Ana içeriğe atla

Journal Club: ATLAS'a yeni bir dedektör: HGTD

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) geçtiğimiz günlerde 'Run 2' olarak adlandırılan çalışma dönemini arkada bırakarak çarpıştırmalara yaklaşık iki yıllık bir ara verdi. Bu esnada bir sonraki çarpıştırma dönemi Run 3 için hazırlıklar yapılıp, dedektörler ve hızlandırıcı kompleksinde bir takım değişim ve iyileştirilmelere gidilecek. Run 3'nin ardından ise yine büyük bir ara verilerek 2026'da LHC'nin birçok yönden toptan yükseltileceği High-Luminosity LHC (HL-LHC) dönemi başlayacak. HL-LHC'deki en belirgin değişikliklerden biri, nadir olayları görebilmek için arttırılan 'luminosity' (birim alandan birim zamanda geçen parçacık sayısı) ile birlikte, her bir demet geçişinde gerçekleşen ortalama çarpışma miktarı ('pileup') şu anki ortalama değer olan 50'den 200'lere kadar çıkabilecek. Her çarpışmadan yüzlerce parçacık çıktığı düşünüldüğünde, tüm bu parçacıkların ayırt edilip ölçümlerinin yapılması deneyciler için ciddi bir problem teşkil ediyor. Bu hafta okuduğumuz makale ATLAS'a eklenmesi planlanan ve bu problemlere çözüm olabileceği düşünülen yeni bir dedektör önerisi 'High Granularity Timing Detector' (HGTD) hakkındaydı.


HL-LHC ile birlikte ATLAS'da epey büyük değişikliklere gidiliyor. Parçacıkların bıraktıkları izlerden momentumlarını ölçüp, tanımlamaya yardımcı olan iç dedektör tamamen değişiyor. Benim de çalışmalarında yer aldım Transition Radiation Tracker (TRT) dedektörü kaldırılıp, artık tüm iç dedektör silikon-yarı iletken dedektörlerden oluşacak. Bunlara ek olarak iç izleyici dedektörlerin ardına, makalede bahsi geçen ve henüz planlama aşamasında olan, yüksek eta değerlerinde (forward region - ileri bölgede) ölçümler yapacak HGDT dedektörü eklenecek. Bu dedektör demet hattında aynı noktada, fakat 30 ps (1ps saniyenin trilyonda biri!) mertebesinde farklı zamanlarda gerçekleşen çarpışmaları birbirinden ayırmayı hedefliyor. Böylece artan çarpışma sayısı ile, bir çarpışmadan gelen parçacıkların başka bir çarpışmadan gelenlerle karıştırmadan düzgün bir şekilde ölçümleri yapılmasına olanak sağlıyor.
Üstte, yatay eksende çarpışmaların, çarpışma ekseni olarak seçilen z eksenindeki konumları, dikey eksende ise çarpışmaların zamandaki dağılımları gösteriliyor. Örneğin kırmızı ile işaretlenmiş nokta, proton-proton çarpışması sonucu oluşan Z bozonunun elektron-poziton çiftine bozunduğu ve bizim ilgilendiğimiz bir olay olsun. Bu olayla ilişkili çarpışmanın iç dedektör'deki izlerden yola çıkılarak z = 40mm civarında olduğu hesaplanmış. Fakat dikey eksenden, aynı nokta civarında farklı zamanlarda gerçekleşen 5-6 çarpışma daha olduğu görülüyor. Elimizde çarpışmaların zaman üzerinden çözebilen bir dedektör olmadan bu çarpışmaları bu kadar kısa bir süre aralığında ayırt etmek mümkün değil. Bu beş çarpışmadan gelen tüm sinyaller sanki tek çarpışmadanmış gibi tespit edilip, ölçümlerde birçok hataya neden olacak. HGDT dedektörü barındırdığı 'low gain avalance dedektör' özelliği sayesinde aralarında 30 ps'a kadar zaman aralığı olan çarpışmaları birbirinden ayırabiliyor.

Dedektörün detayları makalede detaylı bir şekilde ele alınmış. Kısaca HGDT'nin eklenmesi durumunda dört temel konusunda performans artışı öngörülüyor:
  • Pileup jet'leri elimine etme: HGTD, ilgilenilen çarpışmaya ait olmayan, aynı noktada farklı zamanlarda gerçekleĹźen çarpışmalardan gelen jet'leri ayırt edip, jet enerjilerinin daha doÄźru ölçülmesine yol açacak, ki bu birçok fizik prosesini daha iyi analiz etmemizi saÄźlayacak. Ayrıca dedektörĂĽn ileri bölgerine dĂĽĹźen jet'ler için bĂĽyĂĽk bir ayırma gĂĽcĂĽ saÄźlayacak bu dedektör, bu tip sinyaller ĂĽreten ve kendi doktora çalışma alanım olan 'Vector Boson Fusion/Scattering (VB/VBF)' çalışmaları için de hayati bir öneme sahip olacak.
  • Ağır-quark'larla iliĹźkili jet'leri daha iyi tespit ve ayırt etme: b-quark gibi ağır kuarkların nispeten uzun ömĂĽrleri sayesinde dedektör içinde birkaç mm(!) ilerleyebilmelerinden yola çıkıp bu kuarkların oluĹźturdukları jetleri, zaman bilgisi ile daha iyi bir ayırt etme performansı elde edilecek.
  • Lepton izolasyonu: Çarpışma sonucu ortaya çıkan elektron/muon gibi leptonları, sonrasında parçacıkların bozunmalarından gelen leptonlardan ayırmayı saÄźlayacak
  • Luminosity ölçümĂĽ: Bir demet geçiĹźi sırasında dedektörĂĽn elde ettiÄźi sinyal sayısı, eÄźer dedektör tĂĽm çarpışmaları çözebilirse tĂĽm çarpışma sayısı ile doÄźru orantılı olacağından, HGTD'nin yĂĽksek çözĂĽnĂĽrlüğü sayesinde LHC'nin anlık 'luminosity'si hassas bir Ĺźekilde ölçülebilecek.
HL-LHC ile gelecek yüksek 'luminosity' ve daha fazla çarpışma sayısının bir bedeli olarak, dedektörlerimizi ve algoritmalarımızı bu şartlar için hazır hale getirmemiz gerekiyor. HGDT dedektörü eğer ATLAS'a eklenirse, makalede verilen birçok simulasyon ve test sonuçlarına göre aynı noktada fakat farklı zamanlarda gerçekleşen çarpışmaları ayırt etmek konusunda epey fark yaratacak gibi görünüyor.

Makaleyi okumak için: A High-Granularity Timing Detector in ATLAS : Performance at the HL-LHC

Yorumlar

Bu blogdaki popüler yayınlar

'GĂĽncellenmiĹź' Fizik Lisans/Y.Lisans Tavsiyeleri

Epey zaman oldu; fizik lisans hayatımın son sınav gecesi, tipik 'erteleme' sendorumundan muzdarip ınava çalışmak yerine yapacak daha 'ilginç' şeyler ararken fizik lisans hayatımı gözden geçirip ufak bir değerlendirme yazısı yazmaya niyetlenmiştim. Dört seneyi bir yazıda toparlayacağımı düşünürken ilk seneyi bitirdiğimde yazı bin kelimeye çoktan dayanmıştı; sonunda sonuç birkaç yazının birleşimi olarak 'Yeni Mezundan Lisans Fizik Tavsiyeleri' yazı dizisi oldu. Yazılar sosyal medyanın etkisiyle fena halde patladı ve üzerinden geçen dört seneye rağmen hala her ay, ortalama 300 kere okunuyorlar. Boğaziçi Ünv. Fizik Bölümü'ne verdiğim referanslarla da bölümü seçecek lise öğrencileri için de 'neyle karşılaşacaklarına' dair (bazen "moral bozucu" olmuş olsa da) fikir vermeye devam ediyor. Her sene tercih dönemlerinin başladığını, bu yazıları okuyup aklındakileri bana sormak için mail kutuma düşen epostalardan tahmin eder duruma geldim diyebilirim.

Journal Club: ATLAS'ın Higgs->b kuark + anti-b kuark Keşfi

Standart Model'de temel parçacıklar 'spin' olarak adlandırdığımız parçacığın iç-kuantum durumundan kaynaklı özelliÄźine göre iki farklı aileye ayrılıyorlar: Yarım kesirli deÄźerler (1/2, 3/2 vb.) alan 'fermiyonlar' ve tam sayı deÄźerler alabilen (0,1,2 vb.) 'bozonlar' . Fermiyonlar evrendeki maddenin hemen hemen tĂĽmĂĽnĂĽ oluĹźtururken bozonlar da bu parçacıklar arasındaki etkileĹźimlerin aktarımında, 'kuvvet taşıyıcı parçacıklar' olarak iĹźlev görĂĽyorlar. Bu resme en son eklenen  Higgs bozonu ise tĂĽm parçacıklarla etkileĹźerek onların kĂĽtle kazanmalarını saÄźlıyor. Bunu kabaca şöyle yapıyor: Standart Model'de örneÄźin yĂĽklĂĽ parçacıkların birbiriyle etkileĹźimini ya da proton içindeki kuarkların güçlĂĽ etkileĹźimlerini kendisinden hareket denklemlerini çıkardığımız 'Lagrangian' adı verilen bir ifadede yazıyoruz: Ăśstte: Standart Model 'Lagrangian' ifadesinin bir kahve bardağına sığan hali. Denklemin üçüncĂĽ ve dördĂĽncĂĽ satırları Higgs a

Journal Club: Parçacık Fiziğinde 'Derin Öğrenme'

Yapay Öğrenme ( 'Machine Learning') ve Derin Öğrenme (Deep Learning) gibi günümüzün en çok konuşulan veri analiz yöntemleri elbette parçacık fiziğinde de kendisine fazlasıyla yer buluyor. 1980'lerden itibaren özellikle 'Boosted Decision Trees' ve 'Artificial Neural Network' gibi yöntemlere birçok analizde yer veren öncü bir komünite için bu çok da şaşılacak bir durum değil aslında. Biz de bu hafta Journal Club'da geçtiğimiz haftalarda parçacık fiziğinde bu yöntemlerinn kullanımında önücülük yapan üç yazarın kaleme aldıkları bir makaleyi okumaya karar verdik: Deep Learning and its Application to LHC Physics Konuyu uzaktan takip edenler için 'Derin Öğrenme' ve çeşitli 'Yapay Öğrenme' yöntemleri arasındaki bağı açıklayarak başlayalım. Yapay Öğrenme sistemleri elinizdeki problemi veriden yola çıkarak, bir takım istatistiksel özellikleri elle kodlamadan sistemin 'kendisinin öğrenmesi/keşfetmesi' sayesinde çözüm getiren yöntemler