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지난호





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PHYSICS PLAZA

새물리 하이라이트

등록일 : 2022-03-28 ㅣ 조회수 : 121

SND@LHC의 물리학

최기영, 김성현, 이강영 et al., New Physics: Sae Mulli 72, 105 (2022).

캡션

SND@LHC는 LHC 충돌에서 발생하는 중성미자를 연구하고, 암흑물질과 관련된 약하게 상호작용하는 입자(FIP)를 찾는 새로운 LHC 실험이다. SND@LHC 검출기는 LHC에서 양성자가 충돌하는 점으로부터 접선 방향으로 480미터 떨어진 위치에 설치되는데, 충돌 지점과 검출기 사이는 암석이므로 충돌에서 발생한 입자들로부터 자연히 차폐가 되어, 상호작용을 거의 하지 않는 중성미자와, 만약 존재한다면 FIP만이 차폐를 지나서 검출기에 도달하게 된다. 검출기는 원자핵건판과 텅스텐 표적을 교대로 쌓은 ECC (Emulsion Cloud Chamber)와 뮤온 검출기로 이루어진 복합검출기로서 100 GeV에서 TeV에 이르는 에너지의 중성미자를 직접 검출한다.

그림에서 보듯 지금까지 중성미자는 주로 100 GeV 이하의 낮은 에너지 영역에서 관측되었고, IceCube 실험에서는 최근 10 TeV에서 PeV에 이르는 영역의 중성미자가 관측되었다. 하지만 에너지가 350 GeV에서 10 TeV 사이인 중성미자는 아직 연구된 바가 없다. LHC에서 중성미자를 연구하는 일은 이 영역에서 중성미자를 최초로 연구하는 일이며, 또한 거의 유일한 기회기도 하다. SND@LHC는 7.2\(\small < \eta <\)8.6의 의사 신속도(pseudo-rapidity) 영역에서 전자, 뮤온, 타우의 모든 플레이버의 중성미자의 산란 단면적을 측정하고, 중성미자를 통한 렙톤 보편성 검증 등 관련된 물리학을 연구한다. 또한 가벼운 암흑물질의 후보가 될 수 있는 FIP가 존재한다면 본 검출기로 이러한 물질을 직접 검출할 가능성도 있다. 3년 동안의 LHC 3차 가동 기간에 총 누적 광도는 150 fb‒1로 예상되며 그렇게 되면 SND@LHC에서 약 2,000개의 중성미자를 관측할 것으로 기대된다.

관련 연구를 진행하는 국내 그룹은 경상국립대를 비롯해서 4개 대학의 8명의 연구진으로 구성된 연구단이 있으며 상기 연구단은 2021년 9월 CERN과 MoU를 체결한 바 있다. 본 연구에서 국내 그룹은 원자핵건판의 현상을 주로 맡게 되었으며, 그 밖에 반응 분석 및 건판 제작 등에 기여할 예정이다.


위상천이 홀로그램을 이용한 미세 회전각 측정

나실인, 신상훈, 유영훈, New Physics: Sae Mulli 72, 152 (2022).

캡션

비접촉 방식으로 미세 회전 각도를 측정하는 방법은 과학계 및 산업계에서 매우 중요하다. 미세 회전각 측정을 위해 기계, 전자기 및 광학 방법 등이 사용되고 있다. 특히 매우 미세한 회전각을 측정하기 위해서는 비접촉 측정이 필수적이다. 광학적 방법은 정밀 측정과 비접촉식 측정 방식이 가능함으로 과학 및 산업계에 상당히 유용하며, 간섭계와 자동 시준기는 미세 각도 측정에 널리 사용되고 있다.

그러나 기존의 광학 방법은 복잡한 광학 구조, 낮은 안정성 및 시준 문제와 같은 몇 가지 단점도 가지고 있다.

디지털 홀로그래피(DH) 방법은 빛의 간섭을 이용한 비접촉 고정밀 실시간 위상 이미징 측정 기술이며, 디지털 홀로 그래픽 현미경(DHM)을 개발하여 3차원 정밀 측정 연구를 진행하고 있다. 기존의 DHM은 고가의 렌즈를 사용하기 때문에 고가이고 크기가 커지는 단점이 있으나, 렌즈를 사용하지 않는 무렌즈 DHM은 가격이 싸고, 작은 크기로 시스템을 구성할 수 있다는 장점이 있다.

DH 시스템에는 두 가지 유형이 있다. 축상 홀로그래피(On-axis Digital holography)와 축외 홀로그래피(Off-axis Digital holography)가 있는데 회전 각 측정에는 축상 DH가 유리하다. 그러나 축상 DH에서는 0차 회절광과 쌍둥이 상, 이미지가 겹치는 단점이 있다. 축상 DH에서 DC 잡음과 쌍둥이 상이 제거되면 고품질 이미지를 얻을 수 있다. 축상 DH 시스템에서 DC 잡음 항과 쌍둥이 상은 위상천이 홀로그램(Phase Shift Hologram, PSH)을 사용하여 제거할 수 있다. 최근 이미지 센서 앞에 픽셀 단위 편광 마스크로 구성된 편광 이미지 카메라(Polarization Image Camera, PIC)가 개발됨에 따라 4장의 위상천이 홀로그램을 동시에 얻는 것이 가능해졌다.

본 연구에서는 반사형 무렌즈 축상 DHM 구성과 PIC를 사용하여 미세 회전 각도를 비접촉 방식 측정에 대해 연구하였고, 그 결과 0.002\(\pm\)0.0004°의 정밀도로 작은 회전 각도를 측정할 수 있었다.

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