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.

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 A4 용지는 흐물거려서 아무것도 못 받치지만, 둥글게 말면 위에 책을 올릴 수 있을 만큼 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 방해받지 않고 날아와 더 정확한 궤적을 측정할 수 있게 됩니다.

저는 부산대학교 중이온물리실험연구실(HIPEx) 소속으로 ALICE Collaboration의 ITS3 WP4 (Mechanics & Engineering) 연구에 참여하여, 이 혁신적인 ITS3 센서의 성능 검증 실험을 수행했습니다.

주된 연구 과제는 실리콘 센서를 실제 설계처럼 둥글게 휘었을 때(반경 18mm, 24mm 등) 센서가 부서지거나 성능이 떨어지지 않는지 확인하는 것이었습니다. 구체적으로는 ALPIDE 센서에 곡률을 적용했을 때, 실리콘 격자의 기계적 안정성과 픽셀의 전기적 응답 특성이 유지되는지를 실험적으로 조사했습니다.

센서를 강제로 휘어놓으면(스트레스를 주면) 센서가 오작동할 수 있는데, 핵심 검증 항목은 다음과 같습니다:

• Threshold 분포: 입자 신호를 감지하는 기준값이 일정하게 유지되는지
• Noise level: 불필요한 잡음 신호가 증가하지 않는지
• Fake hit rate: 거짓 신호 발생률이 허용 범위 내인지

초기 측정에서는 굽힘에 따른 유의미한 성능 저하가 관찰되지 않았으나, 본 연구는 병역 의무 이행으로 인해 중단되어 최종 결론에 도달하지 못했습니다. 수집된 데이터는 향후 연구의 기초 자료로 활용될 수 있습니다.