빅뱅을 담는 사진기, CMS

A Camera for the Big Bang, CMS

뮤온 압축 솔레노이드

뮤온 압축 솔레노이드(Compact Muon Solenoid, CMS)는 LHC의 대표적인 입자검출기 중 하나입니다. 원통형의 형태로 ‘Compact’라 하지만 사실 길이가 약 28.7미터, 지름이 15미터의 거대한 검출기로 무게는 14,000톤에 달합니다. LHC의 다른 장치보다 작을 뿐 결코 가볍거나 작지는 않습니다. CMS 실험의 주요 목적은 높은 에너지로 양성자를 충돌시켜 만들어진 소립자를 감지하고 새로운 물리학 현상을 찾는 것입니다.

이러한 발견을 위해 CMS 검출기는 여러 부분으로 구성되어 있는데 대표적으로 궤적 검출기, 에너지 검출기, 뮤온 검출기 등 있으며 그 밖에도 최첨단 공학 및 전자 컴퓨터 기술이 적용되어 있는 최신 현대기술의 집합체라 할 수 있습니다.

CMS 실험은 51개국 229개의 기관, 5,000여 명의 입자물리학자와 엔지니어, 기술자, 학생 등 전문 인력이 투입된 역사상 가장 큰 국제 과학 협력 사업의 하나입니다.

Compact

Muon Solenoid

The Compact Muon Solenoid(CMS) is one of LHC's representative particle detectors.

It is called ‘compact’ in the form of a cylinder, but it is a huge detector with a length of 28.7 meters and a diameter of 15 meters and weighs 14,000 tons. It's smaller than the LHC's other devices, but it's never lighter or smaller. The main purpose of the CMS experiment is to detect elementary particles created by colliding protons with high energy and to find new physics phenomena.

한국 CMS 실험팀

한국은 2000년대 초반부터 CMS 실험에 참여하고 있으며, 2006년 '한국-CERN 협력사업' 양해각서를 체결하면서 국가차원의 국제공동연구에 참여하고 있습니다. 2021년 현재 한국 CMS 실험팀은 10개 대학에서 교수 17명을 포함해 약 120명이 참여하는 국내 최대 입자물리 실험팀으로 CMS 실험에서 힉스입자의 물리적 특성을 측정하는 연구와, 물질을 구성하는 입자 중 하나인 탑쿼크의 특성을 측정하는 연구 등을 해오고 있습니다. 뿐만 아니라 표준모형에서 설명하지 못하는 자연현상을 설명할 수 있는 초대칭이론의 가능성을 탐색하거나, 자연의 비대칭성 탐색, 암흑물질을 찾기 위한 연구에도 큰 공헌을 하고 있습니다.

이밖에도 CMS 검출기의 개발 및 운영에도 큰 역할을 하고 있습니다. LHC는 중간중간 가동을 중단하고 에너지 출력을 높이거나 가속하는 입자 다발의 밀도를 높이는 작업을 해왔습니다. 2021년 말까지 이루어지는 일시폐쇄 기간 동안 업그레이드를 위해 국내기업인 메카로(MECARO)와 협력하여 개발한 GEM 검출기가 설치가 될 예정입니다. GEM 검출기는 기체를 이용해 입자가 매체를 지나갈 때 발생하는 신호를 증폭시키는 장비로 가속기 내 힉스입자가 붕괴해 뮤온입자가 만들어졌다고 할 때, 뮤온입자의 신호를 증폭시키는 역할을 합니다. 또한 업그레이드 된 저항판(Resistive Plate Chamber, RPC) 검출기를 올해 국내에서 제작하여 CERN으로 보낼 예정입니다.

한양대학교에서는 2015년부터 국제 CMS 실험팀에 참여하고 있습니다. 탑쿼크와 함께 나타날 수 있는 새로운 물리 현상 탐색 연구를 주도적으로 진행하고 있습니다. 특히 2022년 업그레이드 되는 CMS 검출기에 장착될 저항판 검출기 개발에 참여하고 있습니다. 저항판 검출기는 양성자 및 중이온 충돌실험에서 가장 중요한 뮤온 판별 검출기로 사용됩니다.

The KOREA CMS Experiment Team

KOREA have been participating in the CMS experiment since early 2000. As of 2021,

about 120 people including 17 professors from 10 universities are participating in the Korea CMS Experiment Team.

The Korea group have contributed significantly to precision measurements of the Standard Model, searches for new elementary particles and physics,

and development and maintenance of the CMS muon detectors - Resistive Plate Chamber (RPC) and Gas Electron Multiplier (GEM).

Especially, the Korea CMS group are collaborating with the Korean company MECARO in the GEM project and will supply most of the CMS GEM foils

for the future upgrade of the CMS detector.

RPC 검출기

빠른 시간 반응성을 가지고 있는 기체 검출기입니다. 극이 서로 다른 두 개의 저항이 큰 판 사이에 고전압이 걸리고 그 사이는 가스로 채워져 있습니다. 뮤온입자가 지나가면 가스 원자의 전자가 떨어져 나가고 구리선에 의해 전기적인 신호로 잡힙니다. 전시된 RPC 검출기는 한국에서 만들어져 2012년 힉스 입자에서 붕괴되어 나온 뮤온입자 검출에 쓰였습니다.

CMS 모형

CMS 검출기의 실제 모습을 축소하여 제작한 모형입니다. CMS 검출기의 실제 크기는 길이 약 28.7m, 지름 15m입니다. 앞에 놓인 모형을 통해 검출기의 구조를 확인해 볼 수 있습니다.

CMS 실리콘 트랙커 검출기

실리콘 트랙커 검출기의 한 부분으로 양성자 충돌에서 나온 전하를 띤 입자의 궤적을 재구성하는 역할을 합니다.

CMS 실리콘 픽셀 전방 검출기

픽셀 전방 검출기는 65백만 개의 픽셀로 이루어져 입자의 위치를 초정밀로 측정할 수 있습니다. 빔 파이프에 가장 가까운 검출기로 수명이 짧은 입자를 재구성하는데 중요하게 쓰입니다.

CMS 고입상 육각 열량계

2025년 이후에 가동되는 고광도 LHC(High- Luminosity LHC)에 장착될 검출기입니다. 높은 방사능과 입자의 다중 충돌에서 나오는 높은 밀도의 전하를 띤 입자를 견딜 수 있게 만들어졌습니다.