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대형 이온 충돌기 실험 

(A Large Ion Collider Experiment: ALICE)

 

한국실험팀 (Korean ALICE: KoALICE)

 

고에너지 핵물리 (중이온물리) 는 QCD 위상 다이어그램의 고온/고밀도의 중이온 충돌을 통해 강입자 내에 속박돼 있는 쿼크가 (거의) 자유롭게 플라즈마 상태를 이루는 쿼크-글루온 플라즈마 (Quark-Gluon Plasma: QGP) 로의 상전이 및 QGP 물질상태의 성질을 탐구하는 연구분야이다. 이는 우주 최초에 먼저 생겼을 것이 확실한 쿼크와 글루온들이 어떻게 강입자 내에 속박되게 되었는지를 밝히는 현 세대의 중요한 근원적인 문제를 다루고 있다. 

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고에너지 중이온 충돌은 1980년대 이전에 중요한 연구주제로 확립된 이래, 미국 부룩헤이븐 국립 연구소 (Brookhaven National Lab.: BNL) 의

GS (Alternating Gradient Synchrotron), 독일 중이온 연구소 (Gesellschaft für SchwerIonenforschung: GSI) 의 SIS (SchwerIon Synchrotron)에서 최초의  중이온 충돌실험을 시작으로, 유럽 핵·입자 물리연구소 (CERN)의 대형 양성자 싱크로트론 (Super Proton Synchrotron: SPS), 미국 BNL의 상대론적 중이온충돌기 (Relativistic Heavy Ion Collider:  RHIC) 및 CERN의 대형강입자충돌기 (Large Hadron Collider: LHC)에서 다양한 에너지와 중이온을 이용한 충돌 실험이 이루어지고 있다.

 

현존하는 최대 에너지의 중이온 충돌실험이 CERN의 LHC에서 진행중이며, 특히 대형 이온 충돌기 실험 (ALICE) 은 LHC에서 유일하게 고에너지 핵물리 실험 (중이온 충돌 실험) 에 특화된 거대 실험 장치이다. 2010년부터 LHC 에너지 (핵자당 0.9TeV, 2.76TeV, 5.5TeV, 13TeV) 의 양성자-양성자, 양성자-납핵, 납핵-납핵 충돌 및 다양한 중이온 충돌실험을 수행한다 (https://alice-collaboration.web.cern.ch). 

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KoALICE는 2007년부터 한-CERN 국제협력사업의 일환으로 시작된 ALICE의 한국실험팀으로, 현재 (2019.08) 참여기관은 강릉원주대, 부산대, 세종대, 연세대, 인하대, 전북대 (총 35명 내외) 이며 충북대가 가입을 준비 중이다.  특히 2012년부터 부산대, 연세대, 인하대가 LHC의 LS2 (Long Shutdown 2: 2019 – 2020) 기간 동안  LHC의 고휘도 중이온충돌 업그레이드를 대비한 ALICE Upgrade에 참여하여, 충돌지점에서 가장  가까운 곳에 설치된 내부궤적검출기 (Inner Tracking System: ITS)를 완전히 새로운  센서 (Monolithic Active Pixel Sensors: MAPS) 와 

고속 데이터수집 (기존의 100배 ~ 100 kHz) 이 가능한 실리콘 검출기로 대체하는 업그레이드에 참여하고 있다. 

 

한국팀 (부산-인하대 팀, 연세대 팀) 은 MAPS 칩 전량 (65,000개) 의 칩 테스트와 1단계 칩모듈인 복합집적회로 (Hybrid Integrated Circuit: HIC) 의 조립 (전 세계 6개 실험실 중의 하나)을 책임지고 이를 성공적으로 수행하였다. 이후 2021년초까지 CERN 현지에 파견돼 외부배럴 4개

레이어의 최종조립 및 테스트, 설치 및 최종 커미셔닝을 수행하고 있다. KoALICE의 각 기관팀들이 맡아서 수행하고 있는 검출기 및 중이온충돌실험 연구주제들은 대략 다음과 같다.

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  1. 강릉원주대: ToF 검출기 (다중 저항판검출기) 의 운영 및 R&D, 뮤온시스템 운영 및 

  2. 업그레이드

  3. 부산대: ITS 검출기 업그레이드 및 R&D, 가벼운 입자 (Light Flavor: LF) 및 공명입자 (Resonance) 탐색 – 강입자화 과정에서 기대되는 재산란 및 재생성, 수명 연구

  4. 세종대: 무거운 입자의 생성량 및 격자 모델 모의실험

  5. 연세대: ITS 검출기 업그레이드 및 R&D, 제트 및 생성물질의 흐름 연구

  6. 인하대: ITS 검출기 업그레이드 및 R&D, 무거운 입자계 (Heavy Flavor) 탐색 – 충돌초기 생성물질의 성질연구

  7. 전북대: 가벼운 입자계 및 제트 상관관계 연구

 

KoALICE는 이후 LS3/4 기간동안의 지속적인 내부궤적검출기 연구개발 및 RUN3 이후의 무거운 입자계를 이용한 고온 쿼크물질의 연구를 계획 중이며, 이를 통하여 국제연구그룹에 기여함과 동시에 국내 인력 및 물적 인프라 구축에 기여하고자 한다.

 

 

KoALICE 웹페이지: 차후 업데이트 예정

 

자료제공: 유인권 회원님 (부산대)

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