fırsat olduğu ölçüde de buradan kısaca paylaşmaya çalışacağım.

Bu haftanın makalesi son haftalarda birçok haber sitesinde de başlık olan LHC'deki diğer büyük deney CMS'in duyurduğu 'yeni bir parçacığa dair olabilecek bir sinyal' makalesi: 

Search for resonances in the mass spectrum of muon pairs produced in association with b quark jets in proton-proton collisions at s√=8 and 13TeV

Makaleleri tüm detaylarıyla incelemektense makalenin özeti üzerinden önemli noktaları belirleyip, makale içinden grafik yada hesaplamalara referans ederek ilerleyelim.

İlk cümleden başlayalım:

Çalışma 12-70 GeV kütle aralığında (parçacık fiziğinde kütleler enerji biriminde veriliyor - 1 GeV: 1 milyar elektron-volt), nispeten "düşük kütleli" bir rezonans parçacığı araması üzerine. Belirli bir kütlede, stabil olmayıp kısa bir sürede başka parçacıklara bozunan parçacıklara 'rezonans' adı veriliyor ve makalede ilgilenilen olaylar, çeşitli modellerin öngördüğü, Higgs parçacığının kütlesinden (125 GeV) daha küçük ve oluşurken yanında iki tane 'jet' adını verdiğimiz kuarklarla ilişkili yapıların ortaya çıktığı durumlar. Bu olaylardaki rezonansın kendini doğrudan gözlemek mümkün değil. Bunun yerine, bu parçacığın bozunması sonucu oluşan ve elektron'un özelliklerine birçok anlamda benzeyen, yalnız kütlesi elektrondan 200 kat fazla 'muon' ve antiparçacığı 'anti-muon' çiftinin bir araya getirilmesi ile rezonansa dair ölçüm yapılabiliyor.

Çalışma LHC'deki CMS dedektörü ile kütle merkezi enerjisi 8 TeV (1 Tev = $10^{12}$ eV) ve 13 TeV'de alınan iki veri seti üzerinde ayrı ayrı yapılmış. 19.7 ve 35.9 $fb^{-1}$ değerleri ise LHC'de kaydedilen toplam çarpıştırma miktarını ifade etmek için kullanılan $fb^{-1}$ (inverse femtobarn) cinsinden ifadesi. CMS dedektörü, protonların zıt yönlerde ışık hızının %99.9999'uyla hareket ettiği tünelde parçacıkların mıknatıslar yardımıyla bir aray getirilip çarpıştırıldığı bölgelerden birinde yer alıyor. Çarpışma sonucu ortaya çıkan parçacıkların momentumları, enerjileri ve daha birçok özelliğini ölçmek için yapısında birçok alt dedektöre sahip. Farklı parçacıkların dedektörün farklı komponentleri ile etkileşerek bıraktıkları izler aşağıdaki görselde görülüyor.

Üstte: Yüklü parçacıkların (muon, elektron ve yüklü hadronlar) dedektör içindeki manyetik alan nedeniyle izledikleri yolun eğriliğinden hız ölçümleri, elektromanyetik etkileşen yüklü parçacıkların elektromanyetik kalorimetrelerde enerji ölçümleri, güçlü etkileşen hadronların hadron kalorimetrelerinde enerji ölçümleri ve son olarak muonların dedektörün en dış kısmındaki muon odalarında hız ve enerji ölçümleri gerçekleştiriliyor.

Analizde ilgili rezonans sinyalini bulmak için iki kategoride olaylar ve bunlarla ilişkili sinyalin dedektörde 'son durum' olarak gözleneceği yapılar belirleniyor. Birinci kategoride rezonans parçacıkla birlikte oluşan  ve dedektörün iç kısmına (central region) düşen, b-quark'tan geldiği etiketlenmiş bir jet (quarkların dedektör içinde ilerlerken oluşturdukları hadronlardan oluşan yapılar) ve dedektörün 'uç kısımlarına' (forward region) düşmüş başka bir jet olması şartı konuyor. İkinci kategoride ise her iki jetin dedektörün iç kısmında olması gerekiyor. Bu seçimler elinizdeki sürecin nasıl sonuçlar üreteceğine bağlı olarak sinyalinizi en temiz bir şekilde oluşturabileceğiniz bölgeleri seçmek için yapılıyor.

Yapılan analiz sonucunda, rezonansın bozunmasından geldiği düşünülen iki muon'un bir araya getirilip hesaplanan kütle (invariant mass) dağılımında 8TeV'lik veride 28 GeV civarında bir fazlalık (excess) gözlenmiş. Eldeki arkaplan sinyaline göre ne kadar 'anlamlı' olup olmadığını belirten standart sapma değerleri ise her iki arama kategorisi için sırasıyla 4.2 ve 2.9 olarak verilmiş. 

Açıklama: Üzerinde hata barları ile nokta olarak gösterilmiş veri, onun üzerine uyan sinyal ve sinyal+arkaalan modeli. x-ekseninde iki muon sisteminin bir araya getirilip hesaplanan  (invariant) kütlesi, y-ekseni de bu olaylardan kaç tane görüldüğü. Üstteki iki grafik 8 TeV'lik veri, alttaki iki ise 13 TeV'lik veri sonuçları. Üstteki grafiklerde 28 GeV civarında fazlalıklar belirgin iken altta soldaki grafikte bu fazlalılık biraz azalmış, en sağdakinde ise fazlalık bir 'eksikliğe' dönüşmüş!

Parçacık fiziğinde bir keşif için gerekli 'anlamlılık' (significance) değeri en az 5.0 sigma olması gerektiğinden bu çalışmada henüz böyle bir rezonans parçacığın varlığına dair kesin bir şey söylenemiyor. İşin ilginç tarafı ise 13 TeV'lik daha büyük veride sinyal hala görünürde olsa da gittikçe azalmış. Normalde daha fazla veri alındıkça eğer bir sinyal varsa beklenen durum sinyalin arkaplandan gittikçe daha fazla ayrışıp daha belirgin olması, fakat burada durum tam tersi!

Sonuç olarak birçok modelin ön gördüğü Higgs benzeri düşük kütleli rezonans parçacıkların izinde böyle bir analiz ortaya ilginç sonuçlar atmış olsa da sunulan sonuçların 'anlamlılıkları' henüz kesin bir sonuca varmak için yeterli değil. Üstelik yeni veri ile sinyalin gittikçe sönümlenmesi umudun da azalmasına neden oluyor. Buna rağmen LHC öncesi CERN'deki LEP deneyinin eski verilerinden bu kütle aralığına bakıp, 30 GeV civarında $3\sigma$'lık bir fazlalık gördüğünü iddia eden başka bir makale kafaları karıştırıyor. İlerleyen zamanlarda, ancak daha fazla veri ve diğer büyük deney olan ATLAS'ın benzer kütle aralığında analiz sonuçlarını sunması durumunda ancak bir sonuca bağlanacak gibi duruyor.

Detaylı okumalar için:

• CMS makalesinin arXiv bağlantısı: https://arxiv.org/abs/1808.01890
• LEP deneyi verilerinden 30 GeV 'excess'i hakkındaki makale: https://arxiv.org/abs/1610.06536