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2014년 1월 20~25일 충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크) 고려대학교 물리학과 원은일: Charged lepton flavour violation
Charged Lepton Flavour Viola4on:����������� ������������������ 중이온가속기����������� ������������������ 활용
고려대학교����������� ������������������ 물리학과����������� ������������������ ����������� ������������������ 원은일
2014년����������� ������������������ 1월����������� ������������������ ����������� ������������������ !
충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크)
���1
2014년 1월 20~25일 충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크) 고려대학교 물리학과 원은일: Charged lepton flavour violation ���2
중이온 가속기= !
희귀동위원소 가속기
2014년 1월 20~25일 충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크) 고려대학교 물리학과 원은일: Charged lepton flavour violation ���3
• RISP: 기초과학연구원 소속의 Rare Isotope Science Project (RISP) 로서 중이온가속기 건설 프로젝트, “RAON” 은 또 다른 이름
• RAON: “라온”
- 순수 한글로서 기쁨, 행복을 뜻함with a wish that this accelerator would be a delighCul giD for scien4sts all over the world and for the bright future of mankind.
• KoRIA: Korea Rare Isotope Accelerator
RISP/라온/KoRIA
2014년 1월 20~25일 충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크) 고려대학교 물리학과 원은일: Charged lepton flavour violation ���4
중이온 가속기 개요
2014년 1월 20~25일 충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크) 고려대학교 물리학과 원은일: Charged lepton flavour violation
물리학 연구와 중이온 가속기
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2014년 1월 20~25일 충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크) 고려대학교 물리학과 원은일: Charged lepton flavour violation ���6Source: B. Sherrill (Mathematica+Wikipedia)
Cooper Age
India Babylonia Egypt China
Democritus - Ideas of Atoms
1700+ rise of modern chemistry
원소 발견의 역사
2014년 1월 20~25일 충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크) 고려대학교 물리학과 원은일: Charged lepton flavour violation
원소 발견의 역사
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연금술의 시대
Chemistry, Dalton’s atomic theory Cavendish, Priestly, Scheele, ... 만델레프의 주기율표
입자 가속기에 의한 발견 시작
Source: B. Sherrill (Mathematica+Wikipedia)
2014년 1월 20~25일 충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크) 고려대학교 물리학과 원은일: Charged lepton flavour violation ���8
원소의 근원Abundance of atoms
• 가벼운 원소들이 대부분임 (log scale!)
http://homepages.ius.edu/kforinas/CalssRefs/modern.html
✓ 이것들은 다 어디서 왔는가? ✓ 왜 상대적 비율이 다른가?
2014년 1월 20~25일 충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크) 고려대학교 물리학과 원은일: Charged lepton flavour violation ���9
원소의 근원What we know so far... • 가벼운 원소들은 빅뱅에 의해
생겨났음 (Big-Bang Nucleosynthesis)
• 철까지 무거운 원소들은 별 내부 핵 융합에 의해 만들어 짐
• 철보다 무거운 원소들은 베타붕괴에 따른 연속적 중성자 포획으로 만들어진다고 여겨짐 (in violent astronomical processes such as Supernova explosion) s-process, r-process still to be understood!
중이온 가속기의 핵심 연구중 하나
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핵종의 풍경Chart of Nuclides (sometimes called a Segre Plot or Segre Chart)
검은색 사각형들은 자연에 존재하는 약 260 종의 안정적인 동위원소들임 (> 1 Gy)
Green closed are is the region of isotopes observed so far
2014년 1월 20~25일 충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크) 고려대학교 물리학과 원은일: Charged lepton flavour violation ���11
핵종 관련 과학 및 응용✓핵 물리학
• Exotic nuclei near the neutron drip line • Superheavy 원소 • 핵 물질의 상태 방정식 • 핵 구조
✓물질과학 • μSR/β-NMR • 새로운 물질의 개발 및 특성 파악
✓입자 및 원자 물리학 • 전하를 띈 경입자 맛깔 위반/Symmetry • EDM/Atomic trap
✓핵 천제 물리학 • 핵종의 근원 • Paths of nucleosynthesis • Neutron stars and supernovae
✓의학 및 생명과학 응용 • 고급 치료 기술 개발 • DNA 복제 • 의학 이미징을 위한 새로운 동의원소 탐색
✓고속 중성자와 핵과학 자료 • 미래 핵 에너지 개발을 위한 기초 핵 자료 측정 • 핵 폐기물 transmutation
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희귀 동위원소빔 생성ISOL(Isotope Separator On-‐Line) 양성자를 우라늄과 같은 타겟에 충돌 : 타겟 파쇄 혹은 핵분열 (low energy)
RI Ions Re-acceleration
Stopping
RI Ion Beam
RI Beam
Stopped Beam
experiment (Traps)
Fast Beam experiment
IF(In-‐Flight Fragmenta4on) 안정한 중입자 빔 → 얇은 타겟 → projec4le fragmenta4on (high energy)
RISP는 희귀동위원소를 두가지 방법으로 만들 수 있는 유일한 장치
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현존/계획된 가속기들B. Sherrill
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RISP 건설 장소/부지•대전 근처
Daejeon
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KPS 2012 (YKKIM/IBS)
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중이온 가속기
•오늘 기억해야 할 중이온 가속기 관련 파라미터들…
- 양성자 가속 에너지 (운동에너지): 600 MeV - 최대 빔 파워: 400 kW
2014년 1월 20~25일 충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크) 고려대학교 물리학과 원은일: Charged lepton flavour violation
Standard Model
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✓⌫ee�
◆✓⌫µµ�
◆✓⌫⌧⌧�
◆
✓ud
◆✓cs
◆✓tb
◆
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뮤온
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•뮤온은 (μ+/-) 경입자로 분류되는 기본입자임
•불안정하여, 진공에서 평균 수명 2.2 μ초를 가지고 붕괴함
•뮤온의 전기적 특성은 전자와 유사하나 전자보다는 약 207 배 무겁다
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파이온/뮤온 생성
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파이온/뮤온 생성
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⇡+ ! µ+ + ⌫µ
⇡� ! µ� + ⌫̄µ
단일 파이온 생성: 500 - 1000 MeV 양성자 에너지에서 중요
p+ p ! p+ n+ ⇡+ p+ p ! d+ ⇡+
! p+ p+ ⇡0
p+ n ! p+ n+ ⇡0
! p+ p+ ⇡�
! n+ n+ ⇡+
Charged pion 붕괴:
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파이온/뮤온 생성
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surface muons (backward only)
파이온은 약상호작용으로 붕괴: parity 깨짐- In pion rest frame,
⇡+ ⌫µµ+
~Sµ ~S⌫
- 파이온이 표적 표면에서 붕괴하면 생성된 뮤온은 100% 분극됨: 이를 surface muon이라고 함
G4beamline
pµ ⇠ 30 MeV/c
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뮤온 붕괴
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Muons decay through the week interaction
µ� ! e�⌫̄e⌫µ ⇠ 100%
µ� ! e�⌫̄e⌫µ� 1.4± 0.4% (E� > 10 MeV
µ� ! e�⌫̄e⌫µe+e� (3.4± 0.4)⇥ 10�5
For the decay: µ� ! e�⌫̄e⌫µ
dN
dx
/ x
2(3� 2x) 0 x 1, x =2E
e
+
mµc2
E
max
=mµc
2
2⇠ 53 MeV
PRL 14, 449 (1965)
Michel spectrum
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뮤온 붕괴
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Muons decay through the week interaction
d
2N
dxd(cos ✓)
/ x
2(3� 2x)
"1 +
2x� 1
3� 2x
cos ✓
# 26 MeV
muon spin
dN
d(cos ✓)/ 1 +
1
3
cos ✓
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뮤온 전송
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Muon thermalization
ε(thermalize)~10-5
Muon production
~10-5 surface muons/proton
Muon transport
ε(transport)~O(1-0.1)ε(collection)~O(3x10-2)
4x1015 protons/s 104 thermalized muons/s(660 uA)
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이를 바탕으로 할수 있는 기초 물리학 연구?
���25
2014년 1월 20~25일 충돌물리에 대한 공개 겨울 학교: 고등과학원 (강원도 휘닉스파크) 고려대학교 물리학과 원은일: Charged lepton flavour violation
기초물리학 @ RAON
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- Some of us have been looking at a muonium oscillation experiment (but not limited to it)
- Various new fundamental interaction can cause Mu to anti-Mu transition
Phys. Rev. Lett. 82, 49 (1999)
- Not updated since 1999
- A new technique to reject accidental and irreducible backgrounds more effectively needed
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기초물리학 @ RAON
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arXiv:1307.5787 “Charged Lepton Flavor Violation: An Experimenter’s Guide” - by R. Bernstein and P. Cooper (Fermilab) - excellent review of cLFV experiments
Latest limit: Phys. Rev. Lett. 82, 49 (1999) - typical counter type - suffer from rate-dependent background - < 3x10-3 GF was achieved
M. Aoki, NIM A 503, 258 (2003) - a radiochemical approach - antimuonium absorbed in tungsten nucleus (μ- W →νμ 184Ta) - < 10-4 GF can be possible
arXiv:1307.5787 - improve counter type experiment - use modern technology - could reduce limit by 10-2 (but with pulsed beam)
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기초물리학 @ RAONOne slide R&D status
40 MeV e- in Xenon gas (atm)
10 MeV
8 MeV 4 MeV
Geant4 study for tracker is ongoing
✓ Improvement from CsI and faster timing
✓ Improvement from MWPC
✓ Muonium production R&D is starting with J-PARC people
✓ Active target ?
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정리
• 기초과학연구원 소속의 Rare Isotope Science Project (RISP) 건설 중에 있음
• 이를 활용한 기초물리학 연구는 미래의 젊은 연구자들을 위한 중요 연구가 될 것임
• 다양한 가능성을 열어 놓고 시설을 최대한 이용할 수 있는 프로그램 개발이 중요
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