이중-기묘핵(S = -2 핵)이란 원자핵 내에 두 개의 s-쿼크를 가진 입자들(ΛΛ or Ξ^-)을 포함하는 이중-Λ 하이퍼핵, Λ 하이퍼핵쌍 및 Ξ^--하이퍼핵 등을 말한다. 이러한 핵들은 원자핵 속에서 핵자-하이페론 또는 하이페론-하이페론과 같은 중입자-중입자 상호작용을 이해하는데 있어서 중요한 실험적인 정보를 제공해 줄 수 있으며, 최근에는 중성자별의 내부구조와 관련되어 주목을 받고 있다.

S = -2 핵들은 수명이 매우 짧아 그 비적이 수 μm 정도이기 때문에 공간분해능이 1 μm 이하이고 반응들의 3차원 모습을 볼 수 있는 원자핵건판으로 직접 관측할 수 있다.

한국 원자핵건판 그룹은 1980년대부터 K^-빔을 사용하여 이중-기묘핵을 탐색하여 왔다 (KEK E176 실험). 이 실험에서 1개의 가벼운 이중 Λ-하이퍼핵 반응과 2개의 Λ-하이퍼핵쌍이 관측되었다[1]. 후속 실험인 KEK E373 실험에서는 핵종이 유일하게 결정된 이중 Λ-하이퍼핵[2]과 깊이 구속된(deeply bound) Ξ^--핵이 처음으로 발견되었다[3]. 최근에는 더욱 많은 종류의 S = -2 핵들을 얻기 위해 J-PARC 가속기에서 E07 실험을 수행하고 있으며[4, 5], 본 논문에서는 이 실험을 통해서 원자핵건판 내에서 S = -2 핵들을 탐색하는 스캐닝 시스템 및 방법에 대해 소개하고자 한다.

J-PARC E07 실험은 KEK E373보다 10배 정도 데이터를 증가시켜서 핵종에 따른 S = -2 핵들을 연구하기 위한 목적으로 시작되었다. J-PARC 가속기의 1.8 GeV/c의 K^-빔을 사용하여 다이아몬드 표적 내부에서 준 자유 반응 K−+′p′→Ξ−+K+를 일으킨다. 이 빔은 3×106 K−/spill 정도이며, K−/π− 비율은 6보다 크므로 다량의 (K−, K+) 반응들을 만들 수 있다. 기본적인 실험 장치는 KEK E176 및 E373과 같지만, Hyperball-J 라는 Ge 검출기를 사용하여 들뜬 Ξ^- 원자에서 발생하는 X-ray를 검출할 수 있다는 점에서 차이가 있다.

원자핵건판 표적은 118개의 모듈(핵건판 뭉치)로 되어 있다. 하나의 모듈은 13장의 원자핵건판 필름으로 구성되어 있으며, 한 장의 필름은 플라스틱 베이스(두께 40 μm) 양쪽으로 에멀션젤이 500 μm 두께로 코팅되어 있고 크기는 35×34.5 cm² 이다.

S = -2 핵들을 탐색하기 위한 원자핵건판 스캐닝 장치는 기본적으로 SSD(Solid Strip Detector)가 예측하는 Ξ^- 입자들을 원자핵건판 내에서 찾아서 다음 건판으로 연결하여야 한다. SSD는 위치 분해능이 15 μm이고, 각 분해능이 20 mrad 정도인 매우 정밀한 전자공학적 검출기이다. SSD가 측정한 Ξ^-입자들의 위치와 각들의 정보를 이용하면 원자핵건판 내에서 Ξ^- 비적들을 찾을 수 있다.

따라서 SSD에 의해 예측된 Ξ^- 입자들의 위치 및 각들의 데이터가 호스트 컴퓨터에 저장되어 있어야 하고, 그 정보에 따라 현미경 스테이지가 원자핵건판 내에 존재하는 Ξ^- 입자들의 정확한 위치로 이동하여야 한다.

이를 위해 원자핵건판 스캐닝 장치는 현미경 스테이지를 이동시키는 모터 구동부, x, y, z 좌표를 읽을 수 있는 위치 측정부, 충분하고 균일한 밝기를 제공해 주는 LED 광원부, 비적 및 반응들의 이미지를 보기 위한 CCD 카메라, 그리고 이러한 기능들을 종합해서 스캐닝이 가능할 수 있도록 제어하는 on-line 프로그램들로 구성되어 있다.

Figure 1 (up)에서 보는 바와 같이, 현미경 스테이지는 스텝 모터(VEXTA PK566-NBC)와 제어 보드(aPCI-M59)로 구동되며, 입자 비적의 위치를 읽기 위한 선형 엔코더가 x, y (HEIDENHAIN LS 706C) 및 z 방향으로 부착되어 있다.

Figure 1. (Color online) Hardware diagram of the Emulsion scanning system (up) and Emulsion scanning system in GNU (down).

고속 CCD 카메라(SONY XC HR300)에 의해 획득한 영상들은 영상처리보드(VP910)에 연결되어 있다. 원자핵건판의 영상은 스테이지를 수평으로 20 μm 씩 이동시키면서 z-축(빔 방향)으로 3 μm 마다 이미지를 획득한다. 또한, 원자핵건판 내의 이미지 데이터를 기록 저장해야 하므로 대용량의 저장 장치가 부착되어 있다.

S = -2 핵들이 만들어지는 방법은 두 가지가 있는데 하나는 (K−, K+) 반응이며, 다른 하나는 Ξ^- 입자들의 정지 포획이다. KEK E176 실험의 결과 Ξ^- 포획반응이 (K−, K+) 반응보다 이중-기묘핵들을 더 많이 만들어낼 수 있다는 사실을 알았다[6]. 이에 따라 J-PARC E07 실험에서는 (K−, K+) 반응은 다이아몬드 표적 속에서 일어나고, 이 반응에서 만들어진 Ξ^- 입자들만 원자핵건판으로 들어오도록 설계되었다.

K−+′p′→Ξ−+K+ 반응에서 만들어진 Ξ^- 입자가 원자핵건판 내에서 정지하여 표적핵에 포획되면 핵 내의 양성자와 반응하여 Ξ−+p→Λ+Λ + 28 MeV 반응을 일으킨다. 따라서 Ξ^- 정지 포획점에서 이중-Λ 하이퍼핵과 같은 S = -2 핵들이 생성될 수 있다.

Figure 2에서 보는 것처럼 SSD에서 확인한 Ξ^- 입자의 정보(위치, 각도)로부터 제일 상류쪽의 원자핵건판에서 Ξ^- 입자의 비적을 찾는다. 이러한 SSD와 원자핵건판과의 비적들의 연결은 S = -2 핵들을 탐색하는 데 있어 매우 중요한 작업이다.

Figure 2. (Color online) Track following method: Connection Ξ^- track to the emulsion plate using SSD information and following down the track to the end of Ξ^- stopping point.

만일 원자핵건판 내에서 Ξ^- 비적이 찾아지면 이 비적을 하류쪽으로 따라간다 (follow down). 그리고 계속해서 다음 건판으로 이동하면서 Ξ^- 비적을 추적하며 동시에 이미지들을 획득한다. 그 후, Ξ^- 비적이 원자핵건판 내에서 정지하게 되면 정지점 주변을 자세하게 관찰한다. 만일 Ξ^- 정지 포획점에서 3개의 정점들(vertices)을 가진 반응이 발견되면 S = -2 핵의 후보 반응들이라 할 수 있다. 이러한 방법을 ‘비적 추적법’(Track following method)이라 부른다.

위에서 설명한 비적 추적법은 주로 'p′(K−, K+)Ξ− 반응들을 검출하게 되며, 원자핵건판 뒤에 위치해 있는 스펙트로미터가 K0 중간자와 같은 중성 입자들을 확인하지 못하기 때문에 'n′(K−, K0)Ξ− 반응을 검출하기 어렵다.

따라서 스펙트로미터의 정보에 의존하지 않고 순전히 원자핵건판 전체 면적을 모두 스캐닝 함으로써 검출하지 못한 'n′(K−, K0)Ξ− 반응과 'p′(K−, K+)Ξ− 반응에서 놓친 Ξ^- 입자들을 찾아내려는 시도가 ‘전면 탐색법’(Overall scanning method)이다.

이 경우 비적 추적법보다 약 1,000배 넓은 면적을 판독해야 하므로 현재 스캐닝 속도보다 더욱 빠른 스캐닝이 요구된다.

이를 위해 화상 처리기법의 개발과 배율이 작은 대물렌즈를 사용한다. E373 실험에서는 이머션 오일을 사용한 50배 배율의 대물렌즈를 사용하여 스캐닝하였으나 E07 실험에서는 더 넓은 시야의 대물렌즈(20배)를 사용하여 스캐닝 속도를 높이게 된다.

그리고 전면 탐색법에 사용하는 화상 처리과정은 다음과 같다 (Fig. 3 참조). ① 원본 화상(512×240 화소)을 ② 1/4로 축소하고 Gaussian 필터링한다. ③ 명암을 증가시킨 후, ④ 6 × 5 필터링하고 이진화하여 화면을 디지털화하고 두꺼운 비적을 세선화(thinning)한다. ⑤ Contour tracing으로 필요없는 배경 비적들을 제거한다. ⑥ 허프 변환을 통하여 직선 비적을 추출하고, 직선 비적이 교차되는 지점을 정점으로 정의한다. 최종적으로 정점이 3개인 반응들을 선별한다 (S = -2 핵의 후보 반응). 전면 탐색법은 이러한 과정을 통해서 대용량의 이미지 데이터(140 PB)를 off-line 분석하게 되는 것이다.

Figure 3. Image processing for the Overall scanning method.

이러한 탐색법으로 관측된 Ξ^- 정지 포획반응들은 그 모양에 따라 다음과 같이 분류된다. Ξ^- 정지점에서 비적들(주로 핵파편들)이 하나도 없는 반응을 ‘ρ-stop’, 하나 이상의 비적을 가지는 반응을 ‘σ-stop’, 그리고 Ξ^- 입자가 진행하는 도중에 Ξ−→Λπ−로 붕괴하는 ‘Decay’, K^- 빔이 원자핵건판 속의 표적핵과 충돌하는 ‘Beam Interaction’, Ξ^- 입자가 진행하면서 표적핵과 충돌하는 ‘Secondary Interaction’ 등이 있다. 이 중에서 우리가 탐색하고자 하는 S = -2 핵들은 σ-stop에 속한다.

Figure 4에는 σ-stop 중에서 정점(vertex)이 각각 1개, 2개, 3개를 가진 반응들(왼쪽부터)의 샘플이 나타나 있다. 왼쪽에서 첫 번째 반응은 Ξ^- 정지 포획점만 있는 일반적인 σ-stop에 해당하며, 정지점에서 발생하는 비적들은 주로 표적핵의 파편들이다. 가운데 반응은 두 개의 정점을 가진 반응으로 첫 번째 정점인 Ξ^- 정지점에서 단일-Λ 하이퍼핵이 발생하고 두 번째 정점에서 붕괴하는 반응이다. 세 번째 반응을 자세히 보면 세 개의 정점들을 볼 수 있는데, 첫 번째 정점에서 이중-Λ 하이퍼핵이 형성되어 방출되고 두 번째 정점에서 단일-Λ 하이퍼핵이 방출되며 세 번째 정점에서는 이 핵이 붕괴되는 모습을 보여준다. 이러한 3개의 정점을 가진 반응이 우리가 탐색하고자 하는 S = -2 핵의 후보가 될 수 있는 것이다.

Figure 4. (Color online) σ-stop with 1 vertex (left), that with 2 vertices (middle) and that with 3 vertices (right).

지금까지 비적 추적법에 의해 검출된 반응들의 개수는 한 모듈당 Decay와 ρ-stop이 각각 100개 정도였다. 그리고 모듈 전체에서는 33개의 이중-Λ 하이퍼핵 및 Λ 하이퍼핵쌍 후보 반응들을 찾았으며 현재 분석 중에 있다.

공간 분해능이 매우 우수한 원자핵건판은 비적이 짧은 S = -2 핵들을 탐색하기에 가장 적합한 검출기이다. 이 핵들을 탐색하기 위해 비적 추적법과 전면 탐색법을 사용하였는데, 비적 추적법은 원자핵건판 내에서 Ξ^- 입자들을 선별하여 따라가서 정지 포획점을 자세히 관찰하는 방법이며, 전면 탐색법은 건판 내의 모든 이미지들을 스캐닝한 후 화상 처리기법을 사용하여 S = -2 핵의 특징인 세 개의 정점을 가진 반응을 선별하는 방법이다. 만일 이러한 방법들로 다량의 S = -2 핵들을 관측할 수 있다면 핵의 종류에 따른 Λ-Λ 상호작용과 Ξ^--N 상호작용에 대한 정보를 얻을 수 있을 것이다.

본 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었습니다 (No. 2022R1A2C1006203).