The detector system of the SHiP/NA67 experiment at CERN

현대 물리학의 광활한 풍경 속에서, 과학자들은 표준 모형이 매우 성공적임에도 불구하고 불완전하다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 표준 모형은 왜 우주가 반물질이 아닌 물질로 이루어져 있는지 설명하지 못하며, 암흑 물질이라고 알려진 보이지 않는 물질 또한 설명하지 못합니다. 수십 년 동안 새로운 물리학을 찾기 위한 주요 전략은 더 높고 강력한 에너지로 입자들을 충돌시켜 무거운 미지의 입자를 만들어내기를 기대하며 더 강력한 기계를 만드는 것이었습니다. 그러나 또 다른 가능성이 존재해 왔는데, 바로 가볍지만 일반 물질과 너무 약하게 상호작면하여 우리의 검출기를 그대로 통과해 버리는 입자들입니다. 이들은 '약하게 상호작용하는 입자(feebly interacting particles)'로 알려져 있습니다. 이들은 포착하기가 매우 어렵기 때문에, 이를 찾는 데는 다른 접근 방식이 필요합니다. 단순히 희귀한 고에너지 충돌을 찾는 대신, 엄청난 수의 입자를 생성하고 그중 희귀한 것들이 눈에 보이는 무언가로 붕괴하기를 기다려야 합니다. 무거운 것을 찾는 것에서 희미한 것을 쫓는 것으로의 이러한 전환은, 물리적인 힘(brute force)보다는 부피와 정밀함에 의존하는 새로운 물리학의 방향인 '강도 전선(intensity frontier)'의 핵심입니다.

스위스의 CERN 연구 센터에서 물리학자 팀은 SHiP(NA67으로도 알려진)라고 불리는 실험을 통해 이 흐름을 주도할 준비를 하고 있습니다. 목표는 거대한 양성자 흐름을 생성하고, 이를 사용하여 우주의 가장 깊은 신비를 설명할 수도 있는 숨겨진 섹터의 입자들을 만들어낼 수 있는 특화된 시설을 구축하는 것입니다. 연구팀은 최근 이 탐색을 가능하게 할 검출기 시스템의 설계를 상세히 설명했습니다. 이 시스템은 단일 기계가 아니라, 압도적인 소음의 배경 속에서 어떻게 희미한 신호를 볼 수 있을 것인가라는 특정 문제를 해결하기 위해 설계된 다양한 기구들의 복합적인 조립체입니다. 이 실험은 2032년에 첫 번째 물리 실행을 시작할 예정이며, 논문에 제시된 설계는 빔이 켜졌을 때 검출기가 새로운 물리학의 첫 징후를 포착할 준비가 되도록 하기 위해 수년간의 계획을 거친 결실입니다.

실험은 고속으로 이동하는 양성자 빔이 순수 텅스텐으로 만든 표적에 발사되면서 시작됩니다. 이 표적은 양성자가 충돌할 때 새로운 입자의 샤워를 생성하도록 최대한 효율적으로 설계되었습니다. 이 과정에서 발생하는 강렬한 열을 처리하기 위해, 표적은 금속 블록의 슬롯을 통해 순환하는 고압 헬륨 가스로 냉각됩니다. 표적 바로 뒤에는 거대한 필터 역할을 하는 강력한 자기 차폐 장치인 자석 체인이 놓여 있습니다. 이 장치의 임무는 충돌 시 생성되는 전자의 무거운 친척 격인 뮤온(muon)의 대다수를 쓸어내는 것입니다. 이 차폐 장치가 없다면, 이 뮤온들이 실험의 나머지 부분을 범람하여 새로운 신호가 묻혀버릴 정도로 시끄러운 배경 소음을 만들어낼 것입니다. 이 차폐 장치는 뮤온의 수를 백만 배 감소시켜, 과학자들이 실제로 관심을 갖는 입자들이 지나갈 수 있는 훨씬 조용한 경로를 남겨줍니다.

뮤온이 걸러지고 나면, 남은 입자들은 헬륨 가스로 채워진 긴 빈 터널로 들어갑니다. 이곳은 붕괴 부피(decay volume)로, 만약 존재한다면 약하게 상호작용하는 입자들이 이동하다가 결국 검출 가능한 일반 물질로 붕괴할 것으로 예상되는 50미터 길이의 공간입니다. 이 입자들은 상호작용이 매우 약하기 때문에 아무것도 부딪히지 않고 이 전체 거리를 이동할 수 있습니다. 입자들이 붕괴하기 전에 가스 원자와 부딪힐 가능성을 최소화하기 위해 내부의 헬륨은 얇은 폴리머 풍선 안에 담겨 있습니다. 이 터널 전체를 둘러싸고 있는 것은 '배경 태거(background tagger)'라고 알려진 정교한 센서 벽입니다. 이 벽은 전하를 띤 입자가 통과할 때 빛을 내는 특수 액체로 채워져 있습니다. 그 목적은 측면에서 새어 들어오거나 터널 벽 자체와 상호작용할 수 있는 모든 잡다한 입자들을 잡아내는 것입니다. 만약 터널 중앙에서 신호가 나타난 시점에 정확히 벽에 입자가 부딪힌다면, 시스템은 그것이 단순한 배경 소음임을 인지하고 무시합니다. 이 시스템은 10억 분의 1초의 타이밍 정확도를 가질 정도로 정밀하여, 실제 사건과 가짜 사건을 구별할 수 있습니다.

터널 끝에서 실험은 내부에서 발생한 모든 붕괴의 파편을 찾습니다. 여기서 '숨겨진 섹터 분광기(hidden sector spectrometer)'가 등장합니다. 이것은 가스로 채워진 수천 개의 얇은 빨대 모양 튜브로 구성된 대형 추적 시스템입니다. 전하를 띤 입자들이 이 빨대들을 통과할 때 전기 신호의 흔적을 남기며, 이를 통해 과학자들은 입자의 경로를 극도로 정밀하게 재구성할 수 있습니다. 커다란 자석은 이 경로를 휘게 하여, 과학자들이 입자의 운동량과 정체를 파악하는 데 도움을 줍니다. 추적기 다음에는 섬광 막대로 구성된 타이밍 검출기가 이어지는데, 이는 관찰되는 입자들이 다른 근원이 아닌 실제 붕괴 부피에서 온 것인지 확인하는 스톱워치 역할을 합니다. 마지막으로 입자들은 칼로리미터(calorimeter)에 진입하며, 이 장치는 입자의 에너지를 측정하고 어떤 종류의 입자인지 식별합니다. 이 마지막 섹션은 가벼운 입자를 생성하는 붕괴와 더 무거운 입자를 생성하는 붕괴를 구별하는 데 매우 중요합니다.

전체 시스템은 전통적인 트리거 없이 작동하도록 설계되었습니다. 즉, 특정 신호가 시작되기를 기다려 기록하는 것이 아니라 데이터를 연속적으로 기록합니다. 이는 실험이 장기간 수행되며, 관심 있는 사건들이 매우 희귀하여 표준 트리거가 이를 놓칠 수 있기 때문입니다. 대신, 시스템은 모든 데이터에 타임스탬프를 찍어, 흥미로운 패턴이 나타나는 시간 창을 살펴봄으로써 나중에 사건을 재구성할 수 있게 합니다. 또한 이 설계에는 뉴트리노(중성미자)를 연구하기 위한 별도의 검출기가 뮤온 차폐 장치 내부에 포함되어 있습니다. 뉴트리노는 검출하기 까다롭기로 유명한 입자입니다. 이 실험의 한 부분은 수천 번의 뉴트리노 상호작용을 관찰하여 이 입자들이 어떻게 행동하는지에 대한 풍부한 데이터를 제공하는 것을 목표로 합니다.

논문에 따르면 표적과 뮤온 차폐 장치에 대한 설계는 기본적으로 완료되었으며, 프로토타입 테스트를 통해 빔의 가혹한 조건을 견딜 수 있음을 확인했습니다. 배경 태거와 분광기는 현재 프로토타입 단계에 있으며, 성능을 확인하기 위한 테스트가 진행 중입니다. 연구팀은 2033년 시설이 가동될 때까지 검출기가 세계 최고 수준의 민감도로 이 미미한 입자들을 탐색할 준비가 될 것이라고 확가하고 있습니다. 만약 약하게 상호작용하는 입자들이 이 실험이 조사하도록 설계된 질량 및 결합 범위 내에 존재한다면, SHiP 검출기 시스템은 그것들을 찾아낼 수 있을 것입니다. 만약 존재하지 않는다면, 이 실험은 새로운 물리학에 대한 이론적 가능성의 상당 부분을 효과적으로 배제함으로써 가장 엄격한 제한치를 설정하게 될 것입니다. 이 작업은 공학적 설계와 물리학의 세심한 균형을 나타내며, 우주의 숨겨진 비밀이라는 가장 희미한 속삭임을 들을 수 있을 만큼 충분히 조용한 기계를 만들어내는 과정입니다.