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지난호





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PHYSICS PLAZA

새물리 하이라이트

등록일 : 2022-05-26 ㅣ 조회수 : 99

고에너지 가속기 데이터 분석을 통한 새로운 물리학 탐색

박명훈, New Physics: Sae Mulli 72, 281 (2022).

캡션

본 논문에서는 고에너지 입자 가속기를 통해 새로운 신호의 특징을 파악할 수 있는 일반적인 방법에 대해 논의하였다. 가속기 실험에서 새로운 물리학 신호를 포착하였을 때 데이터 분석을 통해 가장 먼저 알아낼 수 있는 것은 각 입자들의 생성과 붕괴 패턴을 특정 짓는 event-topology를 파악하는 것이다. Event-topology는 관측되는 입자들의 운동량-위상공간을 특정하기 때문에 관측되는 입자들의 운동량들로 구성되는 다양한 관측량들을 통해 파악할 수 있다. 본 논문에서는 주어진 event-topology의 특성을 이용하여 입자들의 운동량으로 구성된 운동량-위상공간을 체계적으로 분석할 수 있는 방법을 소개하였으며, 이를 활용하여 불변질량의 분포 모양을 유도하는 과정을 명시하였다. 또한 같은 event-topology를 갖더라도 관여 입자들의 스핀이 다른 경우 불변질량의 모양들이 변할 수 있다. 이는 event-topology는 운동량-위상공간의 경계모양을 정하는데 반해, 입자들의 스핀과 상호작용 커플링들은 경계모양 안의 분포밀도를 정하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 일반적인 운동량-위상공간(즉, 입자들을 스칼라 입자로 가정한 경우)에 대한 불변질량의 분포들을 다양한 새로운 물리 모델, 즉 다양한 입자 스핀과 상호작용 커플링의 경우에 적용할 수 있는 Matrix-element reweighting 방법의 적용법을 소개하였다.(그림) 특히 본 논문에서 소개된 Matrix-element reweighting은 여러 가지 새로운 물리학 모델들에 대한 몬테카를로 시뮬레이션 작업들을 반복하지 않고 효율적으로 시뮬레이션 데이터를 활용하여 실험데이터를 분석할 수 있는 방법이다. 향후 본 논문에서 소개된 방법을 기계학습 알고리즘에 결부시키는 경우 고에너지 가속기 데이터 분석을 전방위적으로 수행할 수 있으리라 기대한다.


유효장 이론을 사용한 15N(\(\small p, \gamma\))16O 반응의 천체물리적 S 인자 계산

손상영(경북대), 안도 슝이치(선문대), 오용석(경북대), New Physics: Sae Mulli 72, 291 (2022).

캡션

태양과 같은 별에서 발생하는 에너지의 원천은 별 내부에서 일어나는 열핵반응이다. 태양보다 무거운 별의 경우 이 열핵반응(수소연소과정)은 CNO 순환으로 알려진 연속적인 저에너지 핵반응의 고리로 설명한다. 이 CNO 순환반응에서 중요한 위치를 차지하는 원자핵 중의 하나가 질소-15 원자핵이다. 이 질소-15 원자핵은 양성자와 충돌하여 대부분 탄소-12 원자핵이 되어 CNO 순환의 유형 I을 만든다. 하지만, 아주 드물게 양성자의 충돌로 광자를 발생하고 산소 원자핵이 되며 이를 통해 CNO 순환의 유형 II가 시작되기 때문에, 질소-15 원자핵은 유형 I과 유형 II의 접점이 되고 별에서의 핵합성과 원자핵의 성분비를 이해하는 중요한 열쇠가 된다. 이에 따라 질소-15 원자핵이 양성자와 충돌하여 광자와 산소-16 원자핵을 만드는 반응의 산란 단면적을 정확히 이해하는 것이 중요하다.

여기에 사용되는 물리량이 산란 단면적으로부터 구해지는 astrophysical \(\small S\) factor라고 불리는 양이다. 그러나 별 내부에서 일어나는 열핵반응은 질량중심계의 운동에너지가 아주 낮아서 이를 실험실에서 측정하는 것은 불가능하다. 따라서, 저에너지에서의 핵반응에 관한 이론적 모형을 세우고 이 결과를 아주 낮은 에너지 영역으로 외삽하여 에너지가 거의 영인 경우의 값인 \(\small S(0)\)를 결정하는 방법을 이용한다. 이에 사용되는 이론적 도구로는 \(\small R\) 행렬 모형이나 potential 모형 등이 있다.

본 연구에서는 이 반응을 연구하기 위해 처음으로 저에너지에서의 유효장이론을 적용하였다. 유효장이론은 운동량 규모에 따라 유효 라그랑지언을 체계적으로 전개하여 아주 낮은 에너지 영역에서의 핵반응을 연구하는 것으로, 저에너지 핵반응에서 많이 사용되고 있다. 이 연구에서는 질소-15 원자핵이 양성자와 충돌하여 광자와 산소-16 원자핵을 만드는 반응에 관한 유효 이론을 세우고, 여기에 도입되는 저에너지 상수를 실험으로 측정된 산란 단면적으로부터 결정하여 \(\small S(0)\)의 값을 구하였다. 그 결과로 기존의 \(\small R\) 행렬 모형 등의 계산 결과와 유사한 값을 얻었다. 본 연구는 유효장이론이 열핵반응의 연구와 이해에 유용한 도구로 사용될 수 있음을 보여준다.(그림)

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