ALICE ITS3 WP4 연구

CERN LHC의 ALICE(A Large Ion Collider Experiment) 실험은 초기 우주의 극고온·고밀도 상태로 알려진 '쿼크-글루온 플라즈마(QGP)'의 성질을 정밀하게 연구하는 것을 목표로 합니다. 이 연구의 핵심은 충돌 직후 짧은 시간 동안 형성되는 QGP를 뚫고 나오는 Charm, Beauty와 같은 무거운 쿼크(heavy flavour)의 거동을 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 매우 짧아 (예: D⁰ 중간자의 평균 비행 거리 cτ ≈ 123 μm) 충돌 지점 근방에서 곧바로 붕괴합니다. 따라서 붕괴 직전의 위치(decay vertex)를 충돌점(primary vertex)과 분리하여 정밀하게 재구성하려면, 충돌 지점에 최대한 가까이 위치하면서도 매우 적은 물질을 가진 정밀 추적 검출기가 필수적입니다.

LHC의 ALICE 실험에서 이 역할을 맡은 것이 이너 트래킹 시스템(Inner Tracking System, ITS)입니다. 현재 가동 중인 ITS2의 가장 안쪽 3개 층(Inner Barrel)을 LHC Long Shutdown 3 (2026–2028) 기간 동안 교체할 차세대 업그레이드가 바로 ITS3이며, 이는 TPSCo 65 nm CMOS 공정으로 제작된 **웨이퍼-스케일 스티칭 MAPS(Monolithic Active Pixel Sensor)**를 50 μm 미만으로 박형화한 뒤 빔 파이프 주위에 원통 반쪽 형태로 둥글게 휘어 설치하는 획기적인 구조를 채택했습니다.

평평한 단일 실리콘은 매우 얇고 약하여 중력 등의 영향으로 부가적인 구조물 없이는 홀로 형태를 유지하기 어려우나, 아치 형태로 둥글게 말면 튼튼해집니다. 이러한 기하학적 강성을 활용하면 별도의 지지 구조나 액체 냉각 파이프 없이 카본 폼 지지체와 공기 냉각만으로 형태를 유지할 수 있습니다.

덕분에 입자를 가로막는 장애물인 물질 예산을 극단적으로 낮출 수 있어, ITS3는 가장 안쪽 층 기준 약 0.05% X₀ / layer 수준의 물질 예산을 목표로 합니다. 이는 ITS2 Inner Barrel(약 0.35% X₀)의 1/7 수준입니다.

결과적으로 저운동량 입자에서 발생하는 다중 산란 효과를 최소화하여, 추적 정확도와 vertex 분해능을 약 2배 가까이 향상시키는 것이 ITS3의 핵심 목표입니다.

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. ALPIDE 칩은 ITS2에 실제로 설치된 180 nm CMOS MAPS로, 칩 크기는 약 30 × 15 mm², 픽셀 어레이는 512 × 1024 = 524,288 픽셀(픽셀 피치 약 29 × 27 μm)을 갖습니다. ITS3용 차세대 65 nm 스티칭 MAPS의 실현 가능성을 입증하기 위한 사전 단계로, 50 μm 및 100 μm 두께로 박형화된 ALPIDE 칩이 같은 반경(반경 18 mm, 24 mm, 30 mm)으로 휘어졌을 때 픽셀 응답 특성에 유의미한 변화가 발생하는지를 검증하는 것이 주된 연구 과제였습니다.

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 반복 측정이 가능한 테스트 환경을 구축했습니다.

연구를 수행하던 중, 경주 한국원자력연구원 양성자과학연구단(KOMAC) 양성자가속기에서 진행한 센서 빔타임 테스트에서 측정값에 원인이 불분명한 이상치(가짜 신호)가 지속적으로 발견되는 문제가 발생했습니다.

다양한 가능성을 열어두고 원인을 찾던 중, 저는 실리콘의 고유한 광학적 성질에 주목했습니다. 실리콘은 상온에서 약 **1.12 eV의 간접 천이형 밴드갭(indirect bandgap)**을 가지며, 이에 대응하는 광흡수 차단 파장은 약 1107 nm입니다. 즉, 파장 ≲ 1100 nm의 근적외선(Near-IR)이 입사하면 전자-양공 쌍(Electron-Hole Pair)을 생성해 광다이오드에서와 같은 신호를 발생시킬 수 있습니다. 따라서 가속기 조사실 내부에 설치되어 있던 야간 투시용 적외선(IR LED) CCTV 카메라(통상 850 nm 또는 940 nm IR LED 사용)에서 방출되는 적외선이 박형화된 ALPIDE 표면에 도달하여, fake hit 및 Threshold Scan 분포 왜곡을 유발했을 것이라는 가설을 세웠습니다.

이를 증명하기 위해 연구실로 돌아와 완전히 차광된 암실(Dark Room) 내부에서 ALPIDE 센서에 의도적으로 IR LED를 조사하는 재현 실험을 진행했습니다. 그 결과, 가속기에서 겪었던 것과 동일한 형태의 Threshold 분포 이동과 fake hit 증가 현상이 재현되는 것을 확인했고, 이를 통해 IR 광원이 원인임을 입증했습니다. 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 박형화된 ALPIDE 센서 자체는 평면/곡면 상태(반경 18–30 mm)를 막론하고 굽힘에 따른 유의미한 노이즈·문턱값 변화가 관찰되지 않았으며(이는 ALICE 공동 연구에서 보고한 결과 — 효율 > 99.9%, 공간 분해능 ≈ 5 μm — 와도 일치합니다), 동시에 측정 환경의 광 조건(특히 IR) 통제가 매우 중요하다는 실무적 결론을 얻을 수 있었습니다. 본 PNU의 굽힘 셋업 연구 자체는 군 입대로 인해 중단되어 공동 연구 그룹의 최종 결론에까지 도달하지는 못했습니다.