초록 ▼

연구개요
현재 고에너지 물리실험은 유럽 입자물리 연구소 CERN에 설치된 거대 강입자 가속 충돌기 (LHC)의 가동으로 역사상 전례 없는 새로운 시대로 접어들었다. 인류가 만들어낸 입자 가속기 중 가장 강력한 충돌 에너지 (7~8 TeV)로 2012년 ATLAS와 CMS 실험을 통해 힉스 입자를 발견하여 입자물리학의 근간이 되는 표준 모형을 완성하였다. 그러나 표준모형은 자연계 다른 힘들과 함께 중력을 포함시키지 못하고 우주 물질 구성의 대부분을 차지하고 있는 암흑물질(~25%) 및 암흑에너지(~75%)를 설명하지 못하는 등

연구개요
현재 고에너지 물리실험은 유럽 입자물리 연구소 CERN에 설치된 거대 강입자 가속 충돌기 (LHC)의 가동으로 역사상 전례 없는 새로운 시대로 접어들었다. 인류가 만들어낸 입자 가속기 중 가장 강력한 충돌 에너지 (7~8 TeV)로 2012년 ATLAS와 CMS 실험을 통해 힉스 입자를 발견하여 입자물리학의 근간이 되는 표준 모형을 완성하였다. 그러나 표준모형은 자연계 다른 힘들과 함께 중력을 포함시키지 못하고 우주 물질 구성의 대부분을 차지하고 있는 암흑물질(~25%) 및 암흑에너지(~75%)를 설명하지 못하는 등 근본적인 문제들을 안고 있다. 따라서 LHC의 다음 실험 목표는 더 높은 충돌 에너지 (13~14TeV)로 힉스 입자의 성질을 정밀 측정하고 표준 모형을 넘어서 새로운 입자와 암흑물질의 탐색이 진행 되고 있다. 특히 현재 암흑물질 탐색은 LHC에서 매우 중요한 실험 프로그램 중 하나로 진행되고 있으며 이와 함께 세계 여러 지하 시설에서 행해지고 있는 암흑물질의 직접적인 탐색 실험들과 서로 상호 보완적인 결과들을 발표하면서 물리학계의 큰 주목을 받고 있다. 이와 같이 암흑물질에 대한 관심도는 입자물리학계 뿐만 아니라 전 물리학계에서도 현재 최고조에 있으며 이와 발맞춰서 CMS실험의 저명한 과학자들과 팀을 구성하여 암흑물질탐색을 추진하고 있다. 본 연구자는 2015년부터 CMS실험의 Run 2 데이터를 이용한 모노제트 (하나의 강입자다발)과 모노탑 (하나의 탑쿼크 붕괴모드) 사건들을 통해서 암흑물질 탐색을 본격적으로 진행하여 왔다. 향후 연구목표로는 기존의 전통적 방법을 탈피하여 새롭고 독창적인 암흑물질 탐색 기법 즉, 배경사건으로부터 암흑물질의 신호를 효과적으로 분리하여 이제까지 설정된 암흑물질과 그것을 매개하는 매개자의 질량의 한계치를 대폭 높이는 것이다.

연구 목표대비 연구결과
암흑물질은 은하의 회전 속도 측정과 WMAP, PLANCK 실험들의 우주 배경 복사 관측 (Cosmic microwave background) 그리고 중력 렌즈효과 (Gravitational lensing) 등 다수의 천제관측과 간접적인 우주실험 등으로 그 존재의 증거들이 발표되었다. 그러나 현재까지 암흑물질의 본질에 대해서는 중력과 매개한다는 것 이외에 거의 알려진 것이 없는 실정이다. 또한 어떠한 암흑물질탐색 실험에서도 발견하지 못하며 그 본질에 대한 해답을 주지 못하고 있다. 이론적으로 암흑물질은 지하 실험에서 검출기에 암흑물질이 반응하여 직접 발견할 수도 있지만, CERN 연구소 강입자 충돌기 LHC에서 만들어질 수 있다. 따라서 전 세계적으로 힉스보존의 발견 이후로 입자물리학계에는 표준모형의 한계를 넘어서 이러한 암흑물질탐색의 관심이 점점 커지고 있는 상황이다.

현재까지 의미있는 암흑물질의 신호를 발견하지는 못했지만, 단순화모델 암흑물질의 질량과 그것의 매개자의 질량 한계치를 설정할 수 있었다. 이에 따른 2개의 독립적인 암흑물질탐색 실험결과가 2.1 fb-1의 2015년 데이터와 12.9 fb-1의 2016년 데이터를 이용한 monojet 사건들을 통해서 저널에 출판되었다. 또한 현재 2016년에 획득한 총 35.9 fb-1의 데이터를 분석한 결과가 CMS 실험 그룹 안에서 리뷰 중이며 곧 저널에 제출될 예정이다. 향후 2018년까지 13 TeV의 충동에너지로 총 150 fb-1의 Run 2 데이터를 획득할 수 있을 것으로 예상되기 때문에 암흑물질과 매개자의 질량의 한계치를 최대한 높일 수 있을 것으로 기대한다.

한편, 양성자-양성자 충돌시 암흑물질과 monotop 이 함께 생성되는 프로세스를 예측하는 암흑물질 모델이 있는데, 이 monotop 채널의 암흑물질 탐색은 현재 중입자 비대칭성 (Baryon asymmetry)에 의해서 우주에 반물질은 사라지고 물질만 남은 현상을 설명하기 위한 가볍고 뜨겁지 않은 암흑물질 (non-thermal dark matter) 이론에 기반을 두고 있다. 또한 많은 경우의 뜨거운 암흑물질 (thermal dark matter) 시나리오는 이미 천체물리학적 관측과 LHC 실험으로서 배제가 되었기 때문에 이 암흑물질 모델을 LHC의 CMS 실험에서 최초로 검증하는 것은 물리적으로 아주 큰 의미가 있는 연구라고 할 수 있다.

또한 non-thermal 암흑물질 모델에서 암흑물질과 함께 생성되는 탑쿼크는 표준모형에서 단독으로 생성되는 탑쿼크가 왼손잡이 (Left-handed)인 것과 달리 오른손잡이 (Right-handed)이기 때문에 운동역학적으로 탑쿼크에서 붕괴한 바닦쿼크의 에너지와의 비율이 상이한 분포를 보이게 된다. 따라서 탑쿼크와 바닦쿼크의 생성 후 정밀한 에너지 측정이 monotop 암흑물질탐색의 핵심이라고 할 수 있다. 현재, 2016년에 받아진 모든 Run 2 데이터 (35.9 fb-1)를 이용하여 탑쿼크의 붕괴모드 중 하나의 경입자와 강입자 다발의 채널에서 monotop 사건들을 분석 중에 있으며 향후 2017년 데이터를 더해서 분석할 예정이다.

본 연구는 위에서 언급한 전통적인 틀에 얽매이지 않고 새로운 방식의 암흑물질 탐색 방법을 도입하고자 한다. LHC에서 13 TeV 에너지의 양성자-양성자 충돌 실험에서 생성된 빅데이터로부터 암흑 물질의 탐색에 최적화된 트리거를 도입하여 미탐지 에너지를 수반한 사건을 선별하고, 선별된 데이터를 머신 러닝 등의 새로운 분석 알고리즘 기법을 개발하여 암흑물질 탐색의 효율성을 극대화하는 것이 목표이다. 또한 미탐지 에너지 자체의 정확한 측정 또한 본 연구의 핵심이다.

연구개발결과의 중요성
CERN 연구소의 LHC를 이용한 암흑물질 탐색 실험들 중에서 monojet 채널은 암흑물질과 가장 큰 생성단면적을 가지고 있다. 그러므로 단위 사건당 암흑물질 생성 빈도가 가장 높은 탐색 채널으로 만약 암흑물질이 가벼운 쿼크와 충분히 큰 상호작용을 한다면 발견할 가능성이 가장 높을 것으로 예측된다. 이에 따라서 현재까지 LHC의 ATLAS와 CMS 실험의 각각의 데이터 분석된 결과 두 실험 모두 monojet 채널이 가장 높은 암흑물질과 매개자의 질량의 한계치 설정값을 제공하고 있다. 그러나 지금까지 분석된 데이터양은 LHC가 추후에 획득가능한 데이터양에 비해서 아주 작은 부분에 해당되기 때문에 곧 획득하게 될 2018년 데이터 등을 포함하여 지속적으로 분석함으로서 세계 최고의 암흑물질 측정값을 계산할 수 있을 것이고 그 결과를 세계적인 저널에 출판할 수 있을 것이다.

한편, monotop 채널은 암흑물질과 기본입자 중 가장 무거운 탑쿼크와의 상호작용을 모델에 기반한 연구로서 암흑물질이 무거운 입자와 더 큰 커플링을 갖고 있다면 발견 확률이 가장 높은 암흑물질 탐색 모드이다. 또한 앞에서 언급했듯이 non-thermal 암흑물질과 동반해서 생성되는 오른손잡이 탑쿼크의 성질을 이용하여 표준모형의 단독으로 생성되는 탑쿼크와 운동역학적으로 다른 성질을 지니고 있으므로 쉽게 구별할 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라 이러한 non-thermal 암흑물질과 함께 생성되는 탑쿼크는 아직까지 실험적으로 검증된 적이 없으므로 고에너지 물리학 실험에서 최초로 실행하는 큰 의미가 있는 매우 중요한 연구이다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1. 모노제트 (Mono-jet) ... 4
• 2. 모노탑 (Mono-top) ... 4
• 3. CMS 검출기 성능개선 업그레이드 프로젝트 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• 1. 모노제트 (Mono-jet) ... 5
• 2. 암흑 힉스 모형을 이용한 암흑 물질 탐색 ... 6
• 3. 모노탑 (Mono-top) ... 7
• 4. 모노광자 (Mono-photon) ... 8
• 5. 강입자 충돌기 실험에서 획득한 데이터분석을 통한 암흑물질 탐색 향후 추진사항 ... 9
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 13
• 4. 참고문헌 ... 13
• 5. 연구성과 ... 14
• 대표적 연구실적 ... 15
• 끝페이지 ... 29