구름상자 속 입자 찾기, CHAMBERS

Cloud Chamber, Spark Chamber

입자검출기의 역사

1908

카이어 뮐러 방사능 측정기

Geiger Muller Counter

1908

울프 전위계

Wulf Electrometer

1908

윌슨의 안개상자 안에서 알파선으로 형성된 이온의 흔적

© CTR Wilson Roy, Proceedings of the Royal Society A, Volume 85, Plate 9

1912~1913

찰스 톰슨 리 윌슨이 발명한 안개 상자

Wilson expansion apparatus

© The Board of Trustees of the Science Museum

1919

사진 감광 유제

Photographical emulsion plate

1930

스파크 챔버

Spark Chamber

1932

클라우드 챔버, 양전자의 흔적을 검출하다

Cloud Chamber track positron

1932

칼 앤더슨이 발견한 양전자의 흔적

1970

버블 챔버

Bubble Champer

입자검출기의 역사

어떻게 입자의 존재를 알 수 있을까?

우주에서 온 입자를 찾기 위해 과학자들은 여러 가지 실험 장치를 발명하였습니다.

그 중에서 안개 상자와 방전 상자는 입자가속기가 나오기 전까지 널리 사용되던 실험 장치입니다.

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Cloud chamber 구름상자

Cloud Chamber

1897년 영국의 물리학자인 C.T.R. 윌슨이 발명한 구름상자는 입자들을 관찰할 수 있는 실험 장치입니다. 구름상자 내부를 매우 차갑게 만들고, 증기로 가득한 상태로 만들면 기체가 액체로 변하는 응결 현상이 일어나게 됩니다. 이때 이온화된 방사선 입자가 내부를 지나면 응결핵 역할을 하게 됩니다. 즉, 이 입자 주위의 증기가 액체로 변하고 구름처럼 보이게 되고 입자의 이동 흔적이 비행기가 지나갈 때 만드는 구름처럼 나타납니다. 입자의 종류에 따라 관측되는 경로의 특징이 다르기 때문에 경로를 분석하여 어떤 입자인지 구별이 가능합니다. 우주선으로 부터 온 전자, 양전자, 뮤온 등이 구름상자를 통해 발견되었습니다.

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Spark chamber 스파크 챔버

Spark chamber

스파크챔버도 구름상자처럼 대전된 입자를 관측하는 실험 장치입니다. 이름처럼 입자가 전하를 잃어버리는 방전 현상을 이용합니다. 스파크챔버 내부는 금속판들이 있고, 금속판 사이에는 헬륨이나 네온과 같은 비활성 기체들로 채워져 있습니다. 대전된 입자가 상자 내부를 지나며 전자를 방출합니다. 이때 금속판에 높은 전압을 걸면, 가속된 전자가 비활성 기체와 충돌하여 더 많은 전자가 방출됩니다. 이러한 방전 현상이 입자의 경로를 따라 스파크를 만들어내서 우리 눈으로 볼 수 있게 됩니다. 20세기 중반에 주로 사용되었으며, 특히 우주선 연구에 도움을 주었습니다. 전자 중성미자, 뮤온 중성미자 등이 방전 상자를 통해 간접적으로 발견되었습니다.

구름상자 만들기

서울대학교의 Spark Chamber

2000년대 초반 서울대학교에서 만들어진 이 스파크챔버는 뮤온이 비활성 기체를 통과할 때 기체를 이온화시키는 현상을 이용하여 뮤온의 궤적을 직접 관측할 수 있게 하는 장치입니다. 뮤온이 방전 상자에 장착된 3개의 신틸레이터를 통과하여 신호를 내보내면 NIM모듈이 그 신호의 동시성을 판단하여 스파크챔버 양단에 약 7kV의 고전압을 가하게 됩니다. 그 후 챔버 내부에 남아있는 비활성 기체에 이온 궤적을 따라 방전되며 붉은 빛을 발산하게 됩니다. 현재 스파크챔버는 실제 실험에 사용되지는 않지만 뚜렷하게 입자의 흔적을 바로 눈으로 확인할 수 있기 때문에 교육용이나 전시용으로 많이 만들어지고 있습니다. 이 스파크챔버는 국내 연구진에 의해 처음으로 제작되었으며 현재 국내 유일한 실험기구입니다. 또한 세계에서 가장 큰 것 중의 하나이기도 합니다.