Kuvars fiber bazlı luminometre ve facet dedektörlerinin tasarımı ve simülasyon çalışmaları
Design and simulation studies of quartz fiber based luminometer and facet detectors
Yazar: ORHAN AYDİLEK
Danışman: PROF. DR. SUAT ÖZKORUCUKLU
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Yüksek Enerji ve Plazma Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Radyasyon dedektörü = Radiation detector ; Yüklü parçacıklar = Charged particles ; Çok parçacıklı sistemler = Many body systems

Özet:
Günümüz dünyasında evrenin yapı taşlarını keşfetmek için ileri teknolojiye sahip kapsamlı yüksek enerji fiziği deneyleri yapılmaktadır. Bu deneyler sayesinde yeni fizik teorileri ortaya konabilir ve nadiren görülen parçacıklar keşfedilebilir. Parçacık hızlandırıcı deneylerinde, parçacıkların çarpıştığı merkezi kütle enerjisi, araştırmanın derinliğini tam olarak yansıtmaz. Luminosite, parçacık hızlandırıcı deneylerinde başka bir kritik faktördür; parçacık demetlerinin birim zamanda ne kadar sık çarpıştığını gösterir ve dolayısıyla deneylerin hassasiyetini belirler. Yüksek luminosite, nadir olayların tespit edilme olasılığını artırarak, daha derin ve zengin bilimsel verilerin elde edilmesine olanak tanır.
Bu araştırmanın temel amaçlarından biri, yoğun radyasyon koşullarında dahi uzun süreler boyunca etkin çalışabilen, üstün hassasiyetle ölçüm yapabilen, yüksek mekanik dayanıklılığa sahip ve modern teknolojilerle donatılmış kompakt bir luminometre detektörünü simülasyon ortamında geliştirmektir. Bu çalışma aynı zamanda CMS için bir alt dedektör sistemi olarak tasarlanan FACET dedektörünün simülasyon ortamında detaylı bir biçimde geliştirilmesini amaçlamaktadır.
Luminometre detektörü kuvars çekirdekli fiberler, dönüştürücü plakalar ve foto-detektörler olmak üzere 3 ana bileşenden oluşmaktadır. FACET dedektörü ise hodoskop, bozunma hacmi, silikon iz-takip dedektörleri, elektromanyetik ve hadronik kalorimetreler olmak üzere birçok dedektörü bir arada bulunduran dedektör sistemidir. Luminometre ve FACET dedektörlerine ait bileşenlerin her birinin deneysel verileri Geant4 simülasyon uygulamasına entegre edilmiştir ve her bir donanım geometrik ve yapısal olarak optimize edilmiştir. Bu optimizasyonlar sonucunda luminometre ve FACET dedektörleri tüm bileşenlerinin bir araya getirilmesi ile tasarlanarak Geant4 simülasyon uzayında test edilmiştir. Bu simülasyonlar sayesinde luminometre ve FACET dedektörlerinin tasarım süreci büyük ölçüde iyileştirilmiş ve dedektörlerin gerçek koşul senaryoları için uygunluğu teyit edilmiştir.
Luminometre dedektörü parçacık hızlandırıcılarında kullanılabileceği gibi, nükleer enerji, nükleer tıp (PET/MRI), ulusal güvenlik, askeri uygulamalar, telekomünikasyon ve kuantum kriptografi gibi birçok uygulama alanına sahiptir. FACET dedektörü ise uzun ömürlü parçacıkların ve karanlık fotonların doğasını keşfederek yeni fizik araştırmalarının önünü açacaktır.

Abstract:
In today's world, comprehensive high-energy physics experiments equipped with advanced technology are conducted to explore the fundamental building blocks of the universe. These experiments facilitate the development of new physical theories and the discovery of rarely observed particles. In particle accelerator experiments, the center-of-mass energy of colliding particles may not accurately represent the depth of the research. Another critical factor in these experiments is luminosity, which indicates the frequency of collisions between particle beams per unit of time and thus determines the precision of the experiments. Increased luminosity improves the likelihood of detecting rare phenomena, thereby allowing for the acquisition of more in-depth and extensive scientific data.
The aim of this study is to develop a compact luminometer detector that provides precise measurements, can operate effectively even under high radiation levels, includes durable mechanical components, and is equipped with modern technologies. This study also aims to extensively develop the FACET detector, designed as a sub-detector system for CMS, in a simulation environment.
The luminometer detector consists of three main components: quartz core fibers, converter plates, and photodetectors. The FACET detector, on the other hand, comprises various detectors such as hodoscopes, decay volumes, silicon tracking detectors, electromagnetic and hadronic calorimeters. Each of these components has been integrated into the Geant4 simulation application, and each hardware has been geometrically and structurally optimized. As a result of these optimizations, the luminometer and FACET detectors have been designed by assembling all components and tested within the Geant4 simulation space. These simulations significantly improved the design process of the detectors and confirmed their suitability for real-world scenarios. 
The luminometer detector can be utilized in a particle accelerator, as well as in various application areas including nuclear energy, nuclear medicine (PET/MRI), national security, military applications, telecommunications, and quantum cryptography. The FACET detector, on the other hand, will pave the way for new physics research by exploring the nature of long-lived particles and dark photons.