에너지가 가는 곳

고에너지 기본 입자의 에너지를 측정하는 것은 입자 물리학의 새로운 발견에 대한 관문을 제공합니다.이세욱,존 하웁트만그리고리차드 위그먼스열량계의 최근 개발이 해당 분야의 발전에 어떻게 도움이 되는지 설명

입자물리학자들은 약 70년 동안 이런저런 유형의 열량계를 사용해 왔습니다. 이러한 주력 장비의 기본 원리는 간단합니다. 아이디어는 전자, 양성자, 중성자와 같은 기본 입자뿐만 아니라 파이온 및 카온과 같은 인공적으로 생성된 입자의 에너지를 측정하는 것입니다. 상호작용하다 각 상호작용은 더 낮은 에너지에서 더 많은 입자를 생성하며, 이는 또한 매질과 상호작용하며 원래 입자의 에너지가 완전히 소진될 때까지 프로세스가 계속됩니다. 전하 감지 검출기와 상호작용 매체를 산재시키고 기록된 신호를 합산함으로써 초기 입자의 총 에너지를 측정할 수 있습니다.

위 이미지에는 고에너지 전자에 의해 유도된 입자 "샤워"가 표시되어 있습니다. 여기에서 샤워의 하전 입자(전자 및 반전자 또는 양전자)는 샘플링 열량계라고 불리는 고전적인 유형의 열량계인 구름 상자를 통해 표시됩니다. 이러한 입자 소나기의 발생은 매우 무작위적입니다. 샤워에서 생성된 입자 수 N은 시작 입자의 에너지 E를 직접적으로 측정한 것입니다. N은 포아송 분포를 따르므로 N의 무작위 변동은 √N과 동일하므로 에너지 분해능인 N의 상대 정밀도는 √N/N입니다. 에너지 분해능은 간단한 공식인 σE/E ≒ k/√E입니다. 이 운량실 열량계는 E가 GeV 단위로 표시될 때 k ≒ 85%입니다(참고로 양성자의 정지 질량 에너지는 약 1 GeV입니다). 최신 전자기 샘플링 열량계의 경우 k는 일반적으로 10% 이상입니다.

전자 에너지는 열량계에서 쉽게 측정할 수 있습니다. 왜냐하면 이러한 입자는 전자기력을 통해 상호 작용하고 단 두 가지 간단한 상호 작용만 허용되기 때문입니다. 대조적으로, 강한 핵력의 영향을 받는 입자(예: 양성자, 중성자, 파이온 및 카온(집합적으로 강입자로 알려짐))은 핵 분해 및 핵 결합 에너지에 소비되는 에너지와 관련된 추가적인 합병증을 포함하여 광범위하게 변동하는 다양한 메커니즘을 통해 상호 작용합니다. .

강입자 소나기의 엄청난 복잡성이 그림 1에 나와 있으며, 이는 구리 흡수체에 들어가는 500 GeV 양성자의 시뮬레이션 결과(CERN 코드 GEANT4를 사용하여 생성됨)를 보여줍니다. 하전된 강입자는 파란색으로 표시되고 전자와 양전자는 빨간색으로 표시됩니다. 시각적으로 색상의 강도는 입자가 손실한 에너지의 양을 나타내며 열량계에서 생성된 신호를 나타냅니다.

이와 같은 샤워기의 입자 상호 작용은 복잡하지만 입자 물리학 연구에서 매우 중요한 영역이며, CERN R&D 프로젝트 RD52에서는 새로운 유형의 열량계를 사용하여 이를 연구하고 있습니다(프로젝트의 전체 결과는 www.phys에서 확인 가능). .ttu.edu/~dream, 여기에서 구리 흡수체의 양성자에 의해 유도된 강입자 소나기 모음을 볼 수 있습니다. 이러한 "이중 판독" 장비는 구리 또는 납으로 만들어지며 두 가지 유형의 광섬유, 즉 모든 하전 입자를 감지하는 섬광 섬유와 주로 샤워기의 전자 및 양전자에 의해 체렌코프 빛이 생성되는 투명 섬유로 구성됩니다. 샤워기에서 발생하는 매우 다른 두 가지 신호는 강입자 에너지에 대한 매우 정확한 측정값을 추출하기 위해 결합하여 사용됩니다. 가장 중요한 것은 다음과 같은 기본적인 상호 작용에서 생성된 쿼크 또는 글루온의 조각화로 인해 발생하는 입자의 "제트" 에너지를 포함합니다. CERN의 대형 강입자 충돌기 및 기타 전 세계 시설에서 연구된 것입니다.

이러한 입자 제트를 측정하기 위해 특별히 설계된 열량계는 그림 2에 나와 있습니다. 이는 구리 흡수제에 균일하게 산재된 1.5mm 중심에 1mm 직경의 섬유로 구성됩니다. 이 흡수체의 크기는 전자와 강입자의 특징적인 상호 작용 거리에 따라 결정됩니다. 전자가 상호 작용하여 더 많은 입자를 생성하는 거리를 방사 길이라고 하며 대부분의 금속(구리 포함)의 경우 약 1cm입니다. 강입자가 상호작용하는 해당 거리를 핵 상호작용 길이라고 합니다. 이는 일반적으로 20~30cm로 상당히 길며, 하드로닉 샤워를 완전히 흡수하려면 몇 가지 핵 상호 작용 길이가 필요합니다. 그 차이는 그림 1의 시뮬레이션된 샤워에서 확연히 드러납니다. 파란색으로 충전된 강입자가 상호작용하기 전에 더 먼 거리를 이동하는 모습을 보여줍니다. 붉은색 전자와 양전자는 훨씬 더 짧은 규모에서 분명히 상호작용합니다. 볼륨 전체에 걸쳐 눈에 띄는 소금과 후추 같은 빨간색 점은 이 에너지에서 상호 작용하는 최소 단면적을 갖고 따라서 열량계에서 공간적으로 퍼져나가는 저에너지(약 1MeV) 광자의 Compton 산란에서 나온 전자입니다.