ALICE의 실험장치

ALICE는 ‘A Large Ion Collider Experiment’ 를 줄여서 만든 이름 으로 CERN의 LHC에서 일어난 충돌 사건들을 연구하는 주요 실험들 중 하나이다. ALICE에서는 양성자(Proton) 또는 납(Pb)과 같이 무거 운 원자의 핵들이 높은 에너지로 가속되어 충돌할 때 생성되는 많은 수 의 강입자(hardron), 전자(electron), 뮤온(muon), 광자(photon) 등의 입자들을 검출하여 이들의 운동량 또는 에너지를 측정하고, 입자의 종 류를 분석을 가장 완벽한 방법으로 측정할 수 있도록 설계되었다. 이것 은 시공간이 진화되어 온 것을 복원하고 연구하기 위한 것이다. 이를

수행하기 위하여 많은 검출기(detector)들이 사용되었고, 각각의 검출 기들이 부분부분의 정보들을 과학자들에게 제공한다. 이러한 복잡한 시스템을 이해하려면, 각기 다른 관점과 다른 장치에서 동시에 현상을 관찰하는 것이 필요하다.

가. ALICE 검출기

CERN에서 가동 중인 ALICE 검출기는 대형 강입자 가속기로부터 발생하는 매우 높은 밀도의 입자들을 검출하기 위해 제작된 검출기이 다. ALICE는 높은 밀도의 입자들의 비행을 검출하여 궤적을 구성하게 되는데 ALICE의 외곽에는 낮은 자기장이 형성되어 있어서 hit 정보들 을 재구성 하게 되면 전하를 가진 입자의 경우 곡선의 궤적을 형성하게 된다. 이러한 궤적 정보들을 가지고 궤적의 최종입자를 정의하게 된다.

따라서 크게 궤적을 측정하는 장치와 입자 판별하는 장치로 나눌 수 있 다.

ALICE 검출기의 궤적 측정 장치는 내부궤적장치(ITS)와 시간투영 상자(TPC)가 있다. 내부궤적장치는 전하를 가진 입자들이 장치 내부 를 지날 때 발생하는 전자들을 표류시켜 궤적을 재구성한다. 내부궤적 장치를 통과한 입자가 시간투영상자를 지나면 그 안에 기체 분자를 이 온화하여 궤적을 따라 전자들이 생성된다. 이때 발생한 전자들이 검출 기에 도달하는 시간을 측정하면 전자의 표류방향을 알 수 있다. 이것으 로 전자의 위치를 찾아 입자가 지나간 삼차원 경로도 재구성할 수 있 다. 이 재구성된 궤적이 자기장 안에서 휜 정도를 측정하면 입자의 운 동량을 측정할 수 있다. 측정된 운동량과 전자들의 양(시간투영상자에 서 측정된 전자들의 양)으로부터 입자의 종류에 관한 정보도 얻을 수

있다.

[그림 4-4-3] ALICE 검출장치의 구조도. 왼쪽에는 중앙검출기, 오른쪽에는 뮤온 분 광기가 놓여 있다. ⓒCERN

궤적측정장치에서 측정한 입자의 운동량과 입자판별장치인 비행시 간검출기(TOF)가 측정한 입자의 속도로 입자의 질량을 계산해 입자의 종류를 알아낸다. 시간투영상자(TPC)를 통과하면서 입자의 에너지가 감소하지만 높은 운동량을 가진 입자들은 고운동량 입자확인장치 (HMPID)에서 검출하게 된다.

위의 그림4는 ALICE 검출기의 전체 구조이다. 이 중 입자를 정의하 는 데 가장 중요한 내부궤적장치, 시간투영상자, 전이방사검출기 (TRD), 비행시간 검출기, 고운동량입자확인장치 검출기에 대해 설명 하고자 한다.

[그림 4-4-4] 납 이온 충돌과 충돌 후 변화 ⓒCERN

1) Inner Tracking System(ITS)

내부궤적장치는 비 상대론적인 영역에서 입자를 판별하기 위한 검출 기이다. 내부궤적장치는 매우 낮은 운동량 입자(100MeV/c)들을 정확 히 측정할 수 있다.

ITS는 6개의 원통형 층들로 구성된 실리콘 검출기이다. 이 원통형의 6개 층들은 각각 충돌 중심으로부터 반지름이 r = 4, 7, 15, 24, 39 그 리고 44cm의 거리에 설치되어 있다. ITS 설치의 주요 목적은 트랙을 찾는 것과 트랙의 impact-parameter를 결정하기 위한 것인데 측정값 의 분해능을 높이기 위해서 충돌 중심과 가장 가까운 거리에 6개의 층 으로 나누어 설치되었다. ITS 의 최외각 반지름은 TPC(Time-Projection Chamber)에서 구성된 트랙과 ITS에서 구성된 트랙을 일치 시키기 위해서 사용되는 필수적인 요소라고 할 수 있다. 그리고 안쪽반 지름의 길이는 빔파이프(3cm)가 들어갈 공간이다. 첫 번째 층은 FMD(Forward Multiplicity Detector) 와 함께 좀 더 확장된 rapidity 범위에서 하전 입자들의 다형성을 측정한다. 매우 높은 입자들의 밀도 와 어느 수준 이상의 impact-parameter 분해능을 가능하게 하기 위해 서 최내각에 2개의 층이 사용되고 이어서 SDD(Silicon Drift Detector) 가 2개의 층을 구성한다. 그리고 바깥쪽 2개의 층에서는 입자의 밀도가 당 1 개 이하정도 되는데 이곳에는 double-sided silicon micro-strip detector가 설치되어 있다. 안쪽 2개의 pixel plane 을 제외하고 나머지 모든 층들은 비상대론(non-relativistic) 영역에서 입자를 정의하기 위 해 아날로그 신호를 판독하게 된다.

2) Time-Projection Chamber(TPC)-시간투영상자

TPC(Time-Projection Chamber) 는 주로 입자들의 운동량을 측정 하여 트랙을 구별하는 능력이 뛰어난 검출기이다. 그리고 트랙들의 vertex를 결정하는데 중요한 역할을 한다. 검출 가능한 pseudo-rapidity 영역은 인 영역으로 ITS 와 같은 영역을 검출한다. 검출할 수 있는 운동량 영역은 100GeV/c 값까지 가능하다.

[그림 4-4-5] (가) TPC에 의하여 재구성된 우주선 입자들의 궤적 (나) 납이온 충돌시 생성되는 입자의 궤적

3) Transition-Radiation Detector(TRD)-전이방사검출기

TRD는 barrel 영역에서 1GeV/c 이상의 운동량을 가지는 전자들을 찾아낸다. 그리고 멀리까지 도달하는 pion 들을 검출하여 pion 의 생성 량을 측정한다. 전자를 검출하는 이유는 이를 포함하고 있는 vector-meson resonances 들과 dilepton들의 생성량을 측정하기 위한 것이다.

그리고 전자 트랙의 impact-parameter와 ITS 에서의 측정값들을 결합 하여 1GeV/c 이상의 운동량을 가지는 charm과 beauty 쿼크의 량을 측정하는데 사용된다. TRD는 매우 빠르게 트랙을 찾아내기 때문에 높 은 Pt의 전자를 감지하는데 효과적인 trigger로 사용될 수 있다.

4) Time-Of-Flight(TOF)-비행시간검출기

비행시간검출기(TOF, Time Of Flight detector)는 입자가 한점에서 다른 점으로 이동한 시간을 측정하여 입자의 속도를 알아내는 장치이 다. 궤적측정장치로 측정된 입자의 운동량을 속도로 나누면 입자의 질 량을 구할 수 있으므로 입자의 종류를 알아낼 수 있다.

빔 입자들의 충돌지점 즉 ALICE 검출장치의 중심에서 약 4m 떨어 진 위치에 원통형으로 설치된 이 대형 검출기는 입자의 도달 시각을 50피코초의 정확도로 잴 수 있도록 설계되었다. 비행시간검출기가 둘 러싼 전체 면적은 150제곱미터인데, 이를 2.5 cm×3.5 cm 크기의 전 극 16만 개로 나누어 입자의 도달 위치를 구분한다. 넓은 면적에서 입 자의 비행시간을 측정하기 위해서 다중간극저항판검출기(Multigap Resistive Plate Chamber, MRPC) 기술이 사용되었다. 얇은 유리판들 사이에 가는 선을 사용하여 약 200미크론 정도의 작은 간극 10개를 만 들고, 그 간극 안에 기체(프레온 134a, SF6)를 채우고 강한 전기장(100 kV/cm)을 걸어준다. 검출기에 도달한 입자가 간극을 지나면서 기체를 이온화하여 전자들이 생성되면 강한 전기장에 의해 전자들이 이동하면 서 다른 전자들을 생성하여 수가 늘어나 측정 가능한 전기신호를 전극 에 유도한다. 이 검출기는 서로 다른 간극들에서 움직이는 전자들이 동 일한 전극에 신호를 유도하도록 설계되어 정규분포에 가까운 신호 크 기 분포를 나타낸다.

5) HMPID (High - Momentum Particle Identification Detector) - 고운동량입자확인장치

HMPID는 1GeV/c 운동량을 가지는 hadron들을 검출하는 데 사용 되는 검출기이다. 검출 영역은 ALICE 실험실의 barrel영역의 5% 정도 에 해당되는데 TPC 를 통과하면서 발생한 에너지 감소에도 불구하고 HMPID까지 도달한 높은 운동량의 입자들을 검출하게 된다. HMPID 는 두 입자를 구별하는데 상당한 기여를 하게 되는데 pi/K, K/p 입자 들을 구별하기에 유용하다.

3. ALICE의 모습