Charged(Lepton(Flavour( Violaon :...

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


• 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


중이온 가속기 개요


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


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)


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?

http://homepages.ius.edu/kforinas/CalssRefs/modern.html


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


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


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


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


현존/계획된 가속기들B. Sherrill


RISP 건설 장소/부지•대전 근처

Daejeon


KPS 2012 (YKKIM/IBS)


중이온 가속기

•오늘 기억해야 할 중이온 가속기 관련 파라미터들…

- 양성자 가속 에너지 (운동에너지): 600 MeV - 최대 빔 파워: 400 kW


Standard Model

��17

✓⌫ee�

◆✓⌫µµ�

◆✓⌫⌧⌧�

◆

✓ud

◆✓cs

◆✓tb

◆


뮤온

��18

•뮤온은 (μ+/-) 경입자로 분류되는 기본입자임

•불안정하여, 진공에서 평균 수명 2.2 μ초를 가지고 붕괴함

•뮤온의 전기적 특성은 전자와 유사하나 전자보다는 약 207 배 무겁다


파이온/뮤온 생성



��20

⇡+ ! 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:



��21

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


뮤온 붕괴

��22

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


뮤온 붕괴

��23

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 ✓


뮤온 전송

��24

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)


이를 바탕으로 할수 있는 기초 물리학 연구?

��25


기초물리학 @ RAON

��26

- 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


기초물리학 @ RAON

��27

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)


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 ?


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

Date post:	13-Mar-2021
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