저항판 검출기를 이용한 뮤온 트리거 검출기 개발 및 특성 평가

Abstract

미국 Brookhaven National Laboratory의 PHENIX실험은 Relativistic Heavy Ion Collider(RHIC)가속기를 이용하여 핵 및 양성자 충돌 실험을 하고 있다. 그 중 양성자를 질량 중심 에너지 500GeV에서 충돌시킬 때 나오는 입자 중 W입자의 붕괴로부터 생성되는 뮤온 입자의 검출이 양성자의 스핀을 분석함에 있어서 중요한 요소로 작용하게 된다. 따라서 뮤온 입자를 빠른 시간 안에 검출할 수 있는 저항판 검출기를 제작하고, 그 성능을 평가하였다. 일반적으로 저항판 검출기는 입사 입자에 대해 매우 빠른 반응과 함께 좋은 시간 분해능, 높은 검출효율을 갖고 있으며, 무엇보다도 저렴한 제작비용으로 인해 현재 많은 입자 물리 실험에 이용되고 있다. 본 논문에서는 이중 간극 저항판 검출기를 제작 및 평가하는 과정을 상세히 다루고, 제작하기에 앞서 필요한 가스 누출율 테스트, 고전압 테스트, Spacer pop up 테스트 등의 과정을 설명하였다. 검출기를 만드는 과정에서 장기간 안정적인 동작 특성을 유지할 수 있도록, 신호 케이블의 단락이 일어날 수 있는 부분, 스파크가 튈 수 있는 전기적으로 약한 부분들을 사전에 확인하여 보호할 수 있도록 제작하였으며, PHENIX North 및 South Muon Arm 뒤에 들어가는 RPC Station 3에 설치될 A, B, C모듈을 각각 Station별로 16개씩 제작하였고, 그 동작 특성을 평가하였다. 제작된 모듈은 전기적 잡음률, 우주선으로부터의 뮤온 입자에 대한 검출 효율, Cluster size 등의 항목에 대해 평가를 받게 되며, PHENIX의 Data acquisition system과 ROOT 프로그램을 이용하여 결과를 분석하였다. 총 48개의 모듈은 QA와 Debugging을 통해 모든 모듈이 PHENIX에서 요구하는 조건을 만족하였으며, Station 3 North의 경우 2009년 11월에 PHENIX 실험에 설치 완료되어 현재 Run11에서 운영을 위한 준비 중에 있다. 덧붙여 Station 3 South 또한 Run11에서의 운영을 위해 PHENIX 실험에 설치를 위한 사전 준비 중이며, 본 연구를 기반으로 하여 다양한 분야에 활용을 확대할 수 있을 것으로 기대한다.; The PHENIX Experiment is the largest of the four experiments that have taken data at the Relativistic Heavy Ion Collider. PHENIX, the Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment, is an exploratory experiment for the investigation of high energy collisions of heavy ions and protons. PHENIX is designed specifically to measure direct probes of the collisions such as electrons, muons, and photons. The primary goal of PHENIX is to discover and study a new state of matter called the Quark-Gluon Plasma. Among many particles, muons coming from W-boson decay gives us key information to analyze the spin of proton. Resistive plate chambers are proposed as a suitable solution as a muon trigger because of their fast response and good time resolution, flexibility in signal readout, robustness and the relatively low cost of production. The RPC detectors for upgrade were assembled and their performances were evaluated. The procedure to make the detectors better was optimized and described in detail in this thesis. The code based on ROOT was written and by using this the performance of the detectors made was evaluated, and all of the modules for north muon arm met the criteria and installation at PHENIX completed in November 2009. As RPC detectors that we made showed fast response, capacity of covering wide area with a resonable price and good spatial resolution , this will give the opportunity for applications, such as diagnosis and customs inspection system.