소개글
"뮤온 검출기"에 대한 내용입니다.
목차
1. 우주선 연구의 과거와 현재
1.1. 우주선
1.1.1. 역사
1.1.2. 분류
1.1.3. 우주선의 에너지 스펙트럼
1.1.4. 검출 방법
1.1.5. 우주 내에서 우주선의 전파
1.2. 우주선 관측 실험
1.2.1. Pierre Auger Observatory
1.2.2. Telescope Array Project
1.2.3. PAMELA Detector
2. 힉스입자에 대한 이해
2.1. 힉스입자란?
2.2. 힉스입자가 가진 의미
2.3. 힉스입자와 힉스장에 대한 설명
2.4. 힉스입자의 발견
2.5. 힉스 실험 일지
2.6. 빅뱅(힉스생성)실험에 필요한 개념 및 장비
2.7. 빅뱅실험 개념 및 매커니즘
3. 참고 문헌
본문내용
1. 우주선 연구의 과거와 현재
1.1. 우주선
1.1.1. 역사
우주선은 1912년 오스트리아의 물리학자 헤스에 의해 처음으로 발견되었다. 전부터 대기의 전리작용이 존재한다는 것은 알고 있었지만, 이것이 지구 내부의 방사선을 가진 광물에 의한 것인지 지구 외부에서 오는 방사선에 의한 것인지는 모르고 있었다. 헤스는 기구를 타고 고도 5 km 까지 올라가며 대기의 전리작용을 측정하였고, 고도가 높을수록 대기의 전리작용이 증가하는 것을 확인하였다. 연이은 실험으로 이러한 방사선이 우주에서 오는 것을 확인하였고, 이후 미국의 물리학자 밀리컨에 의해 우주선으로 명명 되었다. 1930년대 초반 미국의 물리학자 콤프턴은 지구 자기장의 세기가 다른 다양한 위도에서 측정한 결과 우주선이 지구 자기장에 의해 휘어지는 것을 확인하였고, 따라서 gamma-선이 아니라 대전된 입자임을 확인하였다. 후속된 연구의 결과 우주선이 대부분 양성자로 이루어져 있으며, 지구 대기층과의 충돌로 인해 전자, 광자, 뮤온 등의 다양한 입자로 쪼개지는 것을 확인하였다. 이후 초신성의 잔해, 게성운, 활동은하의 핵 등이 이러한 우주선의 근원으로 제안 되었다."
1.1.2. 분류
우주선은 1차 우주선과 2차 우주선으로 나뉜다"이다. 1차 우주선은 태양계 밖에서 지구의 대기층으로 직접적으로 날아드는 우주선을 말한다. 1차 우주선의 99%는 양성자와 알파입자 등의 무거운 입자로 구성되고, 남은 1%의 대부분은 전자, 그리고 극소량의 양전자와 반양전자 등의 반물질로 이루어져 있다. 이러한 1차 우주선은 대기 중의 물질과 평균 10회 정도 충돌하여 전자, x-선, 뮤온, 파이온 등의 입자들로 쪼개지며 2차 우주선을 만드는데, 이러한 현상을 공기샤워(Extensive Air Shower, EAS)라고 한다.
1.1.3. 우주선의 에너지 스펙트럼
우주선의 에너지 스펙트럼은 다양한 에너지 범위에 걸쳐 있으며, 에너지에 따라 플럭스의 변화가 특징적으로 나타난다.
우주선의 에너지 스펙트럼은 일반적으로 에너지의 함수인 플럭스로 나타낼 수 있다. 플럭스는 단위 면적과 단위 시간당 검출되는 우주선의 개수를 의미한다. 우주선의 플럭스는 에너지가 증가할수록 지수적으로 감소하는 경향을 보인다. 약 1 GeV에서 플럭스는 1 m^2 당 1초에 1개 정도이지만, 10^20 eV에서는 1 km^2 당 100년에 1개 수준으로 감소한다.
이러한 특성으로 인해 에너지가 낮은 우주선은 쉽게 관측할 수 있지만, 에너지가 극단적으로 높은 우주선은 매우 낮은 플럭스로 인해 관측이 어렵다. 우주선의 에너지 스펙트럼에서는 몇 가지 특징적인 지점들이 관찰되는데, 이를 "knee"와 "ankle"이라고 한다.
"knee"는 약 5×10^15 eV 부근에서 관찰되는데, 이 지점에서 우주선의 플럭스가 더욱 가파르게 감소하기 시작한다. 이는 우리은하 내부의 가속 메커니즘으로 생성된 우주선의 최대 에너지 영역으로 해석된다. "ankle"은 약 4×10^18 eV 부근에서 관찰되는데, 이 지점에서 다시 플럭스 감소 경향이 완화된다. 이는 우리은하 외부에서 기원한 우주선이 지배적이 되는 영역으로 여겨진다.
이처럼 우주선의 에너지 스펙트럼은 넓은 에너지 범위에 걸쳐 복잡한 양상을 보이며, 이를 통해 우주선의 근원과 가속 메커니즘에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있다.
1.1.4. 검출 방법
우주선 검출 방법에는 직접 검출과 간접 검출이 있다. 직접 검출은 기구를 타고 높은 고도에서 또는 인공위성을 이용하여 우주에서 직접적으로 입자를 검출하는 방법이다. 직접 검출은 정확하고 직접적으로 우주선을 채집할 수 있지만, 크기와 무게의 제한 때문에 검출기의 선택에 제한이 있다. 그래서 10^14 eV보다 낮은 에너지의 우주선만 직접 검출로 관측할 수 있다.
간접 검출은 지상에 있는 관측소에서 우주선이 대기층과 충돌하여 발생시키는 2차 우주선의 현상을 관측하는 방법이다. 이 방법은 우주선의 에너지가 높을수록 더 효과적이며, 특히 10^18 eV 이상의 초고에너지 우주선을 관측하는 데에 용이하다. 간접 검출에서는 대기층이 일종의 열량계 역할을 하며, 이때 대기의 상태가 중요한 변수가 된다.
간접 검출의 대표적인 예로는 1975년에 제시된 폴리카보네이트를 이용한 방법을 들 수 있다. 이 방법은 우주선이 폴리카보네이트를 통과하며 이온화시키고, 이를 부식성 용액에 담그면 입자의 경로를 따라 곡선이 만들어진다. 이 곡선을 관측하면 우주선의 전하량과 에너지를 파악할 수 있다.
이처럼 우주선을 검출하는 방법은 직접 검출과 간접 검출로 나뉘며, 각 방법은 장단점을 가지고 있다. 검출 방법의 선택은 우주선의 에너지 범위에 따라 달라지게 된다.
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참고 자료
부산대학교 물리학과 홈페이지 Muon 측정 매뉴얼
현대물리학(Concepts of Modern Physics) Arthur Beiser 6판 교보문고
Antoine Letessier-Selvon 외 1명『Ultrahigh Energy Cosmic Rays』, Reviews of Modern Physics, Volume 83, 2011 : 907~938 pp
Lorenzo Caccianiga 『 Cosmic-ray astronomy at the highest energies with ten years of data of the Pierre Auger observatory』 High Energy Physics - Experiment [hep-ex]. University Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2015. English. ffNNT : 2015PA066643
R.L. Fleischer 외 2명, 『 Nuclear tracks in solids: Principles and applications』 1975, University of California Press
Andrew W.Strong 외 2명 『Cosmic-Ray Propagation and Interactions in the Galaxy』, Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 2007. 57 : 285~327
B. Stokes. 『Anisotropy in Cosmic Ray Arrival Directions Observed by the Telescope Array』 APS 2014
William F. Hanlon, 『Recent Results from the Telescope Array Project』Nuclear and Particle Physics Proceedings 279–281 (2016) 15–22
Silvio Orsi, 「PAMELA – A payload for antimatter matter exploration and light-nuclei astrophysics」, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 580 (2007) 880–883
O. Adriani, 「PAMELA results on the cosmic-ray antiproton flux from 60 MeV to 180 GeV in kinetic energy」 Phys. Rev. Lett. 105, 121101 (2010)
O. Adriani 「An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5–100 GeV」, Nature 458, 607 (2009).
CERN "힉스 입자 추정 소립자 발견"(종합)/맹창형
네이버캐스트 “힉스입자”
네이버캐스트 “신의입자를때려라”
<역사속 오늘> 우주탄생의 비밀에 한걸음 더 다가가다/연합뉴스/2015.07.04
위키백과 “힉스보스 입자”
‘우주비밀 열쇠’ 암흑물질•제5의 힘 찾는다/원호섭/2015.01.31
우주 비밀 열쇠 '힉스'…이것이 중요한 이유/윤지로/2012.07.05
“우주 탄생 비밀 풀 힉스입자 흔적 발견”/이진경/2011.12.14
“힉스입자가 소립자에 질량 부여”/안경애/2013.11.28
`신의 입자` 힉스 흔적 포착/변태섭/2011.12.14
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