ALICE ITS3 WP4 연구

ALICE 실험은 빅뱅 직후의 우주 상태인 '쿼크-글루온 플라즈마(QGP)'의 성질을 연구합니다. 이 연구의 핵심 열쇠는 QGP 내부를 뚫고 나오는 Charm, Beauty와 같은 무거운 입자들을 관찰하는 것입니다.

마치 안개가 자욱한 방에 무거운 볼링공을 던져 그 흔적으로 안개의 밀도를 파악하듯, 이 무거운 쿼크들은 QGP의 특성을 파악할 수 있는 탐침 역할을 합니다.

하지만 이 입자들은 수명이 너무 짧아 찰나의 순간에 붕괴해버립니다. 따라서 붕괴하기 직전의 아주 미세한 위치를 포착하려면, 충돌 지점에 최대한 가까운 곳에 정밀한 검출기가 있어야 합니다.

LHC의 ALICE 실험에서 이 역할을 맡은 것이 바로 이너 트래킹 시스템(ITS)입니다. 차세대 모델인 ITS3는 획기적인 아이디어를 도입했습니다. 바로 종이처럼 얇은 실리콘 센서를 둥글게 말아서 설치하는 것입니다.

평평한 단일 실리콘은 매우 얇고 약하여 중력 등의 영향으로 부가적인 구조물 없이는 홀로 형태를 유지하기 어려우나, 아치형태로 둥글게 말면 튼튼해집니다. 이러한 기하학적 강성을 활용하면 별도의 지지대나 냉각 파이프 없이도 형태를 유지할 수 있습니다.

덕분에 입자를 가로막는 장애물인 물질 예산을 극단적으로 낮출 수 있습니다(Layer당 약 0.05% X₀ 수준).

결과적으로 저운동량 입자에서 발생하는 다중 산란 효과를 최소화하고, 입자가 받는 방해를 줄여 더 정확한 궤적을 측정할 수 있게 됩니다.

기하학적 강성을 얻기 위해 구부러지는 얇은 실리콘 센서를 고안했다면, 다음 과제는 이 센서에 어떻게 전력을 공급하고 데이터를 받아올 것인가 하는 문제입니다. 이를 해결하기 위해 유연한 재질의 기판인 FPC가 물리적/전기적 연결의 중추를 담당합니다.

저는 부산대학교 중이온물리실험연구실(HIPEx) 소속으로 ALICE Collaboration의 ITS3 WP4 (Mechanics & Engineering) 파트에 참여했습니다. 주된 연구 과제는 50, 100μm 두께의 얇은 실리콘 센서를 실제 설계처럼 둥글게 휘었을 때(반경 18mm, 24mm, 30mm) 센서 본체나 전기적 픽셀 응답 특성에 오류가 발생하지 않는지 검증하는 것이었습니다.

이를 위해 가장 먼저 해결해야 했던 문제는 **"어떻게 종이처럼 얇은 실리콘 센서를 부서지지 않게 원하는 반경으로 정밀하게 휘어 고정할 것인가"**였습니다. 저는 센서와 FPC를 결합한 어셈블리를 물리적 손상 없이 구부릴 수 있는 자체 지그 기구물, 'PNU Guide & Frame'을 직접 3D CAD로 설계하고 3D 프린터로 출력하여 테스트 환경을 구축했습니다.

(위치 홀더: PNU Guide & Frame의 3D 설계 렌더링 이미지 추가 예정)

연구를 수행하던 중, 경주 양성자 가속기에서의 센서 빔타임 테스트 중에 센서의 측정값에 원인을 알 수 없는 이상치(오류)가 지속적으로 발견되는 문제가 발생했습니다.

다양한 가능성을 열어두고 원인을 찾던 중, 저는 실리콘의 고유한 물리적 성질에 주목했습니다. 실리콘의 밴드갭(Bandgap)은 약 1.12 eV로, 근적외선(Near IR, 파장 ~1100 nm)을 흡수하여 전자-양공 쌍(Electron-Hole Pair)을 생성할 수 있습니다. 따라서 가속기 조사실 내부에 설치되어 있던 야간 투시용 적외선(IR) CCTV 카메라가 방출하는 적외선이 얇은 센서에 닿아 가짜 신호(Fake hit) 및 Threshold Scan 오류를 유발했을 것이라는 가설을 세웠습니다.

이를 증명하기 위해 연구실로 돌아와 완전히 통제된 암실(Dark Room) 내부에서 ALPIDE 센서에 의도적으로 적외선을 조사하는 재현 실험을 진행했습니다. 그 결과, 가속기에서 겪었던 것과 완전히 동일한 Threshold Scan 이상 현상이 나타나는 것을 확인했습니다. 이 과정은 단순히 주어진 측정 매뉴얼을 따르는 것을 넘어, 물리적 지식을 바탕으로 현장의 변별 불가능해 보이는 오류 원인을 자체적으로 규명하고 증명해 낸 깊은 인사이트를 준 경험이었습니다.

결과적으로 센서 자체는 평면/곡면 상태를 막론하고 굽힘에 따른 유의미한 성능 저하가 관찰되지 않았으나, 주변 빛 조건(특히 IR) 통제가 매우 중요하다는 실무적 결론을 얻을 수 있었습니다. 본 구부림에 관한 연구 자체는 군 입대로 인해 중단되어 공동 연구 그룹의 최종 결론에까지 도달하지는 못했습니다.