홍병식 교수님 ( 이학관 412호, 3290-3105, [email protected]) 핵물리 연구실 ( 이학관 442호, 3290-3535 ) 연구실 소개 핵물리 연구실은 홍병식 교수님, 이경세 연구교수님의 지도 아래 박사 후 연구원 1명, 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 최초의 중이온 가속기인 라온(RAON)에 쓰일 다양한 검출기개발, 제작 및 성능시험뿐만 아니라 이들의 응용연구도 활발히 수행하고 있습니다. 여러 가지 연구분야 LAMPS@RAON (RAON, 우리나라 최초의 기초과학을 위한 가속기) 1. TPC (Time Projection Chamber) 2. Neutron Detector 3. Si-CsI Detector 4. Dipole Spectrometer RAON에서 중이온 충돌에 의해 생성되는 여러 입자들의 검출을 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 에 대한 연구와 새로운 입자발견, 그리고 초창기 우주와 새로운 물리 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 기원에 대한 연구 SAMURAI@RIBF, RIKEN (RIKEN 일본 이화학 연구소) 양성자와 중성자의 수가 다른 희귀 동위원소 빔을 이용하여 충돌 양성자와 중성자의 수가 다를 때의 nuclear symmetry energy와 핵 구조를 연구
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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.