[물리] 욕토초 광 펄스를 측정할 CERN의 검출기

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2012-11-21

조만간 재래식 측정 기술들은 아토초보다 더 빠른 시간 규모로 발생하는 현상을 측정하기에는 너무 느릴 것이다. 그러한 광 펄스를 측정하기 위해서, 세상에서 가장 정확한 스톱워치를 만드는 방법을 과학자들이 제안했다.

현재 10^-18초, 즉 아토초 정도로 지속되는 펄스가 만들어질 수 있지만, CERN의 중이온 충돌 실험에서는 오늘날 이용할 수 있는 기술로는 측정할 수 없을 정도로 훨씬 더 짧은 펄스도 발생될 수 있을 것이라는 것이 비엔나공대(Vienna University of Technology)의 컴퓨터 시뮬레이션으로 제안되었다. “CERN에 있는 거대강입자충돌기(LHC)나 상대론적중이온충돌기(RHIC)와 같은 입자 충돌기의 원자핵들은 그보다 100만 배는 더 짧다”고 비엔나공대의 안드레아스 이프(Andreas Ipp)는 말했다.

CERN의 ALICE 실험에서는 납의 핵들이 거의 광속으로 충돌된다. 충돌의 힘으로 생성된 새로운 입자들과 함께 흩어진 핵의 파편들은 쿼크-글루언 플라즈마(quark-gluon plasma)를 형성한다. 이 물질 상태에서는 너무나 뜨거워서 양성자와 중성자들도 녹아버린다. 이들의 기본 요소인 쿼크와 글루언들은 서로에게 속박되지 않고 독립적으로 움직일 수 있다. 극도로 낮은 점성을 가진 이러한 플라즈마는 단지 수 욕토초(yoctoseconds : 10^-24) 동안에만 존재한다.

입자 충돌기에서 형성된 쿼크-글루언 플라즈마로부터는 광 펄스가 방출될 수 있다. 이 펄스들은 플라즈마에 관한 귀중한 정보를 운반할 수 있으며 이러한 물질 상태의 특성을 더 잘 파악하는데 도움이 될 수 있지만, 재래식 측정 기술들은 너무 느려서 욕토초 시간 규모의 이러한 섬광들을 분해할 수 없다. “이런 이유 때문에 우리는 HBT(Hanbury Brown-Twiss) 효과를 이용하고 있다. 이 효과는 원래 천문학 측정을 위해 개발된 것”이라고 이프는 말했다. HBT 실험에서는, 두 개의 서로 다른 광 검출기들 사이의 상관성이 조사된다. 이 실험을 이용하면 별의 직경을 매우 정밀하게 측정할 수 있다. “공간적인 거리를 조사하는 대신, 시간 간격을 측정하는 데에도 이 효과를 이용할 수 있다”고 비엔나공대의 박사과정생인 피터 솜쿠티(Peter Somkuti)는 말했다.

쿼크-글루언 플라즈마의 욕토초 펄스가 HBT 실험에 의해 분해될 수 있다는 것이 그의 계산으로 밝혀졌다. “어렵겠지만, 분명 달성될 수 있을 것”이라고 이프는 말했다. 이 실험에는 부수적인 고가의 검출기들이 필요하지 않을 것이다. 이 실험은 2018년에 CERN에서 온라인으로 접속될 것으로 ‘순방향 열량계(forward calorimeter)’로 수행될 수 있을 것이다. 그렇게 되면 ALICE 실험은 세상에서 가장 정확한 스톱워치가 될 수 있을 것이다. 미래에는, 2개의 펄스를 이용하여 원자핵을 연구하는 확립된 실험법에도 욕토초 광 펄스를 적용하는 것이 가능할 것이다. 두 펄스 중 하나는 연구할 물체의 상태를 바꾸기 위한 것이고, 두 번째 펄스는 그러한 변화를 측정하기 위한 것이다. 지금까지 이런 접근방식은 특정 연구 분야들에서 전혀 이용될 수 없었다.

* 그림 : 2개의 납 원자들이 충돌하면 쿼크-글루언 플라즈마가 생기고, 이 플라즈마는 초단 레이저 펄스를 방출할 수 있다.

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