Çarpışma Analizleri

Bir kere, parçacıkların elektrik yükü taşıyıp taşımadıkları, iz saptama katmanında iz bırakıp bırakmamalarından anlaşılıyor Öte yandan, yüklü bir parçacığın patikası; dedektörün içindeki elektromıknatısın oluşturduğu alanın etki ettirdiği manyetik kuvvetin hareket doğrultusuna dik yönde olması nedeniyle kıvrılıyor Hem de; eğer artı yüklü bir parçacığın patikası, örneğin saat yönünde kıvrılmışsa, eksi yüklü parçacığınki ters yönde kıvrılıyor Bu durum dedektörün, ekseni doğrultusunda bakıldığında görülen dairesel kesitinde, zıt yüklü parçacıkların zıt yönlerde hareket etmeleri şeklinde görünüyor Dolayısıyla, parçacıkların sadece yüklerinin var olup olmadığı değil, varsa bu yükün işareti de belirlenebiliyor Ayrıca, yükü bilinen bir parçacığın, üzerindeki merkezkaç (mv2/r) ve manyetik kuvvetlerin (qvc/B) eşit olması gerektiğinden; patikasının eğrilik yarıçapından hareketle, momentumunu (p=mv) hesaplamak (p=qrc/B) da mümkün Bu, şu anlama geliyor: Enerjisi de (E=p2/2m) ölçülebilirse eğer, kütlesi de (m=p2/2E) hesaplanabilecek Halbuki parçacıkların enerjileri zaten, kalorimetrelerde yol açtıkları iyonlaşmalardan hesaplanmış durumda Dolayısıyla yüklü parçacıkların kütleleri ve kimlikleri belirlenebiliyor Son olarak; iz saptama katmanındaki patikalarına bakılarak, hangi yönde hareket ettikleri ve nereden gelip nereye gittikleri anlaşılabilir Ki bu veri; hem söz konusu parçacığın hangi birincil parçacığın bozunmasıyla ortaya çıktığına, oldukça isabetli bir şekilde işaret eder; hem de parçacığın taşıdığı vektörel momentumun, momentumun korunumu ilkesinde kullanılmasını mümkün kılar Enerji veya momentumun korunmaması hali, dedektörde saptanamayan bir veya daha fazla sayıda nötrinonun salınmış olduğuna işaret eder

Yüksüz parçacıkların ise; iz saptama katmanında patika oluşturmadıklarından, hareket yönleri saptanamamakla beraber; hangi kalorimetrede durdurulmuş olduklarından hareketle türlerinin, o kalorimetrede bırakmış oldukları enerji miktarından hareketle de taşıdıkları enerjinin belirlenmesi mümkün olabiliyor
Örneğin yandaki şekilde, bir dedektör kesiti var ve bu kesitin değişik katmanlarında hangi tür parçacıkların gözleneceği gösterilmiş Elektromanyetik kalorimetrede yalnızca; elektron, pozitron ve foton durdurulabiliyor Fakat, bunlardan ilk ikisinin patikaları iz saptama katmanından itibaren belirlenebilirken, foton bu ilk katmanda iz bırakmıyor

Nötron, proton, mezon gibi hadronlar, ancak bir sonraki hadron kalorimetresinde durdurulabiliyor Yüklü olan protonlarla mezonlar, iz saptama katmanından itibaren iz bırakırlarken, yüksüz olan nötron bu katmanda iz bırakmıyor Elektrik yükü taşıyan ve genellikle çok yüksek enerjiyle doğan muon ise, baştan itibaren iz bırakarak, kendi adıyla anılan en dış katmana kadar ulaşıyor






Şimdi, örnek bazı patika kümelerine bakarak, hangi parçacıklara ait olduklarını anlamaya çalışalım Gerektiğinde hatırlama amacıyla, yukarıdaki anahtardan yararlanabilirsiniz Bu örneklerin hepsi de aynı parçacığın (Z) çeşitli bozunma biçimlerine ait Çok kısa bir sürede bozunan parçacığın kendisi gözlenemiyor Ancak bozunma ürünleri belirlenebiliyor

1 Burada, iz saptama odasında etkileşime girmiş iki parçacık görülüyor Demek ki elektrik yükleri var Zıt yönlerde hareket ettiklerine göre, yükler zıt işaretli Öte yandan parçacıklar, elekromanyetik kalorimetrede durdurulmuş O halde hafif parçacıklar, yani bir elektronla pozitron çifti olmalılar (Z e+ + e-)


2 Bu parçacıklar da iz saptama odasında etkileşime girmiş Demek ki yüklüler Patikaları ters yönlerde kıvrıldığına göre, yükleri zıt işaretli Kalorimetreleri geçip muon odasına kadar ulaştıklarına göre bunlar, bir muonla karşıt muon çifti
(Z μ++ μ-)


3 Buradaki parçacıklar, iz saptama odasında etkileşime girdiklerine göre, elektrik yükü taşıyorlar Patikalar ters yönlerde kıvrıldığına göre, yükler zıt işaretli Soldaki parçacık, muon odasına kadar ulaşmış: O halde bir muon Sağdaki ise elektromanyetik kalorimetrede durdurulmuş: demek ki bir elektron

Ancak, çarpışma ürünlerinden birisi muon iken, diğeri elektron olamaz Dolayısıyla sağdaki elektron, bozunmanın doğrudan ürünü olan bir başka parçacığın bozunması sonucu ortaya çıkmış olmalı Doğrudan ürünün, soldaki muonun karşıtı olması gerekiyor ve bu karşıt muon bozunurken, elektronun yanında nötrinolar da ışınlamış olmalı O halde, merkezdeki ışın tüpünde bir muon ve karşıt muon çifti oluşmuş; daha sonra bunlardan birisi elektron ve nötrinolara bozunurken, diğeri muon odasına ulaşmış Bu muon çifti aslında, çok kısa ömürlü olduğundan gözlenemeyen, örneğin bir tau-karşıt tau çiftinin bozunmasıyla oluşmuş da olabilir
(Z τ++ τ - ve sonra; τ+μ++ nötrinolar, τ-e-+ nötrinolar
veya tersi işaretlerle; τ+e++ nötrinolar, τ-μ-+ nötrinolar)

4 Buradaki parçacıkların her ikisi de elektrik yükü taşıyor
Ters yönlerde kıvrıldıklarından, yükleri zıt işaretli ve sağdaki parçacık bir muon Soldaki parçacık ise hadron kalorimetresinde durdurulduğuna göre, bir hadron

Hadronlar ağır parçacıklar olduklarından, ya bir kuarkın veya en ağır lepton olan taunun bozunmasıyla oluşurlar Ama bir kuark parçacık yağmuruna yol açardı Halbuki burada böyle bir jet yok Dolayısıyla, hem sağdaki muon, hem de soldaki hadronlar, bir tau-karşıt tau çiftinin bozunmasıyla oluşmuş olmalı
(Z τ++ τ - ve sonra; τ+μ++ nötrinolar, τ- hadronlar + nötrinolar
veya tersi işaretlerle; τ+ hadronlar + nötrinolar, τ-μ-+ nötrinolar)


5 Buradaki parçacıkların hepsi yük taşıyor ve hadron kalorimetresinde durdurulmuşlar Dolayısıyla hepsi, yüklü hadronlar Böyle ağır parçacık yağmurlarına ancak, bir kuark ve karşıt kuark çifti yol açabilir Demek ki bir parçacık, bir kuarkla (k) karşıt kuarka (kk) bozunmuş
(Örneğin Z k + kk ve sonra; k hadronlar + nötrinolar, kk hadronlar + nötrinolar)

6 Buradaki durum bir öncekine benziyor ve parçacıkların hepsi, yük taşıyan hadronlar Demek ki bir parçacık, bir kuarkla karşıt kuark çiftine bozunmuş Fakat parçacık yağmurunun sayısı ikiden fazla ve üç O halde kuarklardan birisi, bozunmadan önce gluon ışınlamış ve bu gluon, üçüncü hadron yağmuruna yol açmış olmalı

(Z k + kk ve sonra; k k + gluon veya kk kk + gluon ve sonra; k hadronlar + nötrinolar, kk hadronlar + nötrinolar, gluon hadronlar + nötrinolar)

Peki de, bu resimler nasıl oluşturuluyor?





Dedektörlerde her çarpışma olayıyla ilgili olarak, milyonlarca veri toplanıp, bilgisayar aracılığıyla değerlendiriliyor CERN'de kullanılan bilgisayar yazılımı, dedektörde toplanan verileri yukarıda anlatılan benzer şekilde değerlendiriyor Çarpışma sonucunda ortaya çıkmış olup da belirlenebilen parçacıklardan, aynı noktadan kaynaklanan ve dolayısıyla aynı kökene sahip olması gerekenleri gruplara ayırıp; parçacıkların tümünün patikalarını ayrı ayrı ve hem de, her grup için farklı renklerde çiziyor Aynı gruptaki parçacıklardan; yüklü olanlar için grup renginin parlak, yüksüz olanlar için ise mat tonlarını kullanıyor Dolayısıyla; yüklü parçacıkların patikaları, dedektördeki manyetik alan nedeniyle kıvrılmış parlak eğriler şeklinde görünürken, iz saptama katmanında iz bırakmayan yüksüz parçacıklarınki, düz ve mat çizgiler halinde gösteriliyor Ayrıca, parçacıkların kalorimetrelerde bıraktığı enerji miktarları, parçacık patikalarının, patikayla aynı renkteki dikdörtgen uzantıları olarak belirtiliyor Dikdörtgen ne kadar uzunsa, bu; ilgili parçacığın bıraktığı enerji miktarının o kadar yüksek olduğu anlamına geliyor Nihayet muonlar için, muon katmanı dışına, patikasının renginde bir çarpı işareti konuyor Bilim insanları bu çizimleri inceleyerek, çarpışma sırasında neler olup bittiğini anlamaya ve elde ettikleri bulgulardan hareketle, hem kuramlarını sınayıp, hem de ileriye yönelik çalışmalar hakkında öngörülerde bulunmaya çalışıyorlar

Örneğin üstteki resimde, DELPHI dedektöründe yer alan bir elektron-pozitron çarpışmasının sonucu gösteriliyor Parçacıkların ikisi de yüklü ve çarpı işaretlerinden anlaşıldığı üzere, muon Bu resme göre momentum korunamıyor O halde; çarpışma sırasında aşağıya doğru, en az bir nötrino salınmış ve dedektörden iz bırakmaksızın çıkıp gitmiş olmalı

Bu resimdeki parçacıklar ise; kırmızı, mavi, yeşil ve sarı olmak üzere dört gruba ayrılmış Yüklü parçacıkların patikaları parlak renklerle gösteriliyor ve patikalar, dedektördeki manyetik alan nedeniyle kıvrılmış görünüyor Yüksüz olanlar ise, mat düz çizgilerle belirtilmiş
İyi güzel de, bu resimler ne işe yarıyor?