본 연구실에서는 고 에너지 입자 물리학 실험 분야에 대해 연구하고 있습니다. 국내외에서 진행되고 있는 입자 물리학 실험에 참여하여 새로운 입자를 발견하거나 그 성질을 연구, 또는 미래에 진행될 실험에 대한 준비 과정으로 새로운 입자 검출기를 개발하고 있습니다. 또한 고 에너지 입자 물리학 분야에서 다루는 실험 데이터의 크기가 매우 크기 때문에 이를 효율적으로 처리하기 위해 그리드 컴퓨팅의 활용에 대해서도 함께 연구하고 있습니다.
본 연구실에서는 미국 페르미 연구소(Fermilab)의 CDF Run II실험과 유럽 입자물리학 연구소(CERN)에서 진행되는 CMS 실험에 참여하고 있습니다. CDF 실험에서의 지난 수 년간의 실험 결과로 입자 물리학의 표준 이론이 정립될 수 있었으며, 특히 top 쿼크의 발견 등과 같이 매우 중요한 연구 성과가 있었습니다. 한편 CMS 실험은 2009년부터 본격적으로 가동될 예정이며, 힉스 입자나 초대칭 현상과 같은 중요한 물리 현상을 발견할 것으로 기대하고 있습니다.
CMS (Compact Muon Solenoid) 실험은 유럽 입자물리 연구소 (CERN)에서 진행중인 Collider 실험입니다. CERN의 LHC(Large Hadron Collider) 가속기는 약 7TeV 의 매우 높은 에너지로 양성자 - 양성자를 충돌시켜 새로운 입자를 만들어 냅니다.
2009년을 기해 현재 LHC 가속기를 이용한 실험들이 진행 중이며 현대 물리학의 최첨단에서 지금까지 알려져 있던 물리학적 지식들을 정밀하게 측정함과 동시에 새로운 이론들에 대한 검증을 진행하는 단계입니다. 본 연구실에서도 이 실험에 다양한 분야에 참여하며 국 내,외의 타 연구실과 협력을 통해 실험 진행에 많은 기여를 할 수 있도록 노력하고 있습니다. 현재 저희 연구실에서 CMS 실험에 기여하는 분야는 다음과 같습니다.
스위스 제네바에 위치한 CERN에 대학원생을 파견하여 연구에 직접 참여할 수 있도록 하고 있습니다.
CDF(Collider Detector at Fermilab) 실험은 미국 중부 시카고 근교에 위치한 페르미 국립 연구소(Fermi National Accelerator Laboratory) 에 있는 테바트론 입자 가속기를 이용한 입자 검출기 실험 중 하나입니다, 테바트론 입자 가속기는 매우 높은 충돌 에너지(2조 전자볼트 ; 2.0TeV)로 양성자-반 양성자를 가속시켜 검출기 내에서 충돌시킵니다.
CDF 실험에서는 과거 Run I을 통해 표준모형의 마지막 쿼크인 톱쿼크를 발견하는 등 중요한 연구 결과를 많이 낸 바 있으며, 현재는 세계 12개국에서 온 700여명의 물리학자들에 의해 Run II 실험이 진행되고 있습니다. CDF Run II 실험은 2001년 여름부터 시작되었고 2009년까지 진행될 예정입니다. LHC나 ILC 등의 차세대 입자 가속기 실험이 시작되기 전까지 입자 물리학 연구에서 중요한 역할을 해 나가고 있습니다.
CDF 실험에서는 높은 충돌 에너지와 detector 성능의 장점을 살려 힉스 입자, 초대칭 현상의 탐색, Top quark, Electro-Weak interaction의 정밀 측정, 그리고 B 중간자 계의 연구에 초점을 맞추어 연구가 진행되고 있습니다.
CDF II 한국 연구 그룹은 성균관대학교, 서울대학교, 경북대학교로 구성되어 있습니다. CDF실험에서 입자의 비행 시간을 측정하는 TOF검출기의 테스트 및 유지 보수를 담당하였고 여러 물리 연구 그룹에 소속되어 연구 결과에 공헌합니다. 본 연구실은 CDF의 물리그룹에서도 규모가 가장 큰 B 중간자 그룹에서 중간자에 관한 여러 물리 현상을 연구하고 있습니다. 연구 수행을 위해 박사과정 및 석사과정 학생을 현지로 파견하여 해외 공동 연구를 수행하고 있습니다.
Principles of RENO experiment
RENO 실험은 중성미자의 진동상수인 를 구하는 것을 목적으로 하는 실험입니다. 중성미자는 전자 중성미자, 뮤온 중성미자 그리고 타우 중성미자 이렇게 세 가지 종류가 있는 것으로 알려져 있는데 처음 특정 종류로 생성 된 중성미자는 시간에 따라 위의 세 가지 상태를 오가면서 진행하게 되는데 이를 중성미자 진동 현상이라 합니다.
이러한 중성미자 진동 상수는 곧 전자 중성미자가 발생원으로부터 날아가면서 얼마나 많이 사라지는 것으로 관측되는지를 관찰함으로서 측정 될 수 있습니다. 실험을 위해 중성미자 발생원(여기에서는 원자력 발전소)을 기준으로 근거리와 원거리에 두 개의 동일한 중성미자 검출기를 설치하고 각각의 검출기에 얼마나 많은 중성미자가 도달하였는지 비교합니다.
중성미자는 낮은 확률로 중성자와 반응하여 양성자를 만들 수 있는데 이 때 중성미자가 원래 가지고 있던 에너지에 의해 빛이 발생하게 됩니다. 구체적으로는 Liquid scintillator(줄여서 LS)에 전자 중성미자가 반응하면서 양성자가 중성자로 바뀌게 되고 중성자가 gadolinium이라는 중성자 흡수력이 강한 원자에 캡쳐되면 빛이 발생하게 되고 양성자가 중성자로 바뀌는 과정에서 양전자가 생성되는데 이 양전자가 포톤으로 바뀌면서 이 포톤이 LS를 들뜨게 해서 빛을 내고 이 빛이 ppo와 Bismuth를 지나 PMT(photomultiplier tube)라는 센서가 잘 측정할 수 있는 영역대의 빛이 된다. 중성미자를 검출하기 위해 거대한 탱크에 Liquid scintillator와 Gd - Liguid scintillator를 채워넣고 그 외부에 Mineral oil과 water를 채워넣습니다.
결과적으로 peak이 2개가 발생함으로써 중성미자가 관측되었다는 것을 알 수 있으며 근거리와 원거리의 검출장치의 값의 차이로 진동상수를 구할 수 있다.
고에너지 가속기 실험에서 충돌 지점에 가장 가깝게 배치되는 Silicon Detector는 빠른 시간에 지나가는 입자들을 수집하여 정보를 전달해야 하는 역할을 담당합니다. 이런 Silicon Detector는 빠른 반응성과 높은 정확도를 가져야 하지만 고에너지 입자와 지속적으로 충돌하게 되어 결정 구조가 변형되면서 점점 성능이 떨어지게 됩니다. 현재 CMS Detector에서 사용되고 있는 Silicon Strip Sensor는 좋은 성능을 가지고 있으나 내구성에서 약점을 갖고 있습니다. 미래에 Strip Sensor를 대체하고 더 높은 내구성과 높은 성능을 가진 새로운 형태의 Silicon Sensor를 연구하고 있습니다.