ESIPAP - Okulun Son Haftası

Sabah dokuzdan hemen hemen her gün saat altıya kadar süren ders ve uygulamalarıyla yaklaşık üç haftadır resmen 'suyumuzu çıkarmış' olan ESIPAP okulunda, bu hafta son haftamdı (Geçmiş yazılar için: I - II - III). Okul boyunca heybemde biriktirdiklerimi geri döndüğümde nasıl ve hangi şartlarda kullanabileceğime dair kimi zaman umut dolu, kimi zaman soru işaretleriyle artık yavaş yavaş eşyalarımı toplayıp gitme hazırlıklarına başladım.

Üçüncü haftaki program ilk iki gün boyunca süren kalorimetre ve yapay öğrenme dersleriyle başladı. Parçacık fiziği deneylerinde ortaya çıkan parçacıkların enerjilerini ölçmemizi sağlayan kalorimetre düzenekleri, deneyden deneye materyal, yapı ve çalışma yöntemleri anlamında epey farklılık gösterebiliyor. Sunumda, birçok deneyde kullanılan farklı kalorimetreler çalışma prensipleri ile tanıtılıp ardından önümüzdeki yıllarda LHC deneylerinde yapılacak geliştirmelerde kullanılacak yeni dedektörlerden ağırlıklı olarak bahsedildi. Özellikle CMS'in üzerinde yoğun olarak çalıştığı 'High Granular Calorimetry(HGCal)' dedektörü, birçok anlamda oyunu yeniden tanımlayıp çığır açma potansiyeline sahip görünüyor.

Parçacığın içinden geçerken kalorimetrede bıraktığı enerjiyi (farklı parçacıkları farklı renklerle) gösteren bir simulasyon görüntüsü. CMS'in HGCal dedektörü yukarıda gösterildiği şekilde parçacığın bıraktığı enerjiyi çok yüsek bir çözünürlükle ölçmeye aday.

Bu haftanın bir diğer dersinde ise Yapay Öğrenme (machine learning) yöntemlerine genel bir giriş yapılıp, sonrasında bu yöntemlerin özellikle 'Boosted Decision Trees' (Karar Ağaçları)'nın parçacık fiziği analizlerinde kullanımı detaylı bir şekilde işlendi. Şu ana kadar gördüğüm birçok yapay öğrenme dersinden çok daha farklı bir yönden giriş yapıp, bu alanın bir parçacık fizikçisinin gözünden nasıl göründüğünü gözleme fırsatım oldu. Yapılan sunumun güncelliği açısından ise, sunumu yapan kişinin Deepmind'ın geliştirdiği Alphastar sisteminin daha birkaç gün önce profesyonel Starcraft oyuncularını dize getirdiği gelişmesine bir slayt ayırmasıyla beni benden aldı diyebilirim. Parçacık fiziği analizlerinde yoğun olarak kullanılan ROOT temelli TMVA paketinin, popüler Python arayüzlü derin öğrenme 'framework'u Keras ile uyumlu olduğunu öğrenmek ve bununla ilgili bir uygulama görmek benim için haftanın en büyük aydınlanmasıydı herhalde.

 Yann Coadou'nun Yapay Öğrenme sunumundan bir kare

Çarşamba günü ATLAS deneyinde uzun yıllardır muon sisteminde çalışan deneyimli bir fizikçinin, Laurent Chevalier, harika bir dersini dinlemeye başladık. Yılların deneyimiyle damıttığı ve karşısındakilerin her bahsettiği noktayı anladığından emin olana dek sabır ve özveriyle açıkladığı epey kafa açıcı bir dersti. Bugünün bir diğer önemli noktası ise, buraya geldiğimden beri paralelinde hazırlık yaptığım, ATLAS deneyinde yazılım geliştirme ve operasyonuna destek verdiğim TRT(Transition Radiation Tracker) dedektörünün yıl içerisinde birkaç defa yapılan TRT Days etkinliğinde yapmam gereken sunumdu. Bunun için çarşamba öğleden sonra okuldan ayrılıp CERN'e geçtim ve 'Parçacık Tanımlama' alt toplantısında, Yapay Öğrenme yöntemleri ile elektronları daha iyi ayırt etmek üzerine yaptığım çalışmadaki ilerlememi sundum; epey güzel geri dönüşler alıp, deneyim uzmanları ile fikir alış verişinde bulunma fırsatım oldu. Akşamında da deneyin uzmanlarının bir kısmının katıldığı geleneksel 'TRT akşam yemeği'nde beraber pizzalarımızı yiyip, dedektör ve hızlandırıcılar üzerinden birçok ilginç konuda dönen tartışmalara dahil olma fırsatı edindim.

 Gün boyunca süren toplantının ardından ekipçe bir araya geldiğimiz TRT akşam yemeğinden bir anı

Haftanın dördüncü günü, üçüncü ve son deneyimiz olan silikon dedektörlerin uzun süre parçacık ve ışınıma maruz kalmaları ile ortaya çıkan hasarı ve bunun dedektör performansına etkisine dair bir deney yaptık. CERN'de SSD (Solid State Devices) ekibinin çalışma labaratuarlarına üç saat misafir olarak yeni geliştirmeler için araştırdıkları malzemeleri öğrenip, bizim için örnek olarak hazırladıkları düzeneklerde farklı dozda radyasyona maruz kalmış örneklerin elektronik özelliklerini ölçtük, hazırlayacağımız rapor için notlar aldık.

Perşembe gününün hatta belki de üç haftanın belki de en büyük olayı ise, şu anda uzun süreli verilen ara nedeniyle LHC tünelinde ziyarete açılan deneylerden biri olan, yerin 50 metre altında ALICE deneyini grup olarak ziyaretimiz oldu. Uğraştığımız konular gereği sürekli konuştuğumuz, haftalardır derslerde gördüğümüz dedektörleri 'kanlı  canlı' bir arada, devasa bir deney düzeneği içerisinde görme fırsatımız oldu. ALICE, LHC tünelindeki dört büyük deneyden biri (diğerleri ATLAS, CMS ve LHCb) ve çarpışmalar sonucu ortaya çıkan çok yüksek yoğunluk ve sıcaklığa sahip 'kuark-gluon plazma' ortamını inceleyen bir deney. Yapı olarak iç kısımda bir mıknatıs yardımıyla parçacıkları izlemeye yaran izleyici dedektörler ve dışarıda enerji ölçümünü sağlayan kalorimetrelerle ATLAS ve CMS deneylerine epey benziyor. 2021'de başlayacak yeni çalışmalar için yapılan geliştirmeler çoktan başlamıştı bile. Bu yaz fırsatım olduğu takdirde aynı şekilde ATLAS'ı da ziyaret etmeyi iple çekiyor açıkçası! Ziyaretimiz sırasında çektiğimiz bir kaç fotoğraf aşağıda.

CERN yakınında St. Genis kasabasındaki ALICE deneyinin (yer altında) yer aldığı bina.

Deneyin 50 metre yer altında yer aldığı 'cavern'e inen boşluğun yukarından bir görüntüsü. Deney bölgesini dışarıdan yalıtmak için denektör kalın beton bloklar içine gömülmüş durumda.

 Deneyin yer aldığı bölüme inen asansörde indiğimiz nokta 50.2 metre olarak gösteriliyor.

 ve deneyin açık mıknatıs kapakları ile platform üzerinden panaromik bir görüntüsü.

Bu da ekip olarak dedektörün önünde çektirdiğimiz anı fotoğrafımız :)

Yirmi günü aşkın bir zamandır devam eden yoğun tempolu okulun, benim açımdan sonuna ulaştık; her ne kadar üç haftanın sonunda ben ayrılıyor olsam da, program önümüzdeki beş hafta boyunca devam ediyor olacak. Dedektör simulasyonundan, elektroniğine, üretim metodlarından malzeme bilgisine birbirinden ilginç detaylı derslerle sürecek olan programın geri kalan kısmını önümüzdeki yıl tekrar başvurarak telaffi etmeyi umut ediyorum.

Okul bitmiş olsa da buradaki işlerim henüz bitmiş değil; bu cumartesi yola çıkıp bir hafta boyunca Slovenya, Lübyana'da düzenlenecek bir çalıştay + eğitim etkinliğine katılıyor olacağım, Boğaziçi'ndeki VBS (Vector Boson Scattering) analiz grubumuzdan gelecek bir arkadaşımla. Dönünce bir haftadır başlamış olacak yeni dönem ve yeni sorumlulukları düşünmemeye çalışarak, bu haftayı da verimli ve keyifli bir şekilde geçireceğimi umarak, günlüğü takip edenlere selamlarımızı gönderip deyip bu yazı dizisini de böylece sonlandıralım!

ESIPAP Günlükleri - Karlı bir İkinci Hafta

Fransa'da ESI (European Scientific Institute)'nin düzenlediği ESIPAP dedektör okulundaki ikinci haftayı da tamamladık (önceki iki yazı için: I - II). Geçen haftaki ısınma turlarından sonra bu hafta birçok konuda artık yavaş yavaş detaylara inmeye ve CERN ile ortak hazırlanmış pratik laboratuvar deneylerini yapmaya başladık. Normalde ortalama bir hafta süren okullara alışık olduğumdan, aynı konseptte bir ortamda iki hafta boyunca sabahtan akşama kadar derse girip çıkmak epey yormaya başladı; fakat derslerin içeriği, kalitesi ve böylesi bir fırsatı bir daha  kim bilir ne zaman yakalayacağım gerçeği yorgunluğumu fazlasıyla unutturuyor...

Haftanın ilk gününe 'Deneysel Asroparçacık Fiziği' dersi ile başladık. Astrofizik ve parçacık fiziğinin birçok yönden kesiştiği bu alan özellikle, galaksi içinde veya dışında birçok farklı kaynakta üretilip hızlandırılarak Dünya'ya ulaşan 'kozmik ışınlar'la ilgileniyor. İnsan yapımı hızlandırıcılarda ulaşabileceğimiz enerjilerin birkaç milyar katına kadar çıkabilen enerjilerdeki bu parçacıkların büyük bir kısmını protonlar oluşturuyor. Bu yüksek enerjili parçacıklar Dünya'ya ulaştığında atmoferdeki moleküllerle etkileşip çoğunlukla mezon ailesinden pion adını verdiğimiz parçacıkları üretiyorlar. Bu parçacıkların bir kısmı yüksek enerjili foton yayacak şekilde bozunup atmosferde önüne gelen başka atom ve molekülleri uyarmaya devam ediyor; diğer kısmı ise bozunarak yeryüzünde tespit edebildiğimiz elektronla kütlesi dışında çok benzer özelliklere sahip muon parçacıklarını oluşturuyorlar. Bahsi geçen olayların nispeten düşük enerjili olanları o kadar sık gerçekleşiyor ki, örneğin avucunuzu açtığınızda 1cm²'lik bir bölgeden dakikada ortalama 1 muon geçiyor fakat bu parçacıklar vücudumuzdaki maddelerle çok zayıf etkileştiğinden hiç etkilenmeden geçip gidiyorlar. Bu derste de özellikle bu parçacıkların olası oluşum bölgeleri ve özellikle bahsi geçen müthiş enerjilere ulaşma mekanizmaları üzerinde duruldu. Lisansta astrofizik konularına kafa yorarken bu konularla ilgili Korsika'da bir okula katılmıştım; her ne kadar o zamanlardan beri konuya epey uzak kalmış olsam da hala 'kulak dolgunluğum' olan konular sunumlar boyunca beni fazlasıyla idare etti. Buradaki derslerin en güzel kısmı, hemen teorik dersin ardından yapılan uygulamalar. Bunun için de dersi veren hocanın kendisinin çalıştığı Arjantinde'ki kozmik ışın deneyi Pierre Auger deneyinden bir senaryo üzerine hazırlanmış bir uygulama yaptık. Bize verilen problemleri tahtada çözüp bir protonun atmosferde başlatacağı parçacık selinin nasıl gelişeceğini ve nasıl bir dedektörle hangi hassasiyetle ölçebileceğimizi hesapladık.

Dünya'ya ulaşan kozmik ışınları oluşturan protonların atmosferle etkileşerek oluşturdukları ve yol boyunca bozunmaları ile oluşan parçacıklar şematik olarak gösterilmiş.

Haftanın ikinci dersi 'Parçacıkların Madde ile Etkileşimi' dersiydi; dersi ATLAS deneyinde benim de çalıştığım sinyal analiz kanalının (diboson) ATLAS koordinatörü Lucia di Ciaccio detaylı ve incelikle hazırladığı slaytlarla anlattı. Dedektörlerde parçacıkları gözlemenin en temel prensibini gözlemek istediğiniz parçacığın bir şekilde dedektör materyali ile etkilişime geçmesi oluşturuyor. Bu etkileşim farklı parçacıklar için farklı enerjilerde ve farklı materyallerde farklı farklı oluyor. Örneğin bir foton silikon bir dedektöre girdiğinde eğer düşük enerjiliyse etrafındaki atomları iyonize ederek (elektronlarını koparıp), orta büyüklükte enerjiye sahipse etraftaki elektronlara 'çarpıp' momentum aktaracağı Compton saçılması ile, eğer yüksek enerjiye sahipse etraftaki çekirdeklerin elektrik alanında bir elektron-pozitron çifti oluşturarak ilerliyor. Bu süreçlerin her birinin fiziği farklı farklı ve bu süreçleri etkili bir şekilde tespit etmek için de farklı yöntemler kullanılıyor. Bu konunun 'baş ucu denklemlerinden' biri Bethe-Bloch denklemi ile dersin uygulama oturumunda birçok problem çözüp, farklı farklı enerjilerdeki parçacıkları hangi yöntemlerle ve hangi hassasiyetle tespit edebileceğimizi tartıştık.

Farklı momentumlardaki muon parçacıklarının bakır bir materyalden geçerken birim uzunlukta bıraktıkları enerjiyi gösteren Bethe-Bloch eğrisi. Farklı enerjiler için farklı farklı mekanizmalar baskın olduğundan her momentum aralığı için farklı tespit etme yöntemleri düşünmek gerekebiliyor.

Haftanın üçüncü gününün tamamı, geçen dönem Boğaziçi'nde bir grup y.lisans/doktora öğrencisi grubu olarak aldığımız 'Tracking' dersinde aylarca kafa yorduğum ve ATLAS deneyinde de TRT dedektöründeki işler sebebiyle bir şekilde içinde olduğum 'Parçacık İzleme' yani 'Tracking' konusuna ayrılmıştı. Strasbourg Üniversitesi'nden gelen ve Japonya'daki Belle-II deneyinde çalışan Jérôme Baudot'nun verdiği ders benim için çoğu bildiğim şeyin tekrarı olsa da dönem boyunca çözmeye çalıştığımız problemde takıldığımız noktalar için bir çok fikir verdi. Bahsi geçen problem, hızlandırıcılarda çarpışma sonucu ortaya çıkan yüklü parçacıkların, dedektör içinde manyetik alanlar ve iç içe geçmiş birçok dedektör katmanı kullanarak yolunu takip edip, momentumunu hesaplayabilmek. 25 nanosaniyede bir, ortalama 50-60 çarpışma olduğunu [bu, saniyede ortalama 200 milyon çarpışmaya denk geliyor] ve her bir çarpışmadan 100'lerce yüklü parçacık çıktığını ve bunların her birinin dedektör içinde onlarca iz bıraktığını düşünürseniz, böyle bir ortamda iz sürmenin ne kadar zor olabileceğini hayal edebilirsiniz. Bu durum, 2026'da devreye girecek LHC'nin 'upgrade' edilmiş hali olan High-Luminosity LHC (HL-LHC)'de her 25 nanosaniyede 200'lere kadar çıkacak çarpışma sayısı ile çok ciddi bir problem oluşturmaya aday. Böylesi bir yoğunluğa karşı dedektör seviyesinde getirilen çözümlerin yanında özellikle parçacıkların izlerini oluşturmak için kullanılan algoritmalar konusunda da çok ciddi iyileştirmelere ihtiyaç duyulacak. Bu problemlerin çözümünü derin öğrenme gibi ileri istatistiksel yöntemlerle arayan birçok grup var ama henüz tatmin edici bir sonuç alabilen yok.

HL-LHC ile birlikte her demet kesişiminde artacak ortalama çarpışma sayısı ile bir çarpışmada ATLAS dedektörünün iç kısmında oluşacak yüzbinlerce izin simulasyonu. Bu izlerden yola çıkarak parçacıkların yollarının oluşturulması gerekiyor.

Bu haftaki ortak seminerde gelecekteki birçok hızlandırıcıda kullanılması muhtemelen bir teknoloji olan Lazer-Plazma hızlandırıcıları konu edinen bir konuşma vardı (Novel High Gradient Particle Accelerators). Almanya'nın hızlandırıcı araştırma merkezi DESY'den gelen bir araştırmacı, plazma halinde ortamdan geçen yüsek enerjili bir parçacığın etkisiyle, etkili bir şekilde parçacıkları daha küçük boyutta hızlandırıcılar kullanarak nasıl hızlandırdıklarından bahsetti. Bu teknolojinin prensipleri 70'lerde ortaya atılmış olsa da birçok zorluklar nedeniyle ancak yeni yeni uygulamaya konmuş durumda ve gelecek için de epey gelişmeler vaad ediyor.

Bu haftanın en vurucu kısmı ise perşembe günü grup olarak CERN'de bizim için özel olarak hazırlanmış labaratuarlarda, LHC ve gelecek birçok hızlandırıcının farklı yükseltme projelerinde çalışan kişilerin yönlendirmesiyle gerçekleştirdiğimiz deney uygulamalarıydı. Dörder kişilik gruplar olarak program boyunca toplamda yapacağımız 3 deneyin ikisini bu hafta gerçekleştirdik. Bizim bu haftaki deneylerimiz biri yeni nesil silikon temelli, özellikle ışığa hassas Silicon Photomultiplier (SiPM) dedektörler ve diğeri günümüzdeki parçacık fiziği dedektörlerinde özellikle muon'ların tespit edilmesinde (ve daha birçok konuda) kullanılan Resistive Plate Chamber (RPC) gaz dedektörleri üzerineydi. Detaylı bir şekilde hazırlanmış 'deney föylerimizle' deneyi yapacağımız labaratuarları bulup, bizim için hazırlanmış düzenekler üzerinde çalıştık, dedektörlerin karakteristik ölçümlerini aldık, çalışma mekanizmalarını bizzat üzerlerinde çalışarak öğrendik. Yaptığımız deneyleri başka bir yazıda etraflıca anlatmayı düşündüğümden çok detaylandırmayacağım ama bu deneylerle yaşadığım deneyimin bana nasıl hissettirdiğine kısaca değinmek istiyorum. Bir hafta öncesinde derslerde teorisini görüp, hemen ardından birçok gerçekçi deney senaryolarında nasıl davranacaklarının sorularını çözüp, sonrasında bu teknolojilerin harıl harıl test edilip, geliştirildiği yerde, yıllarını bu işlere adamış insanlardan bizzat öğrenmek yaklaşık 20 yılı geçen eğitim hayatımda sanırım geldiğim en uç nokta. Bu hissin özgünlüğünü bozmamak adına 'bizde neden böyle olmadığına' falan hiç girmek istemiyorum; kısacası fazlasıyla tatmin edici bir histi.

CERN'de yaptığımız iki deneyin düzenekleri: RPC (solda), silicon photomultiplier (sağda)

Bunun dışında bu hafta boyunca İsviçre'nin tipik kış görüntülerini teyit edercesine hafta boyunca sürekli kar yağdı. Her ne kadar dolu program nedeniyle her gün ancak camdan izleyebilsek de İstanbul'da hasret kaldığım beyaz renge fazlasıyla alıştım bile... Önümüzdeki hafta okuldaki son haftam; program, hızlandırıcı deneylerindeki temel dedektör sistemleri olan kalorimetre ve muon dedektörleri ile devam edecek. Önümüzdeki hafta itibariyle de artık yavaş yavaş veri analizi konularına girmeye başlayacağız. Her zamanki gibi iple çekiyorum...