LHC에서의 CMS 실험 by. 최광호

1. Large Hadron Collider (LHC, 거대강입자가속기) 전자기력 : 대전된 입자들 사이에 작용하는 힘으로 광자에 의해 매개됨 약력 : 모든 입자에 작용하나 그세기가 약하고 W, Z 보존이 이를 전달함 강력 : 글루온에 의해 상호작용을 하고 쿼크와 쿼크 사이에 작용하는 힘 강한 상호작용을 하는 입자 : 강입자 강입자 : 메존(쿼크둘), 바리온(쿼크셋) 결국 거대강입자가속기라는 것은 쿼크들로 이뤄진 어떤 입자를 가속, 충돌시켜 그로인해 생기는 부산물을 관측하는 실험

1. 어떤 입자들을 충돌 시키나? Quark로 이루어진 Meson(파이온(π+,π-,π0),케이온(K+,K-,K0)), Baryon(중성자, 양성자 등) LHC에서는 양성자 두개를 거꾸로 가속시켜 충돌시킴 지하 100정도의 깊이에 굴을 파 원형터널 설치 수소에서 전자하나를 떼어낸 양성자를 다발로 만들어서 궤도를 따라 돌며 가속 터널의 한 지점에 전기장을 걸어 가속, 곳곳에 자기장을 걸어 회전, 한 개씩 정확히 충돌시키는 것이 불가능하기 때문에 양성자 다발을 여러 개 만들어 충돌시킴

2. 입자의 검출은? 3천개의 다발에 각 1천억개의 양성자가 들어있지만 2천억개가 지날 때 20개정도 충돌 다발이 1초에 3천만번씩 지나가기 때문에 1초에 6억번 정도의 충돌 만듬 이과정에서 쏟아져 나오는 2차 입자들의 검출이 중요 LHC는 총 6개의 실험을 수행함 ATLAS, CMS, ALISE, LHC-B라는 총 4개의 검출기와 LHC-f와 TOTEM이라는 실험이 있음. ATLAS(A Large Toroidal Lhc ApparatuS) 와 CMS(Compect Muon Solenoid) 실험 ATLAS와 CMS는 LHC실험의 주된 실험으로 충돌로 인해 생성된 입자들을 분석하여 힉스보존의 존재여부, 초대칭 입자, 여분차원, 암흑물질들을 탐색

2. 입자의 검출은? ALICE(A Lgrge Ion Collider Expreiment)실험 납핵과 납핵을 충돌시켜 강력에 의해 양성자와 중성자 등으로 단단하게 묶여있는 쿼크가 그 속박에서 벗어나 상전이를 일으킨 것과 같은 쿼크글루온플라즈마 상태에 대한 연구를 수행 우주 초기의 상태와 비슷한 상황을 재연 하려 함 우주는 초기에 매우 뜨겁고 매우 밀도가 높았을 것인데 그 때의 입자들은 지금과 같은 형태로 속박된 상태가 아닌 쿼크글루온플라즈마 상태로 존재했을 것이라 이론적으로 생각됨 그와 비슷한 고온고밀도 상황을 만든 ALICE 실험의 결과를 잘 연구하면 초기 우주를 이해하는데 도움이 될수 있음  미국의 RHIC 실험 LHC-B 실험 1928년 디락은 전자와 똑같은 질량과 스핀을 가진 양으로 대전된 대응입자, 양전자 있을 것이라 예상함  반물질이 있을 것 이라는 것 알게 됨  그러나 우주에서는 반물질은 거의 없고 물질로만 가득 참  CP 대칭성 깨짐 B쿼크로 이루어진 B 메존의 붕괴과정을 관측하여 CP대칭성이 깨지는 현상확인 우주초기에 물질과 동등한 수만큼 존재하였던 반물질이 어떠한 과정을 거쳐 사라지게 되었는지를 알 수 있어 초기 우주에 대한 이해를 확장시킬 수 있을 것이라 기대  일본의 Belle

2. 입자의 검출은? TOTTEM 과 LHCf LHC에서 양성자-양성자, 혹은 납 이온- 납 이온 충돌이 일어난 후 빔 방향으로 날아온 하드론의 제트들을 검출하는 장치 LHCb처럼 충돌 위치로부터 접선방향에 위치함 새로운 입자를 찾는 일을 하는 것이 아니라 강한 상호작용의 여러 양상을 관찰하고 시험함 빔의 상태나 빔의 충돌 상태를 모니터링 하는 일도 이 검출기들의 중요한 업무임 CMS(Compact Muon Solenoid) 검출기 입자 실험에서 충돌 결과를 이해 하기 위해서는 충돌 시간과 입자가 날아가는 방향, 운동량, 에너지를 알아야 하며 거대한 입자검출기는 그 정보들을 얻기에 적합한 검출기들의 합임

2. 입자의 검출은? CMS(Compact Muon Solenoid) 검출기 입자 검출기는 크게 네가지 부분 버텍스 디텍터 : 입자들이 날아다니는 빔 파이프 제일 안쪽에 충돌이 일어난 지점을 정확하게 측정할 수 있는 버텍스 디텍터가 있음고 트랙킹 디텍터 : 버텍스 디텍터 밖에 드랙킹 디텍터가 감싸고 있음 검출기 전체를 감싸고 있는 마그네틱 코일에 의해 생성된 자기장으로 인해 대전된 입자들이 경로가 휘게 되어 휘어진 정도로 부터 입자의 운동량을 계산 칼로리미터 : 위의 장비들을 감싸고 있는데 충돌로 인해 생성된 입자들은 칼로리미터 안의 분자들 과 충돌하여 그 에너지를 잃고 사라짐 칼로리미터가 얻은 에너지를 계산함으로써 사라진 입자의 에너지를 얻을 수 있음 솔레노이드 : 그 바깥에 자기장을 만들어내는 거대한 솔레노이드가 놓이게 됨 이것은 일반적으로 사용하는 꼭 필요한 것들이고 각 실험에 따라 최적화된 검출기들을 설치하여 이용

2. 입자의 검출은? CMS(Compact Muon Solenoid) 검출기 크기는 반경 15m, 길이 21.6m, 총무게가 12500톤 픽셀 디텍터, 실리콘 트레커, 전자기 칼로리미터, 하드론 칼로리미터, 초전도 솔레노이드, 뮤온 디텍터등의 수많은 소형 검출기의 집합체임 양성자다발이 충돌하게 되면 아래 그림과 같이 수많은 2차 입자들이 생성 생성되는 모든 부산물을 눈으로 직접 볼 수 없음  너무 많은 입자들이 쏟아져 나오기 때문이기도 하고 어떤 것들은 생성되자마자 붕괴하여 사라지 기 때문  비교적 붕괴시간이 긴 입자들의 운동량과 에너지 등을 분석하여 직접적으로 볼 수 없는 것까지 추론하여 알아내야 함 CMS 검출기 모식도를 보면 양성자가 날아다니는 빔파이프를 둘러싸고 있는 가장 안쪽에 픽셀 디텍터에 해당하고 실리콘 트래커는 트래킹 디텍터로 쓰임. 양성자다발의 충돌로 인해 생기는 입자들은 여기에 궤적을 남기고 날아감

2. 입자의 검출은? CMS(Compact Muon Solenoid) 검출기 전하를 띈 입자가 자기장 안으로 날아들어오면 자기력에 의해 원운동 전하의 종류에 따라 휜 방향을 보고 양,음전하를 띈 입자인지 구분 원운동 궤적의 휜 정도를 보고 입자의 운동량 계산 이렇게 알아낸 입자의 운동량은 충돌할 때의 상황을 이해하는데 중요한 역할 픽셀 디텍터와 실리콘 디텍터를 지나 날아가던 입자는 칼로리미터를 지나면서 칼로리미터의 분자들과 충돌을 하며 그 에너지를 잃음 CMS실험에서는 전자기 칼로리미터와 강입자 칼로리미터를 쓰고 있음 CMS의 전자기 칼로리미터는 작은 컵 만한 사이즈의 1.5Kg 짜리 고밀도 크리스털이 61,200개로 이루어져 있음 그리스털로 전자나 광자가 지나가면 분자와 부딪히고 에너지를 넘기게 됨 그렇게 들뜬 분자가 다시 안정된 상태로 가면서 빛을 내고 이 빛을 검출하여 에너지 측정  전자와 광자는 이 단계에서 에너지를 모두 잃고 사라짐

2. 입자의 검출은? CMS(Compact Muon Solenoid) 검출기 양성자, 중성자, 파이온, 케이온과 같은 강입자들은 강입자 칼로리미터에 의해 검출 강입자 칼로리미터는 고밀도 흡수체와 플라스틱 신틸레이터를 여러 겹 겹쳐놓아 만들었으며 강입자가 황이나 철로 되어 있는 흡수체를 때리면 연쇄반응에 의해 수많은 2차 입자들이 생성 이렇게 생성된 입자들이 플라스틱 신틸레이터에서 반응하여 전자기 칼로리미터에서처럼 빛을 내게 되면 그 빛을 측정하여 어떤 에너지의 입자가 들어왔는지를 추정 전자기 칼로리미터와 강입자 칼로리미터에 의해 측정된 에너지로 충돌 시 상황을 역으로 그림 정보를 종합하여 어떤 입자가 어떤 에너지를 가지고 있었는지 파악 그림을 보면 과정을 이해할 수 있음

3. CMS로 확인하려 하는 것 힉스보존 존재여부 규명 힉스 입자는 물질을 직접 구성하는 입자도 아니고 기본 힘을 매개하는 것도 아니며, 이론적으로 다른 입자들에 질량을 부여하는 입자임 에너지 보존 법칙에 따르면 붕괴하기 전 상태의 질량보다 큰 질량을 갖는 입자가 나올 수 없는데, 중성자(약 1GeV)가 약한 상호작용에 의해 베타 붕괴할 때 자기보다 훨씬 더 무거운 W 보존(약 80GeV)이 등장할수 있는 (n0p++e-+-ve)이유는 힉스가 관여하는 것으로 설명 가능하다는 것 이론적으로 태초에 우주는 완벽한 진공 상태가 아니라 힉스장으로 채워져 있었으며, 이 힉스장의 진공 기대치는 영이 아니어서 이 장과의 상호작용을 통해 모든 입자들이 질량을 갖게 되었고, 질량이 생긴 입자들은 상호작용을 통하여 뭉치고 흩어져서 현재와 같은 우주로 진화했다 가정 하지만 힉스는 아직까지 존재여부가 확인된바 없음 직접적으로 검출할 수 없으므로 힉스 입자가 붕괴할때 뮤온이 생성되는데 뮤온을 검출함으로써 간접적으로 힉스의 존재여부를 볼 수 있을 것 Calorometer 바깥쪽으로 뮤온 검출기가 여러겹 있는 것으로 부터 이 실험이 힉스 입자의 발견에 초점을 맞춰 설계되었기 때문이라는 것을 알 수 있음

감사합니다