홍병식 교수님 ( 이학관 412호, 3290-3105, bhong@korea.ac.kr ) 핵물리 연구실 ( 이학관 442호, 3290-3535 )

연구실 소개핵물리 연구실은 홍병식 교수님, 이경세 연구교수님의 지도 아래 박사 후 연구원1명, 박사과정 9명, 석사과정 4명 등으로 구성되어 있습니다.

우리 연구실에서는 스위스, 미국, 일본 등과의 여러 국제공동연구를 통해

1. Quark Gluon Plasma(QGP)

2. Nuclear Structure

3. Spin Physics에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 또한, 우리나라 최초의중이온 가속기인 라온(RAON)에 쓰일 다양한 검출기개발, 제작 및성능시험뿐만 아니라 이들의 응용연구도 활발히 수행하고 있습니다.

여러 가지 연구분야LAMPS@RAON(RAON, 우리나라 최초의 기초과학을위한 가속기)

1. TPC (Time Projection Chamber)

2. Neutron Detector

3. Si-CsI Detector

4. Dipole Spectrometer

RAON에서 중이온 충돌에 의해 생성되는 여러 입자들의검출을 위한 시스템

CMS@LHC, CERN(CERN, 스위스 유럽 핵 및 입자물리연구소)

1. proton+proton 충돌

2. Pb+Pb 충돌

초고온에서의 중이온충돌을 통하여 Quark-Gluon Plasma 에대한 연구와 새로운 입자발견, 그리고 초창기 우주와 새로운물리 현상을 연구

PHENIX@RHIC, BNL(BNL, 미국 브룩해븐 국립연구소)

1. 중이온+중이온 충돌

2. 중양성자+핵 충돌

3. 편극 양성자빔 충돌

우주 초기의 Quark-Gluon Plasma상태와 스핀의 기원에대한 연구

SAMURAI@RIBF, RIKEN(RIKEN 일본 이화학 연구소)

양성자와 중성자의 수가 다른 희귀 동위원소 빔을이용하여 충돌

양성자와 중성자의 수가 다를 때의 nuclear symmetry energy와 핵 구조를 연구

홍병식 교수님 ( 이학관 412호, 3290-3105, bhong@korea.ac.kr ) 핵물리 연구실 ( 이학관 442호, 3290-3535 )

LAMPS@RAON(Large Acceptance Multi-Purpose Spectrometer)

우리나라에 설치될 중이온 가속기 RAON의 핵 충돌실험에 설치할 대형 검출기

시스템. 다양한 검출기 요소의 시뮬레이션을 하며 개발 중.

a. Time projection chamber: 큰 각으로 방출되는 다양한 하전 입자를 검출

b. Dipole magnet: 전방으로 방출되는 하전 입자를 검출

c. Neutron detector: 중성자 검출

Si-CsI Detector

검출기 목적 및 원리:

a. 무거운 파편 핵 검출

b. ΔE-E 방법으로 입자의 종류 및 에너지 검출

ΔE-E 방법:

a. 3겹의 실리콘 검출 면과 1개의 무기성광

검출기에서 손실된 에너지 정보를 이용

b. 주어진 에너지에서 입자의 종류에 따라 물질

내에서 손실하는 에너지 양이 다른 점을 이용

Neutron Detector

검출기 구조:

a. Veto counter

b. 여러 개의 bar형 검출기를 겹친 형태

검출기 특성:

a. 저 에너지(≤ 30 MeV) 및 고 에너지(30 ~ 400

MeV)의 중성자를 모두 높은 효율로 검출

b. 비적 시간(Time of flight)을 이용하여 입사

중성자의 에너지 측정

c. Veto counter를 통해 중성자와 하전 입자를 구분

Time Projection Chamber

입자검출 원리:

a. 중이온 간 충돌에 의해 생성된 입자들이 z축

방향으로 걸린 자기장에 의해 나선 형태로

퍼져나감

b. 입자가 검출기 내부를 채운 혼합기체를

지나가며 기체 분자를 이온화 시키고,

이온화에 의해 생성된 전자를 증폭하여 해당

입자의 신호를 획득

c. 얻은 신호를 재구성하여 입자의 3차원

궤적을 축적하고 운동량 정보 획득

Dipole Spectrometer

입자 검출 원리:

a. Lorentz Force를 이용하여 입자의 궤적을 계산

b. Quadrupole과 Dipole Magnet을 통해 운동량이 같은 입자들은 한 점에

모임

Gas Volume

Pad Chamber

90cm

Cathode Membrane

Neutron detector in LAMPS-LOW

검출기 목적 및 원리:

a. 블록 형태의 검출기를 여러 방향으로 감싸 중성자를 검출

홍병식 교수님 ( 이학관 412호, 3290-3105, bhong@korea.ac.kr ) 핵물리 연구실 ( 이학관 442호, 3290-3535 )

SAMURAI TPC Project @ RIBF, RIKEN

우 주 로 부 터 입 사 하 는뮤 온 의 궤 적 을 T P C 를이용하여 검출한 그림.오른쪽의 검은 선은 뮤온의궤적을, 빨간 선과 파란 선은각 각 아 랫 면 과 옆 면 으 로사영된 위치를 나타낸다.아 래 쪽 은 검 출 된 신 호 를2차원 평면상으로 표현한 것.

우주선 (cosmic ray) 검출 테스트

Figure courtesy of J. Estee

Figure courtesy of J. Barney

유도 시간으로수직 위치를 확정

패드 위치로 2차원수평 궤도를 확정

검출 원리핵 상태방정식핵 상태방정식은 핵물질(Nuclear Matter)의 밀도 및 양성자/중성자 간의 밀도 차이에

의해 결정되며 원자핵의 핵자 간의 결합에너지를 나타낸다.

불안정한 원자핵인 방사성 동위원소를

이용한 중이온(Heavy Ion) 충돌을 통해

이 핵 상태 방정식 중 양성자와 중성자의

밀도 차이에 의해 결정되는 부분을 알 수

있으며 , 이를 가리켜 핵 대칭 에너지

(Nuclear Symmetry Energy)라 한다.

이 핵 대칭 에너지를 연구함으로써 구속된

핵자에 작용하는 힘을 보다 정확히 이해할

수 있다.

SPiRIT (SAMURAI Pion-Reconstruction and Ion-tracker TPC)

Rigid Top Plate

Pad Plane (108 x 112)

Wire Plane

Voltage Step-Down

Thin-Walled Enclosure

Front End Electronics

Field Cage

Calibration Laser Optics

Target Mechanism

Rails

Beam

일본의 자연과학 종합 연구소. 사이타마 현 와코 캠퍼스에 위치한 니시나 센터의

가속기를 이용하여 실험한다. SPiRIT 실험은 니시나 센터의 RIBF(Rare Isotope

Beam Factory) 가속기 및 초전도 자석인 SAMURAI를 이용한다.

RIKEN (일본 이화학 연구소)

PHENIX experiment @ RHIC, BNL

RHIC (상대론적 중이온 가속기)미국 뉴욕 주 브룩해븐 국립연구소(BNL)에 위치한 대형 입자 가속기로서,중이온 (Heavy Ion) 및 스핀 정렬된 양성자(polarized proton beam)를쏘아 보낼 수 있는 충돌형 가속기이다.

최대 충돌 에너지 (√sNN):

• 510 GeV (양성자 – 양성자 충돌 시)• 200 GeV (중이온 – 중이온 충돌 시)

순간 최대 단위 시간·면적 당 입자 충돌 횟수 (Luminosity):

• 1.65 × 1032 (cm-2·s-1), (양성자-양성자 충돌 시)• 5.00 × 1027 (cm-2·s-1), (중이온-중이온 충돌 시)

PHENIX(Pioneering High-Energy Nuclear Interactions eXperiment)

RHIC에 위치한 다목적 입자 검출 장치이자 이를 이용하는 실험으로서 ,주 요 한 연 구 주 제 는 Q G P ( Q u a r k - G l u o n P l a s m a ) 의 특 성 규 명 및양성자 스핀 1/2 의 기원에 대한 정확한 이해이다.

QGP에 대한 보다 정확한 이해다양한 방식의 접근을 통해 존재가 확인된 QGP 상태에 대한 보다 정확하고 완전한이해를 추구한다.

• 중이온 – 중이온 (A - A)간 충돌: 다양한 충돌 에너지 및 핵종• 중양성자 – 핵 (d - A)간 충돌

양성자 스핀 1/2의 기원 연구양성자의 스핀이 1/2임은 널리 알려진 사실이지만 이를 구성하는 요소들에대해서는 이해하지 못하고 있다. RHIC/PHENIX에서는 양성자 빔의 스핀 방향을일정 방향으로 정렬시킴으로써 양성자 스핀의 기원을 정밀하게 측정할 수 있다.

홍병식 교수님 ( 이학관 412호, 3290-3105, bhong@korea.ac.kr ) 핵물리 연구실 ( 이학관 442호, 3290-3535 )

CMS experiment @ LHC, CERN

LHC (거대 강입자 가속기)스위스-프랑스 국경에 위치한 유럽 핵 입자 물리 연구소(CERN)에 건설된 21세기최대의 입자 가속기이다. 지표면으로부터 100 m 지하에 건설된 가속기의 둘레는27 km에 달하며, 전세계 100개 국가, 10, 000 명 이상의 과학자가 참가하고 있다.

최대 충돌 에너지 (√sNN):

• 14 TeV (양성자 – 양성자 충돌 시)• 5.5 TeV (중이온 – 중이온 충돌 시)

순간 최대 단위 시간·면적 당 입자 충돌 횟수 (Luminosity):

• 1.0 × 1034 (cm-2·s-1), (양성자-양성자 충돌 시)• 1.0 × 1027 (cm-2·s-1), (중이온-중이온 충돌 시)

CMS (Compact Muon Solenoid)LHC에 설치된 4개의 대형 검출기 중 하나로 핵물리연구실 역시 활발히 참가하고 있다.CMS에서는 힉스 입자 (2013년 노벨 물리학상 수상), 초대칭 입자, 여분 차원,소형 블랙홀 및 초기 우주의 물질상태라 할 수 있는 쿼크-글루온 플라즈마(Quark-Gluon Plasma) 연구와 같은 다양한 핵 및 입자물리 연구를 수행한다.

Searching for QGP (Quark-Gluon Plasma)고에너지/고밀도의 핵물질(Nuclear matter)은 현재의 블랙홀 또는 중성자 별 (Neutron star)의 내부핵을 형성하고 있을 것으로 예상되며, 동시에 빅뱅 직후 수 μs 정도의 시간이 흐른 뒤의 초기 우주 물질의상태였을 것으로 짐작된다.현재 QGP 연구의 이론적 토대인 격자 양자 색소 역학(Lattice QCD)에 의하면 약 150 MeV (약 1012 ˚C)이상의 고에너지/고밀도 환경 하에서는 원자의 구속 상태가 사라져 쿼크와 글루온이 자유로이 움직이는 플라즈마상태를 형성할 것으로 예측된다. 이와 같은 핵물질 혹은 그 상태를 가리켜 쿼크-글루온 플라즈마라 한다.LHC/CMS에서는 납-납 충돌과 같은 중이온 간의 충돌을 통해 이와 같은 QGP 상태를 생성할 수 있으며,이렇게 생성된 QGP는 아래와 같은 여러 가지 방법을 사용하여 관측 및 분석할 수 있다.

Quarkonium suppressionCharm 쿼크 이상의 무거운 쿼크와 그 반 쿼크가 결합된 상태를가리켜 쿼코니움(Quarkonium)이라 칭한다. 이 쿼코니움은 QGP환경 하에서 그 영향을 받아 생성량이 줄어들 것으로 예측된다.따라서 QGP 환경이 조성되었을 경우(중이온 – 중이온 충돌)와그렇지 않은 경우(양성자 – 양성자 충돌)를 비교함으로써 관측되는생성량의 비율을 QGP 형성의 척도로 사용할 수 있다.

Υ’

χc J/ψ

Jet quenching강한 상호작용의 포텐셜이 지닌 특수성에 의해, 고에너지 입자 간의 충돌이 일어날 때 고에너지의 입자다발이 원뿔의 형태로 서로에 대해 180도의 각도로 분출된다. 이를 가리켜 제트(Jet)라 한다.제트는 양성자 – 양성자 간 충돌 및 중이온 – 중이온 간 충돌 모두에서 관측할 수 있는데, 이 중 QGP가형성된 경우(중이온 – 중이온 충돌) 한 방향의 제트가 에너지 및 방출되는 입자의 개수 모두 현저히줄어든 것이 관측된다. 이는 형성된 QGP를 통과하면서 그에 의한 영향을 받은 것으로 해석된다.