CMS 검출기

검출기는 아주 커다란 디지털 카메라라고 상상할 수 있다. 그러나 다 른 점이 있다면, 디지털카메라는 손에 들 수 있을 만큼 작게 만드는 반 면, 입자검출기는 보통 5~6층의 건물만큼 크게 제작된다는 것이다. 그 리고 디지털카메라는 빛을 감지하는 CCD라는 센서를 통해서 제작되 지만, 입자검출기는 빛뿐만 아니라 여러 다양한 입자들이 직접 센서에 남긴 신호를 모아 저장하는 장치이다. 마지막으로 검출기에 장치된 셔 터는 촬영된 사건의 내용을 빠르게 컴퓨터로 분석하여 이를 추가 분석 을 위해 저장할지 아니면 버릴지를 판단하는 자동셔터를 가지고 있다 는 점이다. 이를 보통 실험 물리학자들은 트리거(방아쇠)라고 부른다.

보통 한 개의 충돌사건으로부터 생성된 입자들이 만든 궤적들을 모아 논 CMS 이벤트 데이터 파일의 싸이즈는 대략 3MB(Mega Byte) 정도 이다.

CMS 검출기의 단면은 반지름이 7.3m이고 거대한 12각형의 모양을 하고 있다. 양성자 빔이 충돌하는 중심부터 빔 파이프를 지나, 3개 층 으로 구성된 실리콘 픽셀들을 지나갈 때 생기는 전류를 검출함으로써, 입자와 센서와의 충돌위치를 알 수 있고, 이를 보통 hit이라 부른다. 여 러 층에 남겨진 hit들을 연결하면, 입자가 지나간 궤적을 재구성할 수 있게 된다. 한편 궤적을 남긴 하전입자는 4개의 큰 자기장 안에서 움직 이게 되므로, 그 휘어지는 방향과 곡률을 알게 되면, 그 입자의 전하와 운동량을 결정할 수 있게 된다.

[그림 4-3-3] CMS의 구조

[그림 4-3-4] CMS의 단면

실리콘 궤적 검출기 다음으로는 전자기열량계와 하드론열량계가 있 는데, 전자기열량계는 광자와 전자 같은 입자가 와 같이 투명의 신칠레 이팅 소재를 만나 발생시킨 형광 빛을 APD라 불리는 광증배다이오드 를 통해 검출함으로써, 그 입자들의 총 에너지를 알 수 있는 검출기이 다. 한편 하전 파이온과 케이온, 양성자와 같은 입자들은 전자기열량계

와는 잘 반응하지 않아, 구리와 신틸레이터가 샌드위치 형태로 구성된 하드론 검출기를 통해 그 에너지를 측정하게 된다. 끝으로 뮤온은 쉽게 하드론 검출기마저도 빠져나가, 초전도 솔레노이드 자석 밖에 설치되 어 있는 뮤온 챔버에 남긴 hit을 관측함으로써, 뮤온의 존재를 확인할 수 있게 된다. 앞에서도 언급한 바 있지만, 이렇게 복잡한 검출기도 중 성미자의 검출에는 속수무책이다. 이는 중성미자가 전자기 상호작용과 강한 핵 상호작용을 하지 않아 실제로 대부분 검출기에 아무런 흔적도 남기지 않고 유유히 빠져나가 우주 밖으로 사라지기 때문이다.

[그림 4-3-5] CMS의 전개도

[그림 4-3-6] CMS에서 검출되는 입자의 궤적