GEM Detector & KoRIA Sep. 17, 2011 박인규한국 CMS 실험사업팀 ( 서울시립대학교, 물리학과 ) % 가져온그림은파란색박스 % CMS 공식 / 비공식내용을모두포함 1
발표목차 1. 한국 CMS 소개 2. LHC/CMS 업그레이드스케줄 3. GEM검출기와한국CMS의검출기 R&D 4. KoRIA와의연계 5. 결론 2
한국 CMS 소개
한국의 CERN 실험소사 1980-1990: 개인연구자개별참여 1990-1998: LEP실험 90GeV e+ e- 충돌, Z0, W쌍생성 ALEPH, L3 중성미자진동실험 CHORUS 한국인미국유학생들의 LEP실험참여 ( 한국인 ~20명 ) 1998-2006: LHC 준비기간 과학기술부의 CMS실험지원 ( 총 20억원 ) 12 대학 초전도자석의설치플랫폼 ( 동양중공업 ) (815kCHF) 전방저항판검출기제작설치 (500kCHF) 온라인 DAQ H/W 지원 (500kCHF) 2007-현재 : 한CERN 국제협력 4 ( CMS / ALICE )
CMS 초전도자석설치플랫폼 5
전방저항판검출기 6
한 -CERN 협력사업의개시 2006: 한 -CERN 협력사업체결 박원화주스위스대사 Robert Aymar CERN 사무총장 한국 CMS, 한국 Alice MOU 체결 연간예산 10 억원 7
CERN 러쉬아워! 2006: Mayer of Seoul 2010: Nat l Assembly Ambassador Minister & Vice Min. 2011: Vice Min. National Assembly National labs. KBS, MBC, EBS Major journals 8
한 -CERN 국제협력사업 한 -CERN 협력사업조정위원회 CERN-Korea 협력위원회 (CKC) 연간예산 30 억 한국 CMS 6 univs. 60 members 한국 ALICE 4 univs. 40 members Tier2 사업 CMS: KNU ALICE: KISITI 9 이론물리 KPS PP div. 고등학교교사연수 New program for HS teachers (2011)
한국 CMS 실험사업팀의규모 참여기관 6 개 현참여기관 : 고려대, 경북대, 성균관대, 서울시립대, 전남대, 강원대 참여예상 / 희망기관 : 서울대, 전북대, 건국대, 제주대, 동신대 전체참여연구원 62 명 박사학위자 : 28명 ( 전임교원 + 박사급연구원 ) 대학원생 : 29명 기술자및행정 : 5명 참여규모 M&O-A 20명 약전체 CMS의 1.5% 규모 연간인건비 / 체재비 / 직접비 14억5천만원 발전방향 2012-2016: 대표물리그룹양성및검출기업그레이드참여 2017-2020: ~100여명연구원 10, ~$3M/year의규모로성장
한국 CMS 팀주요연구주제및서브그룹 Higgs search Heavy Ion QCD Detector R&D Beyond SM Computing ExtraD Operational Committee SUSY MEST/NRF/CERN CMS / Korea CMS 11
LHC/CMS 업그레이드스케쥴
LHC 업그레이드계획 LHC 2010 년부터본격가동 에너지 : 3.5TeV+3.5TeV 7TeV, 휘도 : L~10 33 /cm 2 /s Phase 1 shutdown LS 1 (Long Shutdown 1, 2012-2013): 에너지업그레이드 Ramping up to 14TeV from 2014 LS2 (2017-2018) : 휘도업그레이드 Increased luminosity at 10 34 /cm 2 /s from 2018 Phase 2 shutdown LS3 (2020 이후계획 ) CMS 서브검출기마다각기간중유지 / 보수 / 업그레이드 한국CMS의주요관심사 : 뮤온시스템 LS1 : Step3 RPC RE42, RE43 LS2 : Forward Muon 검출기 13
CMS Muon 시스템업그레이드 (LS2) High eta 영역 ( 현재검출기미설치영역 ) high luminosity, high rate, high radiation RPC,GEM 14
한국 CMS 검출기서브그룹 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 LS1 LS2 기존검출기완성 % RPC step3 (2006 MOU) 새로운검출기개발 한국검출기생산 설치 / 운용 Phase 1 LS1: RPC Step3 완성 (RE42,RE43) ~220 RPC 패널생산 ( 한국 RPC 검출기로명명 ) Phase 1 LS2: 새로운전방뮤온검출기공헌 h >1.6, GEM, RPC Good news & Bad news 예산확보성공, 그러나 1/3 만 15
한국 CMS 의업그레이드참여계획 ( 제안 ) 2012-2016 년 CMS 업그레이드활동 실질적기여의마지막기회, 검출기인력양성의최적기회 전방 eta>1.6 지역에 GEM 또는 RPC 검출기 개발 (12-13 ) 제작 (13-14 ) 생산 (14-15 ) 설치 (15-16 ) 운영 (16-17 ) 총50억 ( 년간10억원 ) 2017 년이후 한국주도 Shift Data analysis 운영 Know-how축적 검출기전문인력배출 16
한국 CMS 검출기서브그룹구성 ( 예정 ) 검출기제작 센서제작, 패키징, Q/A, test-beam, 성능조사분석 박사급 4, 박사과정 2 외석사과정및기술자, 외주기업 일렉트로닉스 신호입출력, FPGA, CMS DAQ와의인터페이스 박사급 3, 박사과정 2 외석사과정및외주기업 온라인 / 오프라인모니터링시스템 P5 온라인 DQM 및오프라인 DQM제작 박사급 3, 박사과정 2 외석사과정 시프트및관리운영 2017,2018년부터한국CMS가주도적으로한국검출기의 Shift 운영 17
GEM검출기와한국CMS의검출기 R&D
입자검출기 와이어챔버의기본원리 Ionization Drift field Electron avalanche Read out TPC Time Projection Chamber 반도체검출기 Diode Si, Ge 열량계 EM열량계 Hadron열량계 CC, Wikipedia 19
GEM 검출기 GEM 검출기의구조 50-70um 켑톤필름 5-10um 구리박막 50-70um 미세구멍 Drift field와 HV field Drift electron Electron avalanche 다층연성기판 + 리소그라피공정 CC, Wikipedia 20
GEM 의응용 : TPC 기존의 TPC와같은원리 KoRIA 검출기 LAMPS 이경세교수발표 F. Mutas (LNF/INFN) @ Frascati, 2002 21
GEM 의응용 : Muon Tomography Incoming muons (µ±) (from natural cosmic rays) Note: angles are exaggerated! Q=+92e μ Q=+26e μ Cargo container 56 26 F Regular material: small scattering angles e Θ hidden & Θ shielded Θ high-z nuclear material μ tracks Tracking Detector μ 235 U 92 Θ HEU: Big scattering angles! Approx. Gaussian distribution of scattering angles θ with width θ 0 : 22
GEM 의응용 : 중성자검출기 Boron 을도핑한 GEM 을활용한중성자검출 변형된금속을판독 S. Uno (KEK) @ UKANS, Beijing 2010 23
GEM 의응용 : Medical Imaging GEM+CCD with X-ray Medical Imaging X-ray / Gamma F. Mutas (LNF/INFN) @ Frascati, 2002 24
CMS GEM 활동 / RD51 GEM for CMS High-Eta collaboration RD51 RPC 대신 GEM 이설치될경우 GE11, GE21, GE31, GE41 72+144+72+72 chambers (4*3072 channels) 한국기업의 GEM 호일생산 8cm x 8cm 생산 test beam in RD51 Results were excellent! 25
CERN GEM vs Korea GEM CERN 제작 한국제작 단위마이크로미터 Archana SHARMA @ Kobe, MPGD 2011 26
CERN GEM vs Korea GEM CERN 제작 한국제작 단위마이크로미터 제작상층동판두께하층동판두께캡톤두께상층구멍지름하층구멍지름캡톤지름 CERN 8.35 8.75 49.30 70.25 69.05 50.95 Korea 5.85 5.96 49.01 65.14 63.08 48.03 Archana SHARMA @ Kobe, MPGD 2011 26
Gain 비교 한국생산 GEM 의성능이우위를보임 Archana SHARMA @ Kobe, MPGD 2011 27
KoRIA 와의연계
KoRIA 가속기 에너지 : 132 Sn ~250MeV/nucleon (9x10 8 pps) 김용균교수발표 ( 오늘오전세션 ) 다양한핵물리연구및응용연구가능성은높음 고에너지입자물리연구주제발굴가능성은낮음 SC ECR IS RFQ H 2 + D+ Small picture 검출기 R&D, test-beam Big picture 가속기 Complex (CERN) 초기단계부터의협조필요 SCL Y.K. Kim @ KIAS, 2011 In-Flight Fragmentation linac Stripper ISOL linac SCL Low energy experiments SCL Cyclotron K ~ 100 RFQ ISOL target Charge Breeder Atom trap experiment 200MeV/u (U) In-flight target Future Future plan µ, Medical research Fragment Separator Det. R&D HEP 29
KoRIA-HEP: Small picture HEP 가능성 : 낮은에너지타깃실험 반물질생성, QED 정밀측정등, 새로운주제의가능성 (doubt) 2 차입자의생성 뮤온, 파이온생성 지난 KIAS미팅 ( 최수용교수발표 ) Few GeV 양성자 (doubt) 낮은에너지뮤온, 파이온의테스트빔활동? 빔라인및통합검출기 R&D 랩및테스트빔시설 이번 KIAS미팅 ( 유인권교수오늘발표 ) 빔라인, 마그넷, 전원, 가스, 일렉트로닉스, 케이블, 컴퓨팅, 차단시설, 운용팀 핵 / 입자 / 천체모두활용. Direct contribution to KoRIA LAMP3 검출기제작에참여중 Beam Monitor, TPC, SST, Neutron Calorimeter, TOF 30
KoRIA-HEP: Big Picture UKC 2011 (Aug. 13) Utah 재미과학기술인및한 / 미정부, 펀딩기관, 국회의원참여 KoRIA의절대적성공이필요 ( 모든물리분야의협력 ) Future-future plan을초기부터고려 15 kilometers Booster complex J. Yu (UT at Arlington) @ UKC 2011, Utah, USA 31
KoRIA-HEP: Big Picture UKC 2011 (Aug. 13) Utah 재미과학기술인및한 / 미정부, 펀딩기관, 국회의원참여 KoRIA의절대적성공이필요 ( 모든물리분야의협력 ) Future-future plan을초기부터고려 15 kilometers Booster complex News! MEST-DOE 핵 / 입자물리협력 MOU 체결 ( 시설및인력교환 ) J. Yu (UT at Arlington) @ UKC 2011, Utah, USA 31
핵및고에너지물리분야협력 DOE MEST 한미과학기술 ( 장관 ) 회의 7 차회의 2010/06/14-15 핵 / 입자물리분야의시설, 인 적, 정보공유 2011 APS 테바트론쿼드러폴의일부를재활용 300-600GeV 양성자 150-300GeV/n 중이온 Shutdown Sep. 2011 No cold shutdown! DOE-MEST, 2010 Need LOI 32
KoRIA-HEP Big Picture: 물리프로그램 300GeV 양성자가속기또는 150GeV/n 중이온가속기 아시아최대가속기, 미탐험된에너지영역 Lepton-Hadron 충돌 전자-양성자, 전자-중이온충돌 (erhic) 뮤온충돌기 (muon collider, 뮤온-양성자, 뮤온-중이온 ) Low-x, High-Q2 PDF 확장 고출력중성미자실험 역 T2KK실험 한국에서생성된중성미자를카미오카로! 타깃실험 Rare Kaon decay (JPARC, E14) 중이온타깃실험 반핵생성및반물질생성 33
결론 한 -CERN 협력사업을통한고급전문인력배출 연참여인원 100 여명, > 10 박사급인력배출 ( 검출기전문가포함 ) KoRIA 시설에설치될검출기 (LAMP3) 인력공급 LAMPS : TPC, SST, TOF, 중성자열량계 빔라인, 테스트빔시설, 검출기 R&D 시설등의구축 관련전문인력을통한한국의첨단기술집약산업의육성 대표적인 KoRIA 이용프로그램으로발전 Future-future KoRIA 는한국가속기콤플렉스의씨앗! CERN/Fermi Lab 등과의협력을통한아시아최대의가속기콤플렉스로발전 2011 DOE-MEST MOU 를통한시설구축 ( 테바트론자석의재활용 ) 300GeV-600GeV 양성자 / 150-300 GeV/n 중이온 erhic, R-T2KK, Rare decay 34