Long-term performance of non-ALD MCP-PMTs in the high-radiation environment of ALICE

유럽의 심장부, 프랑스와 스위스 국경 아래에는 거대 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)라고 알려진 거대한 기계가 빛의 속도에 육박하는 속도로 입자들을 충돌시키고 있습니다. 이러한 충동이 발생할 때, 새로운 입자들의 샤워가 모든 방향으로 튀어나갑니다. 우주의 근본적인 구성 요소를 이해하기 위해, 과학자들은 이 찰나의 파편들을 포착하고 극도로 정밀하게 측정해야 합니다. 가장 중요한 과제 중 중 하나는 충돌이 정확히 언제 일어났는지를 결정하는 것입니다. 만약 타이밍이 아주 미세한 시간이라도 어긋난다면, 데이터는 흐릿해지고 충돌의 이야기는 사라지게 됩니다. 이를 해결하기 위해, 충돌기의 주요 검출기 중 하나인 ALICE 실험은 고속 스톱워치 역할을 하도록 설계된 특수 시스템을 사용합니다. 이 시스템은 전하를 띤 입자가 투명한 물질을 통과할 때 그 물질 속에서의 빛의 속도보다 더 빠르게 움직일 때 발생하는 체렌코프 효과(Cherenkov effect)라는 현상에 의존합니다. 이는 마치 빛의 음속 폭음(sonic boom)과 유사한 희미한 푸른 빛의 번쩍임을 만들어냅니다. 이 번쩍임을 민감한 카메라로 포착함으로써, 검출기는 수조 분의 1초 단위의 놀라운 정확도로 충돌의 시점을 기록할 수 있습니다.

하지만 이러한 환경에서 이 카메라들을 계속 작동하게 유지하는 것은 엄청난 도전입니다. 충돌이 일어나는 구역은 방사능과 끊임없는 입자의 흐름으로 가득 차 있습니다. 센서는 단 하나의 빛의 번쩍임도 감지할 수 있을 만큼 민감해야 하면서도, 초당 수십억 개의 입자에 폭격을 당하면서도 마모되지 않고 견딜 수 있을 만큼 견고해야 합니다. ALICE 팀은 최근 이 임무를 위해 선택한 특정 센서인 마이크로채널 플레이트 광전증배관(microchannel plate photomultiplier tubes)의 장기 성능에 대해 보고했습니다. 이것은 수백만 개의 작은 유리 채널로 채워진 진공관으로, 단 하나의 광자를 측정 가능한 전기 신호로 증폭합니다. 연구진은 이 센서들이 과도한 사용으로 인해 시간이 지남에 따라 퇴화하지만, 작동 전압을 조정함으로써 효과적으로 계속 작동할 수 있다는 것을 발견했습니다. 더욱 놀랍게도, 그들은 이 센서들이 기계가 점검을 위해 꺼져 있을 때 스스로 치유되는 숨겨진 능력이 있어, 인간의 개입 없이도 상실했던 민감도를 일부 회복한다는 사실을 발견했습니다.

ALICE 검출기에는 충돌의 아주 첫 순간을 모니터링하기 위해 충돌 지점 매우 가까이에 위치한 Fast Interaction Trigger라는 하위 시스템이 장착되어 있습니다. 이 시스템은 두 개의 배열로 배치된 52개의 특수 광센서를 사용합니다. 가장 안쪽의 센서들은 가장 격렬한 통행량을 마주하며, 제곱센티미터당 매초 2억 개의 광전자에 해당하는 광자 부하를 처리합니다. 이는 이토록 섬세한 장치에 있어서 엄청난 양의 전류입니다. 이를 처리하기 위해 팀은 수명을 연장하기 위한 특수 원자 코팅을 사용하지 않는 특정 버전의 센서를 선택했는데, 그 코팅을 사용하면 센서가 높은 전류를 견디기에 너무 약해질 것이기 때문입니다. 대신 그들은 표준 버전을 사용하여 센서가 더 빨리 노화되는 것을 받아들이되, 세심한 운영을 통해 마모를 관리할 수 있다는 데 도 bet을 걸었습니다.

수년간의 운영 기간 동안 연구진은 이 센서들이 끊임없는 폭격 속에서 어떻게 성능을 보이는지 추적했습니다. 그들은 각 센서를 통과한 총 전기 전하량, 즉 장치가 수행한 작업의 척도를 모니터링했습니다. 보고 시점에 이르렀을 때, 가장 많이 사용된 센서들은 제곱센티미터당 2 쿨롱의 전하를 축적했습니다. 예상대로 센서들은 민감도를 잃기 시작했으며, 가장 마모된 장치들은 원래 신호의 약 40%만을 생성했습니다. 그러나 팀은 이 손실을 보상할 수 있는 간단한 방법을 찾아냈습니다. 센서에 공급되는 전압을 점진적으로 높임으로써, 원래의 신호 강도로 다시 끌어올릴 수 있었습니다. 결정적으로, 이러한 조정은 타이밍 정밀도를 망가뜨리지 않았습니다. 센서가 노화되고 더 높은 전압에서 작동함에도 불구하고, 시스템은 양성자 충돌에 대해 약 17 피코초, 무거운 납 이온 충돌에 대해서는 그보다 더 나은 시간 해상도로 충돌을 구별하는 능력을 유지했습니다. 이는 팀이 장치가 마모됨에 따라 전력 설정을 조정할 용의가 있다면, 센서들이 검출기의 전방 영역이라는 가혹한 환경에서 생존할 수 있음을 증명했습니다.

연구는 또한 모든 센서가 동일한 속도로 노화되는 것은 아니라는 점을 밝혀냈습니다. 동일하게 조명을 받는 대부분의 센서는 거의 동일한 속도로 퇴화했지만, 두 개의 특정 유닛은 나머지보다 훨씬 빠르게 마모되었습니다. 연구진은 이를 실험 초기 단계까지 추적하여, 이 두 개의 빠른 노화 유닛이 가동되기 전부터 이미 가장 노이즈가 심했던 센서였다는 것을 발견했습니다. 이는 초기 센서의 품질, 구체적으로 배경 노이즈 수준이 사용 기간을 예측하는 강력한 지표가 된다는 것을 시사합니다. 이 발견은 환경이 가혹하더라도 개별 부품의 고유한 특성이 생존에 주요한 역할을 한다는 점을 과학자들이 이해하도록 돕습니다.

아마도 가장 흥고로운 발견은 충돌기가 기술 점검을 위해 장기간 가동을 중단했을 때 나타났습니다. 연구진은 센서들이 몇 달 동안 어둠 속에 놓여 있을 때 단순히 유휴 상태로 있는 것이 아니라, 실제로 개선된다는 사실을 주목했습니다. 이 장기적인 휴식 기간 동안, 노화된 센서들은 상실했던 민감도의 약 8%를 자발적으로 회복했습니다. 이 자기 회복은 장비나 환경의 변화 없이, 일정한 온도가 유지되는 상태에서 일어났습니다. 유의미하게 노화되지 않은 센서들은 이러한 회복을 보이지 않았는데, 이는 회복 과정이 센서가 겪은 마모와 직접적으로 연관되어 있음을 나타냅니다. 팀은 각각 약 160일 동안 지속된 두 차례의 셧다운 기간 동안 이 패턴을 일관되게 관찰했습니다. 이 회복의 정확한 물리적 메커니즘은 여전히 미스터리로 남아 있지만, 효과는 실재하며 측정 가능합니다. 이는 높은 전류에 의한 손상이 완전히 영구적인 것은 아니며, 센서 내부의 물질이 휴식을 취할 때 부분적으로 스스로를 수리할 수 있음을 시사합니다.

이 작업은 이러한 특정 센서들이 고에너지 물리학 실험에서 대규모로 사용된 첫 사례입니다. 결과는 적절한 유형의 센서를 선택하고 운영 조건을 관리함으로써, 세계에서 가장 방사능이 강한 환경 중 하나에서도 고속 타이밍 검출기를 실행하는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 팀은 상당한 노화에도 불구하고, 검출기가 우주의 가장 작은 입자들을 연구하는 데 필요한 정밀한 타이밍을 유지할 수 있음을 입증했습니다. 자기 회복 효과의 발견은 이 장치들의 수명에 대한 새로운 희망을 더해주며, 충돌기의 마모가 이전에 생각했던 것보다 덜 영구적일 수 있음을 시사합니다. 실험이 계속됨에 따라, 연구진은 현재의 런(run)이 끝날 때 가장 많이 노화된 센서들을 추출하여 상세히 연구함으로써, 그들이 다시 회복할 수 있는 비결을 마침내 밝혀내기를 희망하고 있습니다. 그때까지 검출기들은 놀라운 회복력을 가지고 우주의 찰나의 충돌들을 포착하며 계속해서 작동하고 있습니다.