Lecture Accelerator / Detector

여전히 accelerator는 잘 모르겠다. 아무래도 올려놓은 파워포인트를 다시 보면서 좀 개념을 잡아야 할 듯. 도저히 무슨 말인지 잘 감이 안 잡힌다. 더군다나 오늘 아침에는 늦게가서 맨 꼭대기에 앉았다니 ppt가 blur 해 보여서 내용을 이해하기 어려웠다. 프로젝터로 쏜 화면이 흐릿하게 보이는 것이 작년 여름부터인가 계속되었는데, 안과갔을 때는 이상없다고 하고..... 눈 찡그리면 잘 보이는 걸 봐서는 'x'막이 충분히 잘 작동을 안해서 focusing을 못해주는 것 같다. 아무래도 강의 들을 때를 대비해서라도 안경하나 맞춰나야 하지 않을까 싶다. 내일 부터는 좀 일찍가서 앞자리에서 볼 수 있도록 노력해야 할 듯.

Reigler의 detector 강의는 꽤 좋았다. 첫 강의는 입자물리의 역사를 instrumentation의 관점에서 설명했는데 GATE A로 들어오면 널부러져 있는 철고물 들 중 하나의 정체를 알 수 있었다.

<Wikipedia : Microcosm>

이것이 예전에 CERN에서 사용되었던 Bubble Chamber라고 한다. 그 옆에 compression을 위한 piston도 같이 놓여있다고 한다. 이 거품상자는 이전에 사용된 cloud chamber를 응용해서 만든 것인데, cloud chamber가 포화된 기체를 이용해 입자가 지나가면 ionize가 되어 액화되는 것을 이용했다면 거품상자는 그 반대로 포화된 superheated gas를 채워놓고 입자가 지나간 흔적을 관측하는 것이다. (여담으로 cloud chamber는 전기에 의해 구름 생성에 관심이 있던 기상학자가 만든 장치로 그 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.) 거품상자는 실제로 고에너지 입자들이 지나간 흔적들이 눈으로 보이기 때문에 자기장에 의해 휘어진 정도등을 측정하여 event를 분석한다. 위 장치로 대략 10년 동안 6백만장의 사진을 찍었다고 하는데 그 당시에 CERN에는 operator라고 불리는 여성 노동자 분들이 이 무수한 사진들에서 데이터를 뽑아냈다고 한다. Riegler에 설명에 의하면 당시에 물리학자 wife의 주 source기도 했다는....

이 장치가 position resolution은 엄청 좋다고 한다. ~micrometer 해상도로 분석할 수 있는데 문제는 기체를 계속 포화시키기 위해 피스톤 운동을 해줘야 하는데 이 rate이 1초에 수십번 정도에 머무는데 일례로 LHC는 1초에 대략 수십억개의 충돌이 발생할 것이기에 적절하지 않다. 그리고 또한 문제는 이 장치는 특정한 event를 골라낼 수가 없는데 덕분에 일어나는 모든 event에 대한 사진을 찍어야 한다. 물론 인력으로 결과를 분석해야 하는 문제도 있고 해서 결국은 70년 대 이후로 점차 전자적 장치로 detection이 옮겨갔다고 한다.

소위 electronic image라고 불리며 전자적으로 측정을 하여 bubble chamber에서 처럼 image로 보여줄 수 있는 시스템이 요새는 사용되는데 이전에 LEP에서 쓰인 ALEPH도 그렇고 앞으로 사용된 ATLAS와 CMS도 그러한 시스템이다. 물론 전자적으로 측정한 무수한 데이터를 이용해서 computer로 reconstruct하는 방식이지만 실제로 어떤 일이 일어났는지 잘 보이는 것 같다. 다음 그림은 이전 LEP의 detector인 ALEPH에서 찍힌 소위 higgs candidate event이다.

 <Credit : CERN>

electron + positron -> H + Z 으로 추정된 event인데 LEP는 statistics가 부족해서 confirm할 수 없었다고 한다. 실제로 이것이 higgs event였다면 LHC의 에너지와 luminosity를 고려하면 몇 년안에 higgs confirm할 수 있는 statistics가 쌓일 것이라고 한다.

LHC는 pp collision이기에 예측되는 decay는 pp->H -> gamma gamma 또는 Z Z -> e+ e- jet jet.

입자의 lifetime을 고려하면 relativistic factor를 고려해도 실제로 detect 하는 입자들은 제한되어 있다. 너무 수명이 짧은 입자들은 주변의 detector까지 가기전에 이미 decay되어 다른 입자들이 도달하게 될 것인데 그래서 우리가 결국 측정하는 것들은

electron+-, muon+-, photon, pi+-, K+-0, proton+-, neutron

Detector는 위 입자들을 구별해 내고 각 입자들의 energy momentrum을 측정할 수 있어야 한다. 각 입자들의 mass, charge, interaction의 차이가 존재하기 때문에 specification이 가능하다고 한다. 그래서 detector는 1차적으로 tracker, 다음에 EM  calorimeter, Hadronic calorimeter, Muon chamber 순으로 배열되 decay된 입자들의 특성을 잡아낸다. Tracker에는 자기장이 가해지고 있어서 charge된 입자의 momentum을 잡아낼 수 있다. CMS나 ATLAS 이름은 다 이 곳에서 사용될 자기장을 주는 coil의 방식에 의해 정해졌다. CMS는 솔레노이드를 이용해 자기장을 가해주고 ATLAS는 toroid를 이용해서 자기장을 준다. 그 뒤에 EM calorimeter에서는 전자/양전자와 photon이 interact를 해 에너지를 측정할 수 있다. 그 뒤 Hadronic calorimeter에서는 강입자들의 에너지를 측정하게 되고 muon은 앞의 과정을 모두 통과해 나와 마지막 muon chamber에서 에너지가 측정된다. 물론 neutrino등 약상호작용 하는 입자들은 다 통과해서 missing energy형태로 관측이 된다.

1초에 수십억개나 되는 충돌이 생기지만 그 중 대부분은 우리가 이미 알고있는 상대적으로 low energy event이기 때문에 trigger를 이용해서 대부분 걸러내고 1초에 수십에서 수백개 정도의 event만 건져낸다고 한다. 전자적 장치를 사용하기 때문에 이런 일이 가능한 것. 그런데도 1년이면 pentabyte 오더의 data가 저장된다고 하니.... 우리가 진짜 관심있는 event를 잘 trigger하는 것도 매우 중요한 일일 듯 싶다.

Discussion session에 Extra Dimesion으로 입자가 빠져나갈 경우 어떻게 관측되냐는 질문이 나왔는데, lecturer께서는 missing energy 형태로 측정될 것이라는 답변을 했다. 그런데 neutrino등도 missing energy로 없어지고 supersymmetric particle이 생성되고 우리가 세운 적절한 가정이 많다면 LSP인 neutralino도 missing energy로 측정될 것인데 어떤 차이가 있는 것일지?? 충돌을 reconstruct해서 없어질 이유가 없는 상황에서 없어진 energy가 있는 것을 찾는 것인가? 그리고 그간 교양과학서를 읽으면서 얻은 지식으로는 LHC에서 관측될지도 모르는 large extra dimension model은 brane모델이고 그 모델에서 graviton이 아닌 일반 입자는 우리 brane에 붙어 있어서 여분차원으로 없어질 일이 없지 않나라는 생각이 들었다. 란달 talk에 의하면 mini BH event를 보게 된다면 여분차원의 결과물을 보게 된다고 하긴 하던데.... 이쪽에서는 워낙 또 박한 지식이라.... 내공을 더 쌓아야 할 필요가 있다.