MADDENIN YAPISI - Dedektörler - Seversintabi.com Türkiye'nin En Büyük Forumu Bence Seversin Tabi

**AlpikE** · #1 18 March 2009, 03:37

Dedektörler, duyularla algılanamayısan olayları belirlemeye yarar. Kullanılmalarının amacı; parçacıkların patikalarının, saçılma açılarının, enerji ve kimliklerinin saptanmasıdır. Çünkü deneylerde çarpıştırılan parçacıkların türü, elektrik yükü veya spin gibi iç yapısal özellikleri, genellikle önceden biliniyor olur. Çarpışma anına kadar izledikleri patikalar ise, hızlandırıcı tüpün geometrisinden bellidir. Öte yandan, enerji ve momentum gibi fiziksel değişkenlerinin değerleri, hızlandırma aşamasında saptanmış veya hesaplanmıştır. Halbuki çarpışma sonucunda ortaya çıkan çeşitli parçacıkların; elektrik yükü, kütle ve spin gibi yapısal özelliklerinin belirlenerek kimliklerinin saptanması; izledikleri patikaların belirlenmesi suretiyle, nereden gelip nereye doğru gittiklerinin anlaşılması ve böylelikle saçılma açılarının saptanması; taşıdıkları enerji ve momentum gibi fiziksel değişkenlerinin değerlerinin, bir şekilde ölçülmesi gerekir. Bu ölçümler, iz saptama odaları aracılığıyla yapılır.

İz saptama odalarının dört çeşiti var. Sis odası olarak bilinen birinci türde; bölmenin içi, sıvılaşma noktasının altına kadar 'aşırı soğutulmuş' buharla dolu. Yüklü parçacıklar bölmeden geçerken, buhar molekülleriyle etkileşime girerek, onların sıvı hale geçmesine yol açıyor. Böylelikle, parçacık patikaları üzerinde sıvı zerrecikleri oluşuyor. Bu izlerin fotoğrafı çekilerek daha sonra inceleniyor. Kabarcık odası da denilen ikinci tipte; bölme süper soğutulmuş buhar yerine, kaynama noktasının hemen üstüne kadar 'süper ısıtılmış' bir sıvıyla, örneğin hidrojenle dolu.

Yüklü parçacıklar sıvının içerisinden geçerken, keza civardaki moleküllerle etkileşimde bulunuyor ve bu sefer onların buharlaşmasına yol açıyorlar. Dolayısıyla parçacık patikalarını, kabarcık zincirleri halinde fotoğraflayıp, daha sonra incelemek mümkün. Yandaki şekilde, sıvı hidrojenle dolu bir kabarcık odasının fotoğrafı var ve manyetik alanda kıvrılmış parçacık patikaları, oldukça net olarak seçilebiliyor. Ancak bu tipler artık pek kullanılmıyor.

Daha yaygın olarak kullanılan ve 'tel odası' veya 'çok telli, oranlı sayıcı' (MWPC-'multiwired proportional counter') olarak bilinen üçüncü tip; içi gaz dolu bir bölmeden oluşuyor. Bölmenin içinde; birbirine paralel iletken tellerden oluşan anot düzlemleriyle, bu düzlemler arasında katot görevi gören, keza iletken bir palaka bulunuyor.

Katot plakalar arasındaki uzaklık 2 cm kadar, aynı anot düzleminde yatan tellerin birbirlerinden uzaklığı ise 2 mm oluyor ve birbirini izleyen anot düzlemleri, hatları birbirine dik olacak şekilde yerleştiriliyor. Bir parçacık bölmeye girdiğinde, yolu üzerindeki gaz atomlarını iyonlaştırıyor. Artı yüklü iyonlar katot plakaya yönelirken; eksi yüklü olanlar, en yakındaki anot tele ulaşıyor ve telde bir akım oluşturuyor. Parçacık yol boyunca ilerledikçe, hangi yatay ve dikey tellerden akım geçtiğine bakılarak, geçtiği noktaların koordinatlarını belirlemek mümkün oluyor. Bu tel odalarının bir de; 'sürüklenme odaları' ('drift chamber') denilen ve parçacığın oluşturduğu iyonların anot tellerine sürüklenmesi için gereken süreyi de hesaba katarak, iyonların hangi noktada oluştuğunu, dolayısıyla da parçacığın patikasını daha büyük bir duyarlılıkla saptayanları var.

İz saptayan belirleyicilerin dördüncü tipi, yarıiletken plakalardan oluşuyor. Plakalar üzerinde; yatay ve dikey yönlerde iletken hatlar, bu hatların uçlarında da elektrot çiftleri var. Parçacıklar plakaya çarptığında, yüzeyde eşik ve elektron çiftleri oluşturuyor. Bu yük taşıyıcıları bir elektrik alanının etkisi altında ayrıştırılarak, zıt elektrotlarda toplanıyor.

Sonuç olarak elektrotlar arasında, ölçülebilir bir akım elde edilmiş oluyor ve parçacığın çarpma konumu; akım uyarılan iki elektrot çifti arasındaki iki iletken hattın hayali kesişme noktasından hareketle belirleniyor. Yarıiletken belirleyiciler çok duyarlı olup, parçacık konumunu 10μm hata payıyla saptayabiliyorlar. Bunar karşılık, radyasyondan etkilenmek gibi bir sakıncaları var. Pahalıya maloluyor ve daha çok, kısa ömürlü parçacıkların incelenmesinde kullanılıyorlar.

Sabit hedef deneylerinde hedef olarak, örneğin sıvı hidrojen kullanılır ve üretilen parçacıklar genellikle, çarptırılan ışın demetinin doğrultusuna yakın yönlerde, ileriye doğru dağılırlar. Dolayısıyla bu deneylerde kullanılan belirleyiciler, koni şeklinde olup, hedefin arkasına yerleştirilir. Işın çarpıştırma deneylerinde ise; birbirine yakın yörüngelerde ve fakat zıt yönlerde hızlandırılan parçacıklar, bir noktada karşı karşıya getirilip, birbirleriyle çarpıştırılır. Üretilen parçacıklar her yönde dağılacağından, belirleyiciler küresel veya çok daha sık olarak silindir şeklindedir.
Çağdaş belirleyiciler, bir çarpışma olayının farklı yönlerini saptamayısa yönelik, çok çeşitli bileşenlerden oluşur. Bu bileşenler, olayda açığa çıkan parçacıklar hakkında en fazla bilginin edinilebileceği şekilde yerleştirilmiştir. Öyle ki, parçacıklar farklı bileşen katmanlarından ardı ardına geçerler ve bir parçacık ancak; ya bir belirleyicide, ölçülebilir bir etkileşime girince, ya da gözlenebilir parçacıklara bozununca belirlenmiş olur. Belirlenmesine çalışılan ana unsurlar, parçacıkların patikaları ve taşıdıkları enerji düzeyidir.

Enerji ölçümü sırasında parçacıklar durdurulduklarından veya başka parçacıklara dönüştürüldüklerinden, önce konumlarının izlenmesiyle patikalarının belirlenmesi ve enerji ölçümlerinin daha sonra yapılması gerekir. Öte yandan genellikle; muonlar hadronlardan, hadronlar da; fotonlardan veya elektron ve pozitron gibi hafif parçacıklardan çok daha fazla miktarda enerji taşırlar.

Dolayısıyla, aynı malzeme içerisinde katedebilecekleri mesafeler, yani erimleri veya durdurulmalarının zorluk düzeyleri, farklı farklıdır. Bu grupların birbirinden ayrılabilmesi için; önce foton, elektron veya pozitron; sonra hadron, en sonunda da muon enerjilerinin ölçülmesi gerekir.
Yandaki şekilde, örnek bir çarpıştırma deneyinin yer aldığı bir hızlandırıcı tüpünün etrafındaki belirleyicinin çeşitli katmanları gösteriliyor. İçten dışa doğru dört katman var:
1. İz saptama katmanı,
2. Elektromanyetik kalorimetre,
3. Hadron kalorimetresi,
4. Muon kalorimetresi veya katmanı.

Her katmanda, çeşitli sayı ve tiplerde belirleyiciler bulunuyor ve o katmandan geçen parçacıkların özelliklerini saptıyor . Parçacıklar içten dışa doğru ilerlerken, bu katmanların bir veya daha fazlasıyla etkileşimde bulunabiliyor ve sonuçta, türünün taşıdığı fiziksel özelliklere bağlı olarak, katmanların birinde durdurulmuş oluyor. Yandaki şekilde, hangi parçacık türlerinin hangi katmanlarda etkileşime girerek belirlendiği gösteriliyor. Sadece iz saptama odalarından oluşan birinci katmanda, yalnızca yüklü parçacıklar; yükleri sayesinde iz bırakıyor.

Örneğin foton veya nötron gibi yüksüz parçacıklar ise; bu katmanla etkileşime girmediklerinden, iz bırakmaksızın ilerliyor ve burada farkedilemeden ikinci katmana geçiyorlar. Öte yandan, iz saptama dedektörleri, parçacıkların hemen hemen hiç etkilenmeyeceği şekilde yapılmışlardır. Dolayısıyla, bu katmanda yer alan etkileşimler, kayda değer miktarda enerji kaybına yol açmaz ve parçacıklar hiçbir şey olmamış gibi yollarına devam ederler. Sonuç olarak parçacıkların hepsi, enerjilerinde ve hareket doğrultularında hiçbir değişikliğin olmadığı varsayımıyla, ikinci katmana ulaşır. Ancak bu arada, yüklü olanların varlığı ve nereden gelip nereye gittikleri belirlenmiş oluyor.

Fotonlar, elektromanyetik etkileşimin ağır bastığı ikinci katmanda durduruluyor. Ayrıca, elektron ve pozitron gibi yüklü, ama hafif olduklarından dolayı görece az miktarda enerji taşıyan parçacıklar da öyle... Dolayısıyla, bu parçacıkların enerjileri, elektromanyetik kalorimetreyi oluşturan ikinci katmanda belirlenmiş oluyor. Halbuki muon, pion veya proton gibi ağır ve yüklü parçacıklar, bu katmanda iz bırakmakla beraber, taşıdıkları yüksek enerji sayesinde ve bu enerjinin çok küçük bir kısmını kaybederek, üçüncü katmanı oluşturan hadron kalorimetresine ulaşıyorlar. Nötronlar ise yüksüz olduklarından, elektromanyetik etkileşime zaten girmiyor ve üçüncü katmanı oluşturan hadron kalorimetresine, ilk halleriyle ulaşıyorlar. Sonuç olarak, proton ve nötron gibi baryonlarla, pion gibi mezonlar; yani hadronların tümü, hadron kalorimetresinde durdurulmuş oluyor. Bir sonraki dördüncü katmana sadece, çok yüksek enerji düzeylerine sahip, orta ağırlıktaki II. nesil leptonu olan muonlar ulaşabiliyor. Bu yüzden de bu sonuncusuna, 'muon katmanı' deniyor. Şimdi bir de katmanların yapısına bakalım... Birinci katmanın en iç kısmında genellikle, yarıiletken saptayıcılar bulunuyor. Çünkü konumun en büyük duyarlılıkla belirlenmesi gereği burada. Dışarıya doğru yarıçapı büyüyen hayali silindir yüzeyleri üzerine, sıra sıra telli odalar yerleştiriliyor. Sıralar birbirine göre biraz kaydırılmış durumda. Ki parçacıklar en az birinden geçmek zorunda kalsın ve yüklü olanların patikaları kaydedilmiş olsun. Çünkü bu katmandan sonra gelen kalorimetrelerde, parçacığın enerjisi ölçülürken, patikalar hakkındaki bilgiler kayboluyor.

Kalorimetreler benzer şekilde çalışıyor ve yandaki şekilden de görüleceği üzere; kurşun veya demir gibi ağır ve yoğun bir metalden yapılmış bir dizi plaka ile, her plakanın arkasındaki, telli oda işlevi gören gaz hacimlerinden oluşuyor. Soldan gelen parçacık bir plakaya girdiğinde, plakanın atomlarıyla arasında etkileşmeler başlıyor.

Bu etkileşmeler sırasında parçacığın enerjisi azalırken, ortaya küçük bir 'ikincil parçacıklar yağmuru' çıkıyor. Sonrasında hemen hep birlikte, o plakadan sonra gelen telli odaya girip, buradaki gaz ortamında iyonlaşmalara yol açıyorlar. Görece düşük miktarda enerji taşıyan ikincil parçacıklar bu iyonlaşmalar sonucunda durdurulurken, birincil parçacık bu süreçten pek etkilenmeksizin yoluna devam edip, bir sonraki plakaya giriyor ve ta ki tüm enerjisini kaybedip durdurulana veya başka parçacıklara dönüşene kadar, aynı süreci tekrarlayıp duruyor. Sonuçta, telli odalarda kaydedilmiş olan etkinlik düzeyi ölçümlerinin toplamından, parçacığın katman girişindeki enerjisi hesaplanabiliyor.

İz saptama katmanının dışında; elektron, pozitron veya fotonları durdurarak enerjilerini ölçen elektromanyetik kalorimetre bulunuyor. Bu kalorimetrede kurşun plakalar kullanılıyor ve kalorimetrenin adı, bu katmanda yer alan ve ikincil parçacıklara yol açan etkileşimlerin elektromanyetik türde olmasından kaynaklanıyor. Bu nedenledir ki elektromanyetik kalorimetre; yüksüz fotonlarla, yüklü elektron ve pozitron gibi hafif parçacıkları durdurabiliyor. Hadronlarla muonları ise, pek etkileyemiyor. Hadronlar, kurşun yerine demir plakalar kullanan hadron kalorimetresinde durduruluyor. Bu arada uzun mesafeler katettiklerinden, hadron kalorimetreleri, elektromanyetik kalorimetrelerden çok daha kalın oluyor. Kuarklardan oluşan hadronlar enerjilerinin tümünü, bu katmandaki demir atomlarıyla güçlü etkileşime girerek kaybediyor ve kalorimetrenin adı buradan geliyor. Yollarına devam eden muonların enerji ölçümü ise, en dıştaki, demir veya aluminyum plakalar kullanan muon kalorimetresinde yapılıyor. Muon kalorimetresi girdi olarak, hadron kalorimetresinden parçacık yağmuruna yol açmaksızın geçmiş olan yüklü parçacıkları alıyor. Ki onlar da; elektronun yaklaşık 200 katı (106MeV) kütleye sahip bulunan ve 2.2 µs ortalama ömürle bozunan kararsız bir lepton olan muonlar oluyor ve burada, atomlarla çarpışmaları sırasında, 'ikincil parçacık' yağmurlarına yol açıyorlar. Sadece nötrinolar, dört katmanı da geçip gidiyor ve bunların enerjileri ölçülmek yerine, ölçülemediğinden, enerjinin korunumu ilkesinden hesaplanıyor.