SND@LHC 실험에서의 원자핵건판 작업

김성현, 이강영, 박병도, 손종윤, 윤천실*, 이경세, 김영균, 최기영, 유성문, New Physics: Sae Mulli 75, 215 (2025).

LHC와 같은 충돌형 가속기에서는 ~수 TeV 정도의 높은 에너지를 가진 중성미자들이 다량으로 발생한다. 하지만 최근까지 관측하지 못하였던 이유는 이러한 중성미자들이 주로 LHC 빔의 접선 방향인 전방(forward direction)으로 발생하며, 이 방향으로는 빔이 지나가는 통로(beam pipe)만 있을 뿐 입자 검출기들이 설치되어 있지 않았기 때문이다.

기존의 CMS나 ATLAS 검출기들은 횡운동량이 큰 입자들을 관측할 수 있도록 고안되었기 때문에 중앙 영역에 설치되어 있다. 따라서 양성자-양성자(pp) 충돌점에서 발생각이 매우 작고 전방으로 방출되는 중성미자들을 관측하기가 어려웠다. 더욱이 LHC pp 충돌점에서 큰 횡운동량을 가지고 방출되는 입자들의 반응 단면적은 fb(10^‒43 m²)에서 pb(10^‒40 m²) 정도인데 반하여, 전방으로 발생하는 입자들은 단면적이 ~100 mb 정도로 훨씬 크므로 대부분의 반응들을 놓치게 되는 셈이 된다.

SND@LHC 실험은 그동안 탐색되지 않았던 에너지 영역(350 GeV‒10 TeV)과 의사 신속도 범위(7.2 \(\small < \eta <\) 8.4)에서 LHC pp 충돌에 의해 전방으로 발생하는 고에너지 중성미자들과 ‘극히 반응을 하지 않는 입자들’(feebly interacting particles)을 탐색하려는 목적으로 수행되고 있다. 이를 위해 표적 및 비적 검출기로 원자핵건판 필름들과 텅스텐 판들을 교대로 적층한 ECC (Emulsion Cloud Chamber)를 사용한다. 원자핵건판은 공간 분해능이 1 μm 이하이고, 각 분해능이 ~수 mrad 정도 되기 때문에 전자공학적 검출기들(SciFi 및 뮤온 검출기 등)과 함께 사용하면 세 종류의 중성미자들을 검출할 수 있을 뿐 아니라, 반응들의 시간과 에너지 측정이 가능하다.

2022년부터 LHC 빔이 ECC 표적에 성공적으로 조사되어 왔으며 2026년까지 계속될 예정이다. 2023년에는 SND@LHC 실험과 FASER 실험에 의해서 LHC 중성미자 반응들이 처음으로 발견되었다. 이러한 반응들은 인공적으로 만들어진 가장 높은 에너지를 가진 중성미자라고 할 수 있으며, 앞으로 충돌형 가속기 중성미자(collider neutrino)에 대한 연구가 본격적으로 시작될 것이다. 본 논문에서는 SND@LHC 실험에서 사용되는 ECC 표적의 조립과 현상, 스캐닝 및 반응 분석과 같은 원자핵건판 작업의 전 과정을 기술하고, 이 실험의 현황에 대해 소개한다.

초등 예비교사들의 매질 경계면에 입사한 빛의 경로에 대한 이해

강은주, 박종호, New Physics: Sae Mulli 75, 246 (2025).

그림 1. Example of analysing responses to a refraction question at the interface of a medium.

빛이 서로 다른 매질의 경계면을 통과할 때 발생하는 굴절 현상은 초등 과학교육에서 반드시 다뤄야 할 핵심 개념이다. 본 연구는 초등 예비교사들이 다양한 굴절 상황에 대해 얼마나 정확히 이해하고 있는지를 분석하였다. 공기-물, 물-공기, 평면 유리 및 평면 오목·볼록 렌즈에서의 수직 및 경사 입사 상황을 제시하고, 예비교사 57명이 그린 빛의 진행 경로를 과학적·비과학적 개념으로 구분하여 정량적으로 분석하였다. 분석 결과, 예비교사들은 수직 입사 상황에서는 높은 이해를 보였지만, ‘물에서 공기로 입사’와 같은 밀한 매질에서 소한 매질로의 굴절 상황에서는 다양한 오개념이 드러났으며, 경사 입사 및 곡면 경계면을 포함한 렌즈를 통과한 빛의 경로에서도 직관에 의존한 오류가 발견되었다. 그림 1은 물에서 공기로의 경사 입사 상황에서 과학적 개념에 근거한 올바른 빛의 경로 표현과, 비과학적 표현을 비교한 사례로, 예비교사들이 빛의 굴절 방향을 직관에 의존해 잘못 이해하는 양상을 보여준다. 특히, 예비교사들이 직접 입사각과 굴절각, 법선을 표현하고자 했을 때 과학적 개념을 더 정확히 적용하는 경향이 나타난 점은 교육적 시사점이 크다. 이 연구는 초등 예비교사들이 매질 경계면에서 나타나는 다양한 빛의 굴절 상황에 대해 어떻게 이해하고 있는지를 포괄적으로 탐색함으로써, 예비교사 교육에서 다루어야 할 핵심 개념과 교수전략에 대한 실질적인 시사점을 제공한다(그림).