Kalorimetrede enerji çözünürlüğü

Abstract

Bir yüksek enerji detektöründe bulunan kalorimetre ünitesinde enerji çözünürlüğü oldukça önemlidir. Örneğin, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) üzerinde bulunan CMS detektöründe, 100 ile 150 GeV arasındaki Higgs’ in kütlesinin bulunması için, H → γγ bozunumu en ümit verici kanaldır. Oluşan bu fotonlar elektromagnetik kalorimetre (ECAL) tarafından detekte edilecektir. Bu nedenle, Higgs’ i bu enerji aralıklarında keşfedebilmek için iyi bir enerji çözünürlüğüne ihtiyaç vardır. CMS ECAL’ de PbWO4 kristalleri ve çığ fotodiyotlardan oluşan bir sistem kullanılmaktadır. Bir kalorimetrede enerji çözünürlüğüne üç terim katkıda bulunur. Bunlar stokastik terim, gürültü terimi ve sabit terimdir. Kristal-APD sistemi için, enerji çözünürlüğündeki stokastik terime elektromagnetik sağanağın yanal genişlemesinden dolayı ve fotoistatistiklerden dolayı bir katkı gelir. Fotoistatistiksel katkı, APD’ de oluşan birincil fotoelektronların sayısı ve kazanç oluşumu sırasındaki dalgalanmalar olarak ifade edilen ilave gürültü kavramı ile ilgilidir. Elektromagnetik sağanakta üretilen Cherenkov ve sintilasyon fotonlarının Geant4 programı kullanılarak benzetişimi yapılmıştır. PbWO4 kristalinden APD’ ye gelen fotonlar için, Tek Parçacık Monte Carlo tekniği kullanılarak sinyallerin benzetişimi yapılmıştır. 0.2-100 GeV enerji aralığındaki elektronlar için, PbWO4 kristallerinden oluşan kalorimetre protipinin içerisinde oluşan sağanağın, yanal genişlemesi esnasında stokastik terime dalgalanmalardan gelen katkının Geant4 programı kullanılarak benzetişimi yapılmıştır. Kalorimetre 3x3’ lük ve 5x5’ lik matris şeklinde tasarlanmıştır, her kristal CMS ECAL’ de kullanılan kristal ile aynı boyutlardadır. Simulasyonda farklı enerjilerde elektronlar 3x3’ lük ve 5x5’ lik matrisin merkezindeki kristale gönderilmiştir. Stokastik terim üzerine yapılan simulasyon sonuçları deneysel ölçümler ile tutarlıdır.

Energy resolution is important factor in the calorimeter section of the high energy physics detectors. As an example, H → γγ is the most promising discovery channel in the mass region between 100-150 GeV in the CMS detector at the Large Hadron Collider (LHC). These generated photons will be detected by electromagnetic calorimeter (ECAL). Thus in order to discover the Higgs in this energy range a very good energy resolution is needed. PbWO4 crystals and avalanche photodiodes combination are used in the CMS ECAL. Three term contributes to the energy resolution of a calorimeter. These are stochastic term, noise term and constant term. The stochastic term of the energy resolution for crystal-APD system is composed of a contribution from photostatistics and a contribution from shower containment. Photostatistical contribution is related by the number of primary photoelectron generated in the APD, and excess noise factor coming from fluctuations in the gain process. Both the generated Cherenkov and scintillation lights in the electromagnetic shower has been simulated with the Geant4 code. The signals produced in the APD were simulated by Single Particle Monte Carlo technique for the PbWO4 photons. The contribution to the stochastic term coming from fluctuations in the lateral shower containment of a calorimeter prototype of PbWO4 crystals has been simulated by Geant4 for 0.2-100 GeV electrons. The calorimeters were designed as a 3x3 and 5x5 matrix, each crystal is same size used in CMS ECAL. In the simulation the electrons at different energies were injected in the central crystal of the 3x3 and 5x5 matrix. The simulated results for the stochastic term are consisted with the experimental beam test results.