NICA SPD 프로젝트: 스핀 물리 탐구와 새로운 검출기 설계

초록

NICA 가속기 내에 설치될 스핀 물리 검출기(SPD)는 편극된 양성자·중수소 빔을 이용해 √s ≤ 27 GeV, L ≈ 10³² cm⁻² s⁻¹ 조건에서 글루온 TMD, 글루온 헬리시티, 글루온 전이성 및 중수소 텐서 파트론 분포 등을 정밀 측정한다. 챠르몬리, 개방형 챠름, 고‑p_T γ와 같은 다중 프로브를 활용하며, 2024‑2030년 차례로 1단계 구축·운용을 목표로 한다.

상세 분석

SPD 프로젝트는 현대 핵·입자 물리학이 직면한 “프로톤 스핀 위기”를 해결하기 위한 전략적 시도다. 기존 DIS·SIDIS 실험이 제공한 제한된 x‑범위와 큰 불확실성을 보완하기 위해, SPD는 중간‑고에너지(√s ≤ 27 GeV)에서 편극된 양성자·중수소 충돌을 이용해 글루온의 전이운동량 의존 분포(TMD PDF)와 헬리시티(Δg(x))를 직접 접근한다. 특히, 글루온 Sivers 함수와 같은 TMD는 현재 실험적 제약이 거의 없으며, SPD는 전이 스핀 비대칭(SSA) 측정을 통해 최초로 정량화할 수 있다.

핵심 물리 프로브는 세 가지이다. 첫째, J/ψ·ψ(2S) 등 챠르몬리의 전산화 생산은 gg → Q\bar{Q} 과정이 지배적이므로 글루온-글루온 융합에 대한 민감도가 높다. 둘째, D‑meson(개방형 챠름) 생산은 gq → c\bar{c}q와 같은 하드 프로세스를 통해 글루온 분포와 편극을 탐색한다. 셋째, 고‑p_T γ(프롬프트 포톤) 생산은 qg → qγ와 같은 1‑order QCD 과정이 주도하므로 글루온 헬리시티의 부호와 크기를 독립적으로 검증할 수 있다. 이러한 프로브들은 서로 보완적인 kinematic 영역(특히 x ≈ 0.1‑0.7, Q² ≈ several GeV²)에서 교차 검증이 가능하도록 설계되었다.

SPD는 또한 중수소의 텐서 편극을 이용해 새로운 텐서 파트론 분포(b₁, h₁ᵗ 등)를 측정한다. 현재까지는 b₁만이 실험적으로 확인됐으며, 텐서 편극된 중수소 빔을 고에너지에서 충돌시킴으로써 글루온 전이성(전이 스핀 1) 존재 여부를 직접 탐색한다. 이는 “글루온 전이성은 스핀‑½ 입자에 존재하지 않는다”는 전통적 가설에 대한 중요한 검증이 된다.

기술적 측면에서 SPD는 4π 전방위 검출을 목표로, 실리콘 버텍스 디텍터(SVD), 스트로우 튜브 트래커, 1 T 솔레노이드 마그넷, 고해상도 TOF(≈60 ps), F‑ARICH, 전자기 칼로리메터(ΔE/E ≈ 5%/√E) 및 뮤온 레인지 시스템을 통합한다. 특히, SVD는 D‑meson 2차 버텍스 재구성을 위해 <100 µm 위치 정확도를 제공하며, TOF와 ARICH는 1‑2 GeV/c 범위에서 π/K/p 구분을 가능하게 한다. 데이터 수집은 트리거리스(Free‑Running) DAQ 체계로 4 MHz 충돌률을 처리하도록 설계돼, 대용량 온라인 필터링 및 분산 오프라인 분석 파이프라인이 필수적이다.

NICA 자체는 13.5 GeV(양성자)·6.75 GeV(중수소)까지의 편극 빔을 제공하며, L ≈ 10³² cm⁻² s⁻¹의 높은 휘도는 RHIC와 비교해 중간 에너지 구간에서 경쟁력을 갖춘다. SPD는 첫 단계에서 낮은 휘도와 √s < 9 GeV 조건으로 시작해, 점진적으로 에너지·휘도를 확대한다. 이는 초기 물리 프로그램(탄성 pp·dd, 하이퍼온·다중쿼크 레조넌스, 임계 근처 챠르몬리 생산 등)과 장기 목표(글루온 TMD, 전이성, 텐서 구조) 사이의 원활한 전이를 보장한다.

전반적으로 SPD는 기존 DIS·SIDIS·RHIC 결과와의 연계성을 확보하면서, 새로운 편극 빔·고휘도·다중 프로브 전략을 통해 글루온 스핀·전이성 물리의 미지 영역을 개척한다. 이는 전 세계적인 스핀 물리 로드맵(예: EIC, EicC)과 상호 보완적이며, 특히 중수소 텐서 편극을 활용한 최초의 고에너지 실험으로서 독자적인 과학적 가치를 제공한다.