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거품 상자

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목차

1. 개요

거품 상자는 안개 상자와 유사한 작동 원리를 가진 입자 검출기로, 하전 입자가 지나갈 때 액체 내에 생성되는 미세한 거품을 통해 입자의 궤적을 관찰한다. 큰 원통에 액체를 채우고 끓는점 바로 아래까지 가열한 후 압력을 낮추면 액체가 과열된 준안정 상태가 되며, 이때 입자가 지나가면 이온화 트랙을 따라 거품이 형성된다. 상자에 자기장을 걸어 입자의 전하-질량비와 운동량을 측정할 수 있으며, 중성류 발견 및 암흑 물질 연구에 기여했다. 하지만 사진 판독 방식, 단명 입자 감지의 어려움, 고에너지 충돌 분석의 제한 등으로 인해 와이어 체임버, 스파크 체임버 등 대체 기술로 대체되었다.

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거품 상자
개요
거품 상자 작동 방식 개략도
거품 상자 작동 방식 개략도
종류입자 검출기
개발자도널드 A. 글레이저
개발 연도1952년
상세 정보
작동 원리과열 액체 상태를 이용
하전 입자의 궤적을 시각화
사용 액체액체 수소
중수소
프로페인
에테르
혼합물
작동 방식

특징높은 밀도
높은 감도
자기장과 결합하여 하전 입자의 운동량 측정 가능
장점3차원 궤적 정보 획득 가능
높은 공간 분해능
단점데이터 수집 속도 느림
전자적 검출기에 비해 실시간 분석 어려움
활용 분야입자 물리학 실험
새로운 입자 발견
입자 성질 연구
주요 실험 장치베바트론
개저멜
역사
최초 개발도널드 A. 글레이저 (1952년)
노벨 물리학상 수상도널드 A. 글레이저 (1960년)
대형 거품 상자 제작로렌스 버클리 국립 연구소
참고 문헌

2. 작동 원리 및 구조

거품 상자는 안개 상자와 유사하게 작동한다. 큰 원통 속 액체를 끓는점 바로 아래에서 과열된 준안정 상태로 유지한다. 입자가 들어오면 피스톤이 압력을 낮추고, 하전 입자의 이온화 트랙을 따라 액체가 기화하여 거품이 생긴다. 거품 밀도는 입자의 에너지 손실에 비례한다. 거품은 커져서 눈으로 보거나 사진을 찍을 수 있고, 여러 카메라로 3차원 이미지를 얻는다. 수 마이크로미터(μm) 해상도 거품 상자도 작동되었다.

로렌츠 힘에 의한 자기장을 가하면 하전 입자가 나선 경로로 움직이며, 이를 통해 입자의 전하-질량비, 속도, 운동량을 알 수 있다.

2. 1. 작동 원리

거품 상자는 안개 상자와 작동 방식 및 기본 원리가 유사하다. 일반적으로 큰 원통에 액체를 채우고, 액체를 끓는점 바로 아래까지 가열하여 만든다. 입자가 상자에 들어오면 피스톤이 갑자기 압력을 감소시키고, 액체는 과열된 준안정 상태로 들어간다. 하전 입자는 이온화 트랙을 생성하며, 이 트랙 주위에서 액체가 기화하여 미세한 거품을 형성한다. 트랙 주변의 거품 밀도는 입자의 에너지 손실에 비례한다.

상자가 팽창함에 따라 거품은 크기가 커져서 보거나 사진을 찍을 수 있을 정도로 커진다. 여러 대의 카메라가 상자 주위에 장착되어 있어, 사건의 3차원 이미지를 캡처할 수 있다. 수 마이크로미터(μm)까지 해상도를 가진 거품 상자가 작동되어 왔다.

전체 상자에 일정한 자기장을 가하는 것이 종종 유용하다. 자기장은 로렌츠 힘을 통해 하전 입자에 작용하여 입자가 나선 경로로 이동하게 하며, 이 경로는 입자의 전하-질량비와 속도에 의해 결정된다. 알려진 모든 장수명 하전된 소립자의 전하 크기는 전자와 같기 때문에 곡률 반경은 운동량에 비례해야 한다. 따라서 입자의 곡률 반경을 측정하여 운동량을 결정할 수 있다.

거품 상자

2. 2. 구조 및 특징

거품 상자는 안개 상자와 적용 방식 및 기본 원리가 유사하다. 일반적으로 큰 원통에 액체를 채우고, 액체를 끓는점 바로 아래까지 가열하여 만든다. 입자가 상자에 들어오면 피스톤이 갑자기 압력을 감소시키고, 액체는 과열된 준안정 상태로 들어간다. 하전 입자는 이온화 트랙을 생성하며, 이 트랙 주위에서 액체가 기화하여 미세한 거품을 형성한다. 트랙 주변의 거품 밀도는 입자의 에너지 손실에 비례한다.

상자가 팽창함에 따라 거품은 크기가 커져서 보거나 사진을 찍을 수 있을 정도로 커진다. 여러 대의 카메라가 상자 주위에 장착되어 있어, 사건의 3차원 이미지를 캡처할 수 있다. 수 마이크로미터(μm)까지 해상도를 가진 거품 상자가 작동되어 왔다.

전체 상자에 일정한 자기장을 가하는 것이 종종 유용하다. 자기장은 로렌츠 힘을 통해 하전 입자에 작용하여 입자가 나선 경로로 이동하게 하며, 이 경로는 입자의 전하-질량비와 속도에 의해 결정된다. 알려진 모든 장수명 하전된 소립자의 전하 크기는 전자와 같기 때문에 곡률 반경은 운동량에 비례해야 한다. 따라서 입자의 곡률 반경을 측정하여 운동량을 결정할 수 있다.

3. 주요 발견 및 실험

거품 상자를 이용한 주요 발견으로는 1973년 가르가멜에서 중성류가 발견된 것[4]과, 1983년 UA1 실험 및 UA2 실험에서 W 및 Z 보존이 발견된 것이 있다. 이는 전자기력 이론의 타당성을 확립하는 데 기여했다. 또한, 거품 상자는 최근 SIMPLE, COUPP, PICASSO, PICO 등에서 약하게 상호작용하는 질량 입자(WIMP) 연구에도 사용되었다.[5][6][7]

3. 1. 중성류 발견

1973년 가르가멜에서 중성류가 발견되었으며,[4] 이는 전자기력 이론의 타당성을 확립하고 1983년 UA1 실험 및 UA2 실험에서 W 및 Z 보존의 발견으로 이어졌다.

3. 2. 암흑 물질 탐색

1973년 가르가멜에서 중성류가 발견되었으며[4], 이는 전자기력 이론의 타당성을 확립하고 1983년 UA1 실험 및 UA2 실험에서 W 및 Z 보존이 발견되는 결과로 이어졌다. 최근에는 SIMPLE, COUPP, PICASSO, PICO에서 약하게 상호작용하는 질량 입자(WIMP) 연구에 거품 상자가 사용되었다.[5][6][7]

3. 3. 한국 및 기타 국가에서의 실험

1970년 11월 13일, 미국 아르곤 국립 연구소의 Zero Gradient Synchrotron에 설치된 수소 거품 상자에서 사상 최초로 중성미자가 관측되었다. 중성미자는 전하를 띠지 않아 거품 상자에 궤적을 남기지 않으므로, 이는 간접적인 관측이었다.

1965년 기타가키 도시오(도호쿠 대학)는 일본 최초로 거품 상자 실험을 실시했다.

4. 한계 및 대체 기술

거품 상자는 과거에 매우 성공적이었지만, 현대의 초고에너지 실험에서는 여러 가지 이유로 사용이 제한적이다. 이러한 문제로 인해 거품 상자는 입자 에너지를 동시에 측정할 수 있는 와이어 체임버나 스파크 체임버와 같은 기술로 대체되었다.

4. 1. 한계점

과거 거품 상자는 매우 성공적이었지만, 여러 가지 이유로 현대의 초고에너지 실험에서는 사용이 제한적이다.

  • 3차원 전자 데이터가 아닌 사진 판독 방식이 필요하여, 특히 여러 번 재설정, 반복 및 분석해야 하는 실험에서 덜 편리하다.
  • 과열 상태가 충돌 순간에 정확히 준비되어야 하므로, 단명 입자 감지가 복잡해진다.
  • 거품 상자는 모든 생성물을 검출기 내부에 포함해야 하는 고에너지 충돌을 분석하기에 충분히 크거나 튼튼하지 않다.
  • 고에너지 입자는 비교적 작은 상자 내에서 정확하게 측정하기에는 궤도 반경이 너무 커서, 운동량의 정확한 추정을 방해한다.


이러한 문제로 인해 거품 상자는 입자 에너지를 동시에 측정할 수 있는 와이어 체임버로 대체되었다. 또 다른 대체 기술은 스파크 체임버이다.

4. 2. 대체 기술

과거 거품 상자는 매우 성공적이었지만, 여러 가지 이유로 현대의 초고에너지 실험에서는 사용이 제한적이다.

  • 3차원 전자 데이터가 아닌 사진 판독 방식이 필요하여, 특히 여러 번 재설정, 반복 및 분석해야 하는 실험에서 덜 편리하다.
  • 과열 상태가 충돌 순간에 정확히 준비되어야 하므로, 단명 입자 감지가 복잡해진다.
  • 거품 상자는 모든 생성물을 검출기 내부에 포함해야 하는 고에너지 충돌을 분석하기에 충분히 크거나 튼튼하지 않다.
  • 고에너지 입자는 비교적 작은 상자 내에서 정확하게 측정하기에는 궤도 반경이 너무 커서, 운동량의 정확한 추정을 방해한다.


이러한 문제로 인해 거품 상자는 입자 에너지를 동시에 측정할 수 있는 와이어 체임버로 대체되었다. 또 다른 대체 기술은 스파크 체임버이다.

5. 주요 거품 상자 목록

다음은 주요 거품 상자 목록이다.

이름설명
30 cm 버블 챔버 (CERN)
81 cm 사클레이 버블 챔버
2 m 버블 챔버 (CERN)
베른 미세 버블 챔버
베바트론액체 수소 버블 챔버가 있는 입자 가속기
빅 유럽 버블 챔버
홀로그래픽 렉산 버블 챔버
가르가멜1970년과 1979년 사이에 CERN에서 작동한 중액체 버블 챔버
렉산 버블 챔버
PICO암흑 물질을 탐색하는 액체 프레온 버블 챔버


참조

[1] 논문 Some Effects of Ionizing Radiation on the Formation of Bubbles in Liquids
[2] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 1960 http://nobelprize.or[...] The Nobel Foundation 2009-10-03
[3] 웹사이트 Front Seat to History: Summer Lecture Series Kicks Off – Invention and History of the Bubble Chamber http://www.lbl.gov/P[...] Lawrence Berkeley National Laboratory 2009-10-03
[4] 웹사이트 1973: Neutral currents are revealed http://public.web.ce[...] CERN 2009-10-03
[5] 웹사이트 COUPP experiment – E961 http://www-coupp.fna[...] COUPP 2009-10-03
[6] 웹사이트 The PICASSO experiment http://www.picassoex[...] PICASSO 2009-10-03
[7] 웹사이트 The PICO experiment http://www.picoexper[...] PICO 2016-02-22
[8] 간행물 現代物理学の歩み 泡箱、原題：The Bubble Chamber（SCIENTIFIC AMERICAN February 1955） 2012-11
[9] 논문 Some Effects of Ionizing Radiation on the Formation of Bubbles in Liquids
[10] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 1960 https://www.nobelpri[...] The Nobel Foundation 2019-04-13
[11] 웹인용 버클리 랩 뷰-2006년 7월 21일 http://www.lbl.gov/P[...] 2009-06-25
[12] 웹인용 Gargamelle https://home.cern/sc[...] 2023-12-18


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