LHC 에서의 CMS 실험

1. LHC에서의 CMS 실험 by. 최광호

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 2. 입자의 검출은? • TOTTEM 과 LHCf • LHC에서 양성자-양성자, 혹은 납 이온- 납 이온 충돌이일어난 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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 붕괴할때뮤온이 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

12. 감사합니다