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대형 전자-양전자 충돌기

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목차

1. 개요

대형 전자-양전자 충돌기(LEP)는 1989년부터 2000년까지 유럽 입자 물리 연구소(CERN)에서 운영된 원형 렙톤 가속기였다. LEP는 전자와 양전자를 충돌시켜 전약 상호작용을 정밀하게 측정하는 데 사용되었으며, 1983년부터 1988년까지 건설되었다. LEP는 전자와 양전자를 최대 209 GeV까지 가속하여 Z 보손, W 보손 쌍 등을 생성했으며, 4개의 검출기(ALEPH, DELPHI, OPAL, L3)를 통해 다양한 입자 반응을 연구했다. LEP 실험 결과는 표준 모형을 검증하고 힉스 입자 탐색에 기여했지만, 힉스 입자로 추정되는 신호는 통계적 유의성이 부족하여 확실한 증거로 인정받지 못했다. LEP는 대형 강입자 충돌기(LHC) 건설을 위해 운영이 중단되었다.

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대형 전자-양전자 충돌기
개요
CERN의 대형 강입자 충돌기를 위한 자석으로 채워진 이전 LEP 터널.
유형싱크로트론
빔전자, 양전자
표적충돌기
에너지209 GeV
전류6.2 mA
위치제네바, 스위스
기관유럽 입자 물리 연구소
연도1989–2000
이후대형 강입자 충돌기

2. 충돌기의 배경

LEP는 지금까지 만들어진 것 중 가장 강력한 원형 렙톤 가속기였다. 충돌기는 일반적으로 모양(원형 또는 선형)과 가속하고 충돌시키는 입자 유형(경입자 또는 강입자)에 따라 분류할 수 있다. 원형 경입자 충돌기인 LEP는 이전에 달성할 수 없었던 에너지에서 전약 상호작용을 정밀하게 측정하는 데 적합했다.

2. 1. 렙톤 충돌기와 강입자 충돌기

렙톤은 점 입자이며 상대적으로 가볍다. 렙톤은 점입자이기 때문에 충돌이 깨끗하고 정밀한 측정이 가능하다. 하지만 가볍기 때문에 무거운 입자로 달성할 수 있는 에너지와 동일한 수준에는 도달할 수 없다. 강입자는 복합 입자(쿼크로 구성)이며 상대적으로 무겁다. 예를 들어, 양성자는 전자보다 2000배 더 큰 질량을 가지고 있다. 강입자는 질량이 더 크기 때문에 훨씬 더 높은 에너지로 가속될 수 있으며, 이는 현재 받아들여지는 이론에서 예측하지 못한 새로운 입자 또는 상호 작용을 직접 관찰하는 데 중요하다. 그러나 강입자 충돌은 매우 복잡하고(예를 들어, 많은 관련 없는 궤적이 종종 존재하며, 충돌 에너지를 결정하는 것이 간단하지 않다), 따라서 분석하기가 더 어렵고 정밀한 측정에 적합하지 않다.

2. 2. 원형 충돌기와 선형 충돌기

LEP는 지금까지 만들어진 것 중 가장 강력한 원형 렙톤 가속기였다. 충돌기는 일반적으로 모양(원형 또는 선형) 및 가속하고 충돌시키는 입자 유형(경입자 또는 강입자)에 따라 분류할 수 있다.

LEP 입자 빔 튜브의 단면


고에너지 물리 충돌기는 입자를 다발로 모은 다음 다발을 함께 충돌시킨다. 그러나 실제로 충돌하는 입자는 각 묶음의 아주 작은 부분에 불과하다. 원형 충돌기에서 이러한 다발은 대략 원형 모양 주위를 반대 방향으로 이동하므로 반복해서 충돌할 수 있다. 이것은 높은 충돌률을 가능하게 하고 많은 양의 데이터 수집을 용이하게 한다. 이는 정밀한 측정이나 매우 드문 붕괴를 관찰하는 데 중요하다. 그러나 다발의 에너지는 싱크로트론 방사로 인한 손실로 인해 제한된다. 선형 충돌기에서 입자는 직선으로 이동하므로 싱크로트론 방사의 영향을 받지 않지만 다발은 재사용할 수 없으므로 많은 양의 데이터를 수집하기가 더 어렵다.

3. 역사

LEP 건설은 1983년에서 1988년 사이에 유럽에서 가장 큰 토목 공학 프로젝트였다.[8]

LEP 충돌기는 1989년 8월에 작동을 시작하여 전자와 양전자를 각각 총 에너지 45 GeV로 가속하여 질량이 91 GeV인 Z 보손을 생성할 수 있게 하였다.[8] 이후 가속기는 각각 질량이 80 GeV인 한 쌍의 W 보손을 생산할 수 있도록 성능이 개선되었다. LEP 가속기 에너지는 2000년 말 결국 209 GeV에서 정점을 찍었다. 200,000이 넘는 로렌츠 계수(= 입자 에너지/정지 질량 = [104.5 GeV/0.511 MeV])에서 LEP는 여전히 빛의 제한 속도에 매우 가까운 입자 가속기 속도 기록을 보유하고 있다. 2000년 말, LEP는 운영이 중단된 후 대형 강입자 충돌기(LHC) 건설을 위한 터널 공간 확보를 위해 해체되었다.

4. 작동

'''LEP'''의 오래된 RF 공동공진기, 현재 CERN의 Microcosm 전시관에 전시되어 있다.


LEP는 CERN의 가속기 복합체에서 전자와 양전자를 공급받아 작동했다.[1] 양성자 싱크로트론 및 초(超) 양성자 싱크로트론을 거쳐 거의 빛의 속도로 가속된 입자들은 LEP 링에 주입되었다.[1]

전자와 양전자가 충돌하면 소멸하여 가상 입자인 광자 또는 Z 보손으로 소멸된다.[1] 가상 입자는 거의 즉시 다른 기본 입자로 붕괴되며, 이는 거대한 입자 검출기에 의해 감지된다.[1]

4. 1. 구성 요소

LEP 링은 하전된 입자를 원형 궤도로 강제하는 많은 자석, 무선 주파수 파동으로 입자를 가속시키는 RF 가속기, 입자 빔을 집중시키는 사중극자로 구성된다.[1] 가속기의 기능은 입자가 충돌할 때 무거운 입자가 생성될 수 있도록 입자의 에너지를 증가시키는 것이었다.[1] 입자가 최대 에너지로 가속되면(소위 다발에 집중) 전자와 양전자 다발이 검출기의 충돌 지점 중 하나에서 서로 충돌하게 된다.[1]

4. 2. 충돌 및 검출

LEP는 CERN의 가속기 복합체에서 공급된 전자와 양전자를 사용했다. 입자는 LEP 전(前) 주입기에 의해 생성되고 처음 가속되었으며, 양성자 싱크로트론과 초(超) 양성자 싱크로트론에 의해 빛의 속도에 가깝게 추가 가속되었다. 거기에서 LEP 링으로 주입되었다.

모든 링 콜라이더에서와 마찬가지로 LEP의 링은 전하 입자를 원형 궤도로 강제하고 (그래서 링 안에 머물게 함), 입자를 전파로 가속하는 RF 가속기, 입자 빔을 집속시키는 사중극자 (즉, 입자를 함께 유지)로 구성되었다. 가속기의 기능은 입자가 충돌할 때 무거운 입자를 생성할 수 있도록 입자의 에너지를 증가시키는 것이었다. 입자가 최대 에너지로 가속(및 소위 뭉치로 집속)되면 전자와 양전자 뭉치가 검출기의 충돌 지점 중 하나에서 서로 충돌하게 되었다. 전자와 양전자가 충돌하면 소멸하여 가상 입자, 즉 광자 또는 Z 보손으로 소멸된다. 가상 입자는 거의 즉시 다른 기본 입자로 방사성 붕괴되며, 이는 거대한 입자 검출기에 의해 감지된다.

5. 검출기

대형 전자-양전자 충돌기(LEP)에는 4개의 검출기가 설치되어 있었다. 각각 작은 집 크기만 한 이 검출기들은 입자의 에너지, 운동량, 전하를 기록하여 물리학자들이 입자 반응과 관련 기본 입자를 추론할 수 있게 했다. 이 데이터를 통계 분석하여 소립자 물리학 지식을 얻었다. LEP의 4개 검출기는 ALEPH, DELPHI, OPAL, L3였으며, 상호 보완적인 실험을 위해 서로 다르게 설계되었다.

5. 1. ALEPH

ALEPH는 "CERN의 LEP 물리학 장치"를 의미한다. 이 검출기는 W 보손과 Z 보손의 질량을 1000분의 1 단위까지 정확하게 측정했다. 가벼운 중성미자를 가진 입자 계열의 수는 2.982 ± 0.013개로 결정되었으며, 이는 표준 모형의 값인 3과 일치한다. 양자 색역학(QCD) 결합 상수의 변화를 다양한 에너지에서 측정했으며 QCD의 섭동 이론 계산과 일치하는 것으로 나타났다.[3]

5. 2. DELPHI

DELPHI는 '''DE'''tector with '''L'''epton, '''P'''hoton and '''H'''adron '''I'''dentification (경입자, 광자 및 강입자 식별 기능을 갖춘 검출기)의 약자이다.

5. 3. OPAL

OPAL은 '''O'''mni- '''P'''urpose '''A'''pparatus for '''L'''EP (LEP용 다목적 장치)의 약자이다. 이 실험 기구의 이름인 오팔은 설계를 처음 제안한 과학 협력체의 창립 멤버 중 일부가 이전에 함부르크의 DESY에서 'JADE'(보석) 검출기에 대해 작업한 적이 있었기 때문에 말장난으로 만든 것이다.[4] OPAL은 광범위한 데이터를 수집하도록 설계된 범용 검출기였다. 이 데이터는 Z 보손 선형의 고정밀 측정, 표준 모형의 상세한 테스트, 새로운 물리학의 제한을 설정하는 데 사용되었다. 이 검출기는 LHC 장비를 위한 공간을 만들기 위해 2000년에 해체되었다. OPAL 배럴 전자기 열량계의 납 유리 블록은 현재 CERN의 NA62 실험에서 대각 광자 거부 검출기에 재사용되고 있다.[10]

5. 4. L3

L3는 LEP의 또 다른 실험 장치였다.[11] 그것의 거대한 팔각형 자석 요크는 동굴에 그대로 남아 LHC를 위한 ALICE 검출기의 일부가 되었다.[5]

6. 결과

LEP 실험 결과는 표준 모형의 여러 수치를 정밀하게 측정하는 데 기여했다. 특히 1983년 CERN의 양성자-반양성자 충돌기에서 발견된 Z 보손과 W 보손의 질량 측정은 표준 모형을 검증하는데 중요한 역할을 했다.[12]

6. 1. 힉스 입자 탐색

LEP 실험 종료 시점에 약 115 GeV 질량의 힉스 입자로 추정되는 신호가 관측되었으나, 표준 편차가 1.7로 신뢰 수준이 91%에 불과하여 확실한 증거로 인정받지 못했다.[12] 이는 입자 물리학계에서 발견으로 간주하는 기준에 미치지 못하는 수준이었다. LEP의 가동 기간을 연장하여 추가적인 확인 실험을 진행하자는 제안도 있었으나, LHC 건설을 위해 LEP는 계획대로 가동을 중단하였다.

이후 테바트론에서 추가 실험이 진행되었으나 2010년까지 힉스 입자의 존재를 확인하거나 반박할 만한 충분한 데이터를 얻지 못했다.[6] 그러나 2012년 7월부터 LHC의 ATLAS와 CMS 실험에서 약 125 GeV 질량의 힉스 입자가 발견되었고,[7] 이에 따라 115 GeV 영역은 힉스 입자의 존재 가능성이 없는 것으로 배제되었다.

참조

[1] 저널 The Greatest Lepton Collider https://cerncourier.[...] 2022-04-22
[2] 저널 The design, construction and commissioning of the CERN large Electron–Positron collider https://cds.cern.ch/[...]
[3] 웹사이트 Welcome to ALEPH http://aleph.web.cer[...] 2011-09-14
[4] 웹사이트 The OPAL Experiment at LEP 1989–2000 http://opal.web.cern[...] 2011-09-14
[5] 웹사이트 L3 Homepage http://l3.web.cern.c[...] 2011-09-14
[6] arXiv Combined CDF and D0 Upper Limits on Standard Model Higgs-Boson Production with up to 6.7 fb−1 of Data 2010-06-26
[7] 웹사이트 New results indicate that new particle is a Higgs boson - CERN http://home.web.cern[...] 2018-04-24
[8] 저널 The design, construction and commissioning of the CERN large Electron–Positron collider http://cds.cern.ch/r[...]
[9] 웹인용 Welcome to ALEPH http://aleph.web.cer[...] 2011-09-14
[10] 웹인용 The OPAL Experiment at LEP 1989–2000 http://opal.web.cern[...] 2011-09-14
[11] 웹인용 L3 Homepage http://l3.web.cern.c[...] 2011-09-14
[12] 웹인용 New results indicate that new particle is a Higgs boson - CERN http://home.web.cern[...] 2018-04-24


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