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우주적 물리학도 레이의 연구실

우주적 물리학도가 되고 싶은 레이의 물리블로그입니다. 물리이야기도 쉽게 소통할 수 있다는 믿음의 끈을 꼭 쥐고 있습니다. by cosmic-ray


'UHECR'에 해당되는 글 3건

  1. 2009.02.01 UHECR의 물리 - extensive air shower(1)
  2. 2009.01.26 UHECR을 찾아서(1)
  3. 2009.01.24 cosmic ray (우주 입자)(4)

UHECR의 물리 - extensive air shower

초고에너지의 우주입자가 지구 대기로 들어오게 되면 어떤 일이 일어날까요? 어떤 현상을 어떻게 관측할 수 있다는 것인지 궁금하지 않으세요? ^^

오늘은 UHECR의 물리에 대해서 이야기 할 생각입니다. 그 중에서도 우주 입자가 대기에 들어왔을 때 일어나는에 대해서 설명할게요.

지구 대기는 지구에 존재하는 생명체의 생존에 필수적인 산소뿐만이 아니라 다양한 것들이 섞여 있다고 배웠습니다. 기억을 더듬어 보면 질소, 산소. 아르곤, 이산화탄소, 수증기 등이 공기를 이루고 있습니다. 높은 에너지를 가지고 있는 우주 입자(UHECR)는 지구 대기로 들어오면서 이러한 분자들과 충돌을 피할 수 없습니다.

이 충돌로 인해 생긴 2차 입자는 역시나 에너지가 높아 또 다시 대기의 다른 분자와 충돌하여 새로운 입자를 생성하게 되고 이 과정이 반복적으로 진행되어 마치 폭포수처럼 그 줄기가 증가하게 됩니다. 이 모습이 샤워기에서 물줄기가 떨어지는 것과 비슷하다 하여 extensive air shower라고 부릅니다.




수많은 2차 입자들이 생성되는 과정은 크게 둘로 볼 수 있습니다. 강입자가 생성되는 과정과 전자기입자가 생성되는 과정입니다. 입자의 분류에 대해서는 LHC 에 대한 글을 쓸 때 언급하였으니 그 글을 봐주세요.

우주 입자를 양성자라고 가정해보아요. 에너지가 큰 양성자가 지구 대기에 들어오면서 대기 상층부에 있던 질소와 충돌을 합니다. 이 과정에서 가장 많이 생성되는 입자는 파이온(pion)이라는 강입자입니다.

파이온은 전하의 종류에 따라 세 가지가 있는데 전하를 갖고 있는 파이온은 붕괴 시간이 그래도 조금 길어서 붕괴하기 전에 다른 입자와 충돌하여 또 다른 입자를 생성하고 이 과정이 계속 반복됩니다. 이와 같은 과정을 통해 생긴 것을 'hadronic shower'라고 합니다.

중성의 파이온의 경우에는 다른 입자와 충돌하기 전에 광자를 내면서 붕괴해 버립니다. 이 광자는 에너지가 매우 높기 때문에 전자와 양전자 쌍을 만들어 내고 이것은 또 다시 광자로 변하기도 합니다. 이런 과정이 반복되어 shower가 형성되고 이를 'electromagnetic shower'라고 부릅니다.

다 똑같이 EAS인데 반응 과정의 특징으로 이름을 나누어 부른 것 뿐이니 너무 복잡하게는 생각하지 마시고 아 그냥 처음에 들어온 우주 입자 때문에 2차입자가 생기고 이것이 또 다른 입자를 만들어 내어 결국에는 폭포수처럼 입자가 쏟아져 내린다고 생각하시면 됩니다. :)




또한 이렇게 생기는 광자 말고도 이 과정 중에 빛이 나오게 됩니다. fluorescence light이라고 부르는 것입니다. 에너지가 높은 입자가 대기 중 분자를 때리면 이 분자는 에너지를 얻고 들뜨게 되죠. 모든 것은 안정된 상태를 유지하기를 좋아하니 들뜬 입자는 원래의 상태로 가려고 할 겁니다. 그러면서 받은 에너지만큼을 fluorescence light이라고 부르는 자외선 영역대의 빛으로 내보내게 됩니다.

첫 시작은 단지 하나의 양성자였지만 지상에서 관측하게 된다면 수많은 입자들이 광범위한 영역에 떨어지는 것으로 보입니다. 그리고 대기 중에서는 그 때 발생한 빛이 있겠지요. 이런 것들을 관측하는 것이 UHECR을 관측한다,라고 말하는 일인 것입니다. 이러한 현상을 관측하는 방법과 원리, surface detector(SD)와 fluorescence detectro(FD)에 대해서는 다음 번에 다루도록 하겠습니다.

바로 다음 포스팅은 오늘 이야기하지 못한 UHECR의 물리 2탄!

우주 입자가 광할한 우주 공간을 날아오면서 생길 수 밖에 없는 일에 대해 이야기해 보아요.:)


*이미지출처
지구대기그림
http://www.williamsclass.com/EighthScienceWork/Atmosphere/EarthsAtmosphere.htm
EAS 그림 http://www.telescopearray.com/outreach/detect2.php



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  1. StarLight 2011.01.30 18:07 address edit & delete reply

    QED 상호작용 이군요 :D

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UHECR을 찾아서

어느 연구든 자기가 관심을 가지고 하면 재미없는 것이 없겠지만 UHECR의 연구에 있어서는 개인적으로 더 재미있는 것 같습니다. 실험쪽 이야기를 들을 기회가 많고, 듣다 보니 또 재미도 있고 그래서 이것의 정체가 한층 더 궁금해집니다.

UHECR은 꽤 오랫동안 연구된 분야임에도 불구하고 아직도 그 정체는 미스테리합니다. 지난 50여년 간 Volcano Ranch 실험에서부터 가장 최근의 TA 실험까지 큰 규모의 실험들이 수행되었음에도 불구하고,

UHECR이 어디서부터 날아오는지
어떻게 그렇게 높은 에너지를 얻을 수 있는지
어떤 입자가 날아오는지
GZK cutoff가 정말 있는 것인지


등등 알고 있는 것보다는 모르고 있는 것이 더 많다고 할 수 있죠.




위의 표는 그 동안 있었던 큰 규모의 실험들을 정리해둔 것인데요. 정말 많은 실험들이 있었죠? 제가 태어나기 이전에 있었던 실험들도 있습니다. 미국에서는 벌써 세 번째 실험이 있는데요, Fly's Eye의 업그레이드 버젼이 HiRes 실험이고 일본에서 있었던 AGASA와의 합작판이 이번 TA 실험이라고 생각하시면 됩니다.

2004년 부터 시작한 AUGER 실험은 2007년 첫 결과를 발표했지만 많은 사람들의 이론적 지지를 얻지는 못했습니다. 일단 데이터의 수가 27개 밖에 안되는 등 논쟁점들이 많았어요. 새 데이터를 기대해봐야겠죠. ;)

이렇게 많은 실험들이 있었는데 왜 아직도 모르는 것이 더 많다는 것일까요? 참 재미있게도 각 실험별로 UHECR의 원천일 것이라고 주장하는 것이 조금씩 다 다릅니다. 예를 들어 HiRes에서는 BL lac을 AUGER에서는 AGN 혹은 AGN의 분포와 비슷한 어떤 것을 UHECR의 원천일 것이라고 논문을 발표했죠. 일정 에너지 이상의 입자의 flux가 급격히 줄어드는 GZK cutoff에 대해서는 유일하게 AGASA 만이 GZK cutoff 이상의 에너지를 갖는 입자들을 관측하였고 이것이 엄청난 논쟁거리가 되었죠.

그.래.서.
 
TA 실험을 통해 관측한 데이터를 분석하여 UHECR의 정체를 조금이라도 더 알기 위해서 노력하는 것이랍니다.

Telescope Array 실험은 미국 유타주의 사막에 설치되어 있어요. 작년 이맘때 쯤 번을 서러 다녀왔는데 정말 멀더군요. 유타주 솔트레이크시티에서 비행기를 내려 거기서 차를 타고 2~3시간 걸리는 델타라는 동네에 짐을 풀고 실험기기가 설치되어 있는 곳까지 또 차를 타고 달려야 하는 대장정이었습니다.

정확한 위치는 북위 39.3 °,  서 112.9 °.

surface detector(SD)와 fluorescence detector(FD)를 이용하여 UHECR을 관측합니다. SD는 지면에 도달하는 입자들을 검출하는 것으로 총 512개의 SD가 700 제곱킬로미터의 사막에 1.2 km 간격으로 배치되어 있습니다. 또 그 주위를 둘러싸는 모양으로 3개의 FD station이 설치되어 있습니다. FD는 지구 대기로 들어온 입자가 대기의 분자와 부딪히면서 내는 빛(fluorescence light)을 검출하기 위한 장치예요. SD와 FD에 대해서는 다음에 좀 더 자세히 다루도록 할게요.


개략적인 모양을 보면 아래 그림과 같습니다.



거개의 실험들이 그러하듯이 실질적으로 유용한 데이터를 받기 위해서는 시간이 좀 걸립니다. 우선 이런 실험 장비들을 건설하는데에도 시간이 오래 걸리고, 실제로 관측을 시작했다 하더라도 여러 가지 요소들을 점검하고 보정하여 안정적인 데이터를 받기까지 걸리는 시간이 또 상당하죠.

TA 실험은 지난 2008년부터 SD와 FD 양쪽의 안정적인 데이터를 받기 시작했으니, 몇 년 안에 또 어떤 의미있는 결과들을 볼 수 있을지 기대가 됩니다. :)


아, 이 실험은 일본과 미국, 한국 등이 참여하고 있습니다. 그리고 제 기억에는 러시아 그룹도 조인을 했다는 것으로 알고 있어요. 한국 그룹으로는 우리 한양대, 연세대, 이화여대, 충남대, 부산대가 함께 하고 있습니다. 뭐 다들 초짜라 맨바닥에 헤딩하면서 열심히들 하고 있어요. ㅎㅎ


그럼 오늘은 TA 로고를 남기고 이만...

















Telescope Array 홈페이지 구경 가시려면 
여기를 눌러주세요. 




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  1. 김지웅 2010.11.19 17:21 address edit & delete reply

    전 부산대. 물리과 재학중인 학생입니다. Cosmic ray 에 관심이 많습니다. 우연찮게 뮤온 측정실험을 하게되서 공부하고 잇는데 도움이 많이되 댓글 남김니다 ㅎ

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cosmic ray (우주 입자)

지난 번에 세차례에 걸쳐 LHC 실험에 관해서 이야기를 했습니다. 지난 학기 콜로퀴움을 듣고 과제로 제출했던 것이라 시의성은 좀 떨어지지만 차분하게 공을 들여서 쓸 수 있었던 글이죠. 사실 그런 글을 쓰고 싶어서 블로그를 열었어요. 가능하다면 잘못된 정보를 바로잡고 어렵기만 해서 멀리하고 싶은 이야기를 쉽게 전달할 수 있었으면 좋겠다,는 것이 제 생각이었죠.

그래서 이번에는 제가 참여하고 있는 실험과 관련된 이야기를 전해드릴까 합니다.

그것은 바로! Telescope Array 실험!

지난 해에 큰 이야깃거리가 되었던 LHC와는 다르게 아는 분이 적을 것이라고 생각해요. TA 실험은 우주로부터 날아들어오는 초고에너지 우주입자(Ultra-High Energy Cosmic Ray)를 관측하기 위한 실험입니다. (실험에 대한 전체적인 설명은 다음에...) 오호호, 제가 블로그 도메인을 정할 때 지대한 영향을 끼쳤죠.

그러면 cosmic ray가 무엇인지, 무엇을 초고에너지라 칭하는지 먼저 알아야겠죠?


cosmic ray :

물리학 용어집에서 보면 우주선, 우주살로 부르는 것으로 약속하고 있는데 '우주 입자'가 좀 더 정확한 표현인 것 같아요. 선이나 살은 연속적인 어떤 흐름의 느낌이 나는데 실제로는 입자가 들어오는 것이라서 말이죠. cosmic ray는 우주로부터 지구로 들어오는 입자들을 통칭하는 말입니다. 양성자, 원자핵, 전자 등등등요.

지금까지 관측한 바로는 그 에너지 영역대도 넓습니다. 다양한 에너지를 가진 입자들이 들어오고 있다는 이야기인데요. 비교적 낮은 에너지의 우주 입자들에 대한 연구는 상대적으로 용이하여 다양한 논의들이 오고 갔습니다.

제가 상대적으로 용이하다고 한 것에는 이유가 있는데요, 에너지 스펙트럼을 보면 입자의 에너지가 높을수록 flux가 줄어드는 경향이 보이기 때문입니다. 즉 확률적으로 관측하기가 힘들다,는 이야기가 되지요.

energy spectrum of cosmic rays



그림과 같이 에너지가 10^18 eV 이상이면 1 제곱킬로미터당 1년에 한 개의 입자를 관측할 수 있을까 말까한 수준이 됩니다.

이렇게 10^18 eV가 넘는 높은 에너지를 갖는 우주 입자를 ultra-high energy cosmic ray, 줄여서 UHECR이라고 합니다. UHECR은 관측이 어렵기 때문에 지금까지 축적한 데이터가 상대적으로 매우 적어요. 더 많은 데이터를 얻기 위해서는 실험 규모를 키우고 오랜 시간동안 실험을 수행하여야 합니다.

자, 그럼 이제는 cosmic ray가 무엇인지, UHECR가 무엇인지 아시겠죠?

글이 너무 길어지면 재미가 없으니 일단 짧게 마치겠어요. 다음 포스팅에는 그동안 있었던 실험들이 어떤 것들이 있는지와 TA 실험에 대한 설명을 할게요.


연휴 잘 보내시고 새해 복 많~이 받으세요. :)



*이미지출처는 http://science.nasa.gov/headlines/y2000/ast10jul_1.htm입니다.



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  1. Seldon 2009.01.28 11:37 신고 address edit & delete reply

    '우주 입자'가 더 정확한 표현이군요.^^ 우주 입자님도 새해에 행복하세요~

    • cosmic-ray 2009.01.28 13:20 신고 address edit & delete

      넹, 우주입자라고 하는게 맞는 것 같아요. ^^ 그리고 seldon님 블로그에도 남겼지만 그냥 레이라고 불러주세요~ 즐거운 하루 되세요!

    • Seldon 2009.01.28 21:49 신고 address edit & delete

      레이님, 물리 용어를 한글로 옮기는 버릇이 있다보니 그렇게 됐습니다-_-;; 그럼 안녕히계세요...^^

    • cosmic-ray 2009.01.28 23:36 신고 address edit & delete

      헙 싫다는게 아니었어요~ --;; 그냥 제 별명이 레이라 ㅋㅋ

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