CMS Deneyinde Ek Boyutlu Kara Delik ÜreJm ve

CMS Deneyinde Ek Boyutlu Kara Delik Üre6m ve Bozunumu Halil Gamsızkan Türk CERN Forumu Semineri 11 Aralık 08 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR Az sonra.. • 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
Mini kara delik fikri nereden geliyor? ADD Modeli Kara delik üre6mi Kara delik bozunumu Kara delik olayının imzası SM fon olayları CMS deneyi için KD simülasyonu Dünyanın sonu? 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 1 LHC’de Mini Kara Delikler •  ADD Ek Boyut Modelinin (1998) bir öngörüsü. •  Bu model milimetre alU mesafelerde güçlenen kütleçekim kuvve6 öngörüyor. •  Mevcut kütleçekim yasasıyla LHC enerjilerinde kara delik üretmek mümkün değil, çünkü LHC enerjileri için öngörülen Schwarzschield yarıçapı çok küçük. •  Üst boyutlu mini kara delikler “fikri” 1998’de (Argyres et. al.), LHC’de mini kara delikler fikri 1999 yılında (Landsberg et. al.) ortaya aUldı. 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 2 ADD Modeli •  ADD Modeli: –  Hiyerarşi sorununa çözüm olarak önerildi. Soruna SUSY’ye ih6yaç olmadan çözüm sunuyor. –  Model Planck kütlesini (MPL=1/√GN) TeV skalasına indiriyor (M4+n). –  n‐kapalı ek boyut varsayılıyor; boyutların ortak yarıçapı R< O(mm) –  n=2‐>7 için R≈0.1 mm ‐>103 fm –  Sadece kütleçekim (gravitonlar) tüm n‐boyutlu uzaya yayılabilir, diğer parçacıklar 3‐boyutlu “brane”e hapis (sicim kuramı bağlanUsı) –  Tüm ek boyut sayıları için deneysel alt sınır: M4+n >~ 1 TeV. 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 3 LHC Usulü Mini Kara Delik Tarifi Malzeme: İki adet parton, partonların KM enerjisi > M4+n Yapılışı: •  Partonları enerjilerine karşılık gelen Schwarzschield yarıçaplı disk içine ge6rin. •  Süratle servis yapın zira kara deliğiniz ~10‐26 saniye içinde bozunacak. “Black disk approxima6on” (Parton seviyesi tesir kesi6) 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR KD’nin yaşam süresi 4 Özetle.. •  Mekanizma astrofiziksel KD üre6mi ile aynı: Herhangi bir miktar enerjiyi, ona karşılık gelen Schwarzschield yarıçaplı bir “küre” içine sıkışUrın (Hoop Conjecture). •  ADD senaryosu aynı enerji için daha büyük Schwarzschield yarıçapı öngörür. LHC enerjilerinde kara delik üre6mi bu şekilde mümkün olabiliyor. 5 TeV kütleli klasik bir KD için rS=1.3x10‐50 m (<<lP) 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 5 Kara Delik Bozunumu: Hawking Işınımı • 
• 
Mini kara delikler dev astrofiziksel kuzenleri gibi Hawking Işınımı yayar. Mini kara delikler için Hawking ışınımı ana bozunum mekanizmasıdır. Hawking ışınımı mekanizması: –  SM parçacıkları yayılır. Mekanizma ısıl tabiayadır, yani yayılan parçacıkların enerji dağılımı kara deliğin Hawking sıcaklığına (TH) karşılık gelen Planck dağılımına uyar. –  KD’nin kütlesi azaldıkça Hawking sıcaklığı artar. Mini kara deiklerin çok hızlı bir şekilde bozunmasının nedeni budur. Bozunma esnasında bile sıcaklık artar. –  Mekanizma tüm parçacık türlerine eşit mesafeli: Bir parçacık türünün yayılma olasılığı DOF’una eşizr (dolayısıyla ~%75 jet, ~10% yüklü lepton...) –  Yayılan parçacıkların açısal dağılımları homojendir. Ancak KD ilk oluştuğunda z ekseni üzerinde hareket halindedir, bu da Zenit açısı (Θ) dağılımını dikey yönü tercih ederek bozar. Mini kara delikler için TH=O(TeV) Astrofiziksel KD (MKD=3M) için TH=10‐12 eV 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 6 Kara Delik Olayının İmzası •  Olay imzasını Hawking Işınımı belirliyor •  Olaydaki parçacık türleri: Olayda her tür parçacık bulunuyor, ancak en önemlisi b quarklar, yüklü leptonlar ve fotonlar. •  Görece yüksek mul6plicity, ciddi miktarda hadronik faaliyet •  Transverse yöne önemli miktarda enerji yayılımı. •  Tüm parçacıklar kütlesi olaydan olaya değişebilen (rezonans/parçacıklardan farklı olarak) “tek bir cisimden” geliyor. 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 7 Kara Delik Olay İmzası Unstable decays included (except Taus) Prompt par6cles only 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 8 Kara Delik Olay İmzası 5 TeV black holes 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 9 CMS’te MBH=4 TeV Kara Delik Olayı 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 10 SM Fon Olayları •  Lepton/foton içeren, transverse düzleme fazla enerji yayan ve yüksek tesir kesitli SM olayları: Süreç Tesir kesi4 W+n Jet 40 pb ‐> 45000 pb Z+n Jet 5 pb ‐> 4400 pb Gamma + n Jet 0.9 pb ‐> 0.2 mb QCD dijet 0.1 K ‐> 1.5 mb Lbar 1.5 pb ‐> 62 pb KD Sinyali 0.06 pb ‐> 54 pb ( düşük MPL için nanobarn’a kadar çıkabilir) 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 11 Kara Delik Olayı Seçimi •  Şu an üç ayırdedici değişken kullanmaktayız: –  SumET: Olaydaki tüm parçacıkların PT’lerinin skaler toplamı. Ana ayırdedici değişken. –  Lepton+Photon mul6plicity: QCD olaylarında lepton veya foton görmeyi beklemiyoruz. –  Aplanarity: Sphericity tensörünün en küçük özdeğerinden hesaplanan bir “Event shape variable”. •  HLT söz konusu olduğunda, tüm parametre noktaları için yine SumET ve özellikle hadronik triggerlarında 100%’e oldukça yakın etkinlik değerleri bulmaktayız. 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 12 Sinyal‐Fon KarşılaşUrması 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 13 Sonuçlar ilumi: 100/pb Gumbo: QCD, photon+jets Chowder: W/Z+jets, y+jets 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 14 Dünyanın Sonu? •  Mini kara deliklerin çeşitli ortamlarda nasıl davranacağı ayrınUlı biçimde çalışılmış durumda [ör. bkz. LSAG review ‐ arXiv:0806.3414]. Çıkan sonuç ise gerçekleş6ği tak6rde KD olaylarının herhangi bir standart model ötesi sinyal olacağı. LHC’de KD üre6minin herhangi bir sorun doğurmayacağına dair birkaç basit argüman: –  Doğa büyük patlamadan beri yüksek enerjili kozmik ışınların her türden gök cismi ile çarpışmaları çerçevesinde tam 1031 LHC programını zaten gerçekleş6rmiş durumda. –  Doğa saniyede 1013 lik bir hızla bunu yapmaya devam ediyor. –  Yüksek enerjili kozmik ışınların beyaz cüceler veya nötron yıldızları gibi yoğun gök cisimleri ile çarpışmalarında ciddi sayılarda mini kara delik üre6mi olması beklenir. Bu gök cisimleri kara deliğin çevresindeki maddeyi yutarak hızla büyüyebilmesi için çok uygun bir ortam sağlıyor. Dolayısıyla kara delikler bozunuyor olmasalardı bu tür gök cisimleri nadir gözlenir olmalı, gözlenenlerin de oldukça genç olmaları gerekirdi. Bu durum gözlemsel veri ile çelişiyor. 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 15 Sonuç •  ADD ek boyut modeli LHC enerjilerinde mini kara delik üre6mi öngörüyor •  KD üre6m tesir kesitleri pb mertebesinde •  KD fiziği laboratuvar ortamında uzay‐zamanın yapısı, genel görelilik kuramı ve quantum kütleçekim çalışabilme ortamı sağladığı için önem taşıyor •  KD sinyali ADD modeli ve Hawking ışınımı için deneysel kanıt sağlayacakUr 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 16 Teşekkürler Sorularınız? 11 Aralık 08 Halil Gamsizkan ‐ CERNTR 17