우주의 가장 큰 미스터리 중 하나인 반물질보다 물질이 훨씬 더 많은 이유를 이해하려는 글로벌 임무의 주요 생산 이정표는 리버풀 대학의 물리학자를 포함한 영국 연구원들의 의견 덕분에 달성되었습니다.
미국의 심해 지하 중성미자 실험(DUNE)을 위해 영국 팀이 구축하고 있는 137개의 거대 중성미자 센서 중 절반이 이제 완료되었으며, 이는 답을 찾는 실험을 향한 중요한 단계입니다.
크리스토스 투라마니스(Christos Touramanis) 교수가 이끄는 리버풀 대학의 물리학자들은 DUNE 국제 과학 프로젝트의 일부입니다. 이 프로젝트가 완료되면 우주가 반물질이 아닌 물질로 구성된 이유를 설명하기 위해 중성미자 빔을 미국 전역에 1,300km까지 보낼 것입니다.
중성미자는 이 미스터리뿐만 아니라 우주가 어떻게 작동하는지에 대한 다른 근본적인 질문에 대한 단서를 갖고 있을 수도 있습니다.
APA(양극 평면 조립체)로 알려진 이 거대한 센서는 DUNE의 거대한 지하 감지기 내부에서 중성미자가 액체 아르곤과 상호 작용할 때 생성되는 작은 전기 신호를 감지합니다.
APA는 리버풀 시티 지역의 Sci-Tech Daresbury에 위치한 과학기술시설위원회(STFC)의 Daresbury Laboratory에서 25명의 기술자 및 엔지니어로 구성된 팀에 의해 제조되고 있습니다.
STFC 팀은 리버풀 대학교, 랭커스터 대학교, 맨체스터 대학교, 셰필드 대학교, 서섹스 대학교, 임페리얼 칼리지 런던 팀과 긴밀한 파트너십을 통해 협력하고 있습니다. 종합적으로 이들은 구성 요소에 기여하고 품질 보증에 기여하며 과학적 리더십을 제공합니다.
이는 14개 대학과 2개의 국립 연구소를 통합하는 광범위한 DUNE-UK 협력의 일부이며, 영국 과학자 및 엔지니어도 감지기 시스템, 소프트웨어, 컴퓨팅 및 가속기 인프라에 기여하고 있습니다.
주력 계측
DUNE은 지금까지 건설된 가장 야심찬 입자물리학 실험 중 하나입니다. 일리노이주 페르미연구소에서 1,300km 떨어진 사우스다코타주 샌포드 지하 연구 시설로 중성미자 빔을 보낼 예정이다.
APA는 DUNE의 Far Detector 1의 주요 판독 요소로, 실험에 대한 영국의 대표적인 계측기 기여 중 하나입니다.
영국은 실험에 필요한 150개의 APA 중 137개를 생산할 책임이 있습니다.
탁월한 엔지니어링
높이가 약 6.3m, 너비가 2.3m인 각 APA는 대략 2층 건물의 높이에 해당하며 특별한 정밀 엔지니어링 작품입니다.
각각은 거대한 프레임 전체에 걸쳐 수천 개의 정밀 연결로 고정된 약 24km의 머리카락처럼 얇은 구리-베릴륨 와이어를 운반합니다.
중성미자가 액체 아르곤 내부에서 상호 작용하면 검출기에 전기 신호를 남기는 하전 입자가 생성됩니다.
APA 전선은 이러한 신호를 감지하여 과학자들이 무슨 일이 일어났는지 재구성하고 중성미자의 특성을 연구할 수 있도록 해줍니다.
완성된 APA는 궁극적으로 지하 약 1마일 지점의 Sanford Underground Research Facility에 설치될 예정이며, 이곳의 DUNE 탐지기는 수만 톤의 액체 아르곤을 포함하게 됩니다.
근본적인 질문에 답하기
중성미자는 우주에서 가장 풍부한 입자 중 하나이지만 물질과 거의 상호 작용하지 않아 감지하기가 매우 어렵습니다.
과학자들은 소스에서 원거리 검출기로 이동할 때 중성미자와 반중성미자의 동작을 비교함으로써 DUNE이 물리학의 가장 근본적인 질문 중 일부에 답하는 데 도움이 되기를 바라고 있습니다.
실험에서는 다음을 조사합니다.
- 우주에서 물질이 반물질보다 지배적인 이유
- 중성미자가 이동하면서 어떻게 행동하고 변화하는지
- 초신성을 포함한 폭발하는 별의 중성미자
지하 시설의 깊이는 DUNE이 감지하도록 설계된 매우 희미한 신호를 방해할 수 있는 우주선 및 기타 배경 방사선으로부터 감지기를 보호하는 데 도움이 됩니다.
실제 협업
STFC Daresbury Laboratory의 기술 책임자인 Ian Lazarus는 다음과 같이 말했습니다.
“APA 생산의 중간 지점에 도달하는 것은 관련된 모든 사람에게 환상적인 이정표입니다. 이는 매우 크고 기술적으로 까다로운 감지기 구성 요소이며, 이 단계에 도달하는 것은 프로그램의 모든 부분에 적용된 기술, 배려 및 팀워크를 반영합니다.
“Daresbury Laboratory에서 APA를 구축하는 엔지니어부터 부품을 공급하고 테스트를 수행하며 과학적 전문 지식을 제공하는 대학 팀에 이르기까지 이는 영국 전역의 진정한 노력이었습니다.
“이 작업이 DUNE의 일부로 구체화되는 것을 보고, 이 탐지기 패널이 궁극적으로 과학자들이 우리 우주에 대한 가장 큰 질문 중 일부를 조사하는 데 도움이 될 것이라는 사실을 알게 되어 매우 기쁩니다.”
발견을 앞두고 있다
전 STFC 국립 연구소 전무이사이자 DUNE UK의 수석 책임 책임자이자 현재 DUNE 협력의 공동 대변인인 Dave Newbold 교수는 다음과 같이 말했습니다.
“APA 팀은 생산의 중간 지점에 도달하여 큰 이정표를 달성했습니다. 현재 영국에서 미국으로 이동 중인 독특하고 복잡한 구성 요소는 DUNE 중성미자 검출기의 핵심 구성 요소이며 실험의 야심찬 과학적 목표를 해결하는 데 필수적입니다. 우주에 대한 심오한 질문이 영국 전역, 산업, 실험실 및 대학의 작업자들의 노력을 통해 곧 답을 얻게 될 것이라는 사실을 알게 되어 기쁩니다.”
눈에 보이지 않는 입자 드러내기
APA에 있는 수천 개의 와이어는 과학자들에게 중성미자 상호 작용에서 생성된 입자의 위치와 움직임을 재구성하는 데 사용되는 정보를 제공합니다.
현재까지 8개의 완성된 APA가 사우스다코타의 지하 탐지기에 설치되기 전에 최종 테스트를 위해 Fermilab에 도착했습니다.
중요한 단계
이제 영국의 137개 APA 중 절반이 완료되었으며 나머지 모든 어셈블리를 실험에 전달하기 위한 작업이 계속되고 있습니다. 나머지 APA는 2029년 4월/5월에 완료되어 2029년 1월과 11월 사이에 사우스다코타에 설치될 예정입니다.
DUNE-UK APA 프로젝트의 PI이자 맨체스터 대학의 저스틴 에반스(Justin Evans)는 다음과 같이 말했습니다: “이것은 DUNE을 실현하기 위한 중요한 단계입니다. 우리는 입자 물리학의 가장 심오한 질문 중 일부(우리 우주가 물질에 의해 지배되는 이유, 중성미자가 기본 물리학에 대한 우리의 이해에 어떻게 부합하는지, 초신성에 의해 생성된 중성미자로부터 무엇을 배울 수 있는지)에 답할 수 있는 잠재력을 가진 탐지기를 구축하고 있습니다.
“DUNE은 세계 최고의 중성미자 실험 중 하나가 될 것이며, 이 과학을 가능하게 할 검출기가 이제 구체화되는 것을 보는 것은 엄청나게 흥미롭습니다.”
안도감과 기대감
최초의 APA는 Daresbury에서 제작되어 2018년 초 CERN에 인도되어 DUNE Far Detector 설계와 성능을 검증한 리버풀 DUNE 그룹의 책임자인 Christos Touramanis의 공동 주도 하에 있는 프로젝트인 ProtoDUNE 프로토타입 감지기에 통합되었습니다. 2016년부터 10명 이상의 리버풀 물리학자, 엔지니어, 기술자가 APA 프로젝트에 핵심적인 기여를 했습니다.
Touramanis 교수는 다음과 같이 말했습니다: “2018~23년 APA를 담당하는 DUNE 물리학자로서 저는 이 중요한 이정표를 축하하게 되어 기쁘고 앞으로 20년 이상 DUNE에서 나올 발견에 매우 기대하고 있습니다. 이는 리버풀이 1980년대 이후 자연의 근본적인 대칭의 역할과 지난 20년 동안 중성미자 물리학의 역할에서 추구하고 있는 세계 최고의 프로그램의 환상적인 연속이 될 것입니다.”
이미지 캡션: APA를 개발 중인 리버풀 물리학자 Kris Majumdar
크레딧: STFC
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