페르미랩의 프로토타입 검출기에서 세계 최초로 중성미자 관찰

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The neutrino is perhaps the best-named particle in the Standard Model of Particle Physics: it is tiny, neutral, and weighs so little that no one has been able to measure its mass

중성미자는 아마도 입자 물리학의 표준 모형에서 가장 잘 알려진 입자일 것입니다. 중성미자는 작고 중성이며 무게가 너무 작아서 누구도 질량을 측정할 수 없었습니다.

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사진출처) Lawrence Berkeley National Laboratory

 

고심도 지하 중성미자 실험(Deep Underground Neutrino Experiment, 이하 DUNE)의 주요 단계로, 미국 에너지부의 페르미랩(페르미 국립 가속기 연구소, Fermilab)에서 DUNE 프로토타입 입자 검출기를 사용하여 세계 최초로 중성미자를 검출했다고 합니다.

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DUNE의 새로운 프로토타입 검출기의 핵심이 되는 혁신적인 신기술은 로렌스 버클리 국립 연구소(이하 버클리 랩) 물리학자와 엔지니어 팀이 구상, 설계, 제작하여 올해 초 페르미랩에 설치한 혁신적인 엔드투엔드(End-to-End) 픽셀형 센서 및 전자 시스템인 LArPix로, 진정한 3D로 중성미자 현상을 이미지화할 수 있는 기술입니다.

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현재 건설 중인 DUNE은 세계에서 가장 포괄적인 중성미자 실험이 될 것입니다. 이를 통해 과학자들은 중성미자 연구의 새로운 영역을 탐구하고 물질의 기원을 찾고 초신성과 블랙홀 형성에 대해 더 많이 알아내는 등 우주의 가장 큰 물리학 미스터리를 해결할 수 있을 것입니다.

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DUNE에는 새로운 설계와 기술이 적용될 예정이므로 과학자들은 최종 검출기 설치를 준비하기 위해 프로토타입 장비와 부품을 테스트하고 있습니다. 지난 2월, DUNE 팀은 페르미랩의 기존 중성미자 빔라인 경로에 최신 프로토타입 검출기 설치를 완료했습니다. 7월 10일, 연구팀은 프로토타입 검출기에서 가속기에서 생성된 중성미자를 최초로 기록하는 데 성공했으며, 이는 설계 검증을 위한 단계라고 발표했습니다.

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"이것은 이 기술의 잠재력을 보여주는 정말 중요한 이정표입니다."라고 모듈 설치를 조정한 페르미랩의 과학자 루이스 수터(Louise Suter)가 말했습니다. "탐지기를 설계, 제작 및 설치하는 데 들인 노력이 검증되어 매우 기쁩니다."

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버클리 랩은 페르미랩 부지에 건설될 DUNE의 근접 검출기 단지의 일부인 새로운 중성미자 검출 시스템의 엔지니어링을 통합하여 주도하고 있습니다. 4개의 모듈이 정사각형으로 배열되어 있어 2×2 프로토타입으로 알려진 이 시스템은 액체 아르곤 시간 투영 챔버로 입자 궤적을 기록합니다.

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버클리 랩의 중성미자 물리학 그룹 책임자이자 새로운 시스템의 설계 및 제작에 핵심 요소를 제공한 ND-LAr 컨소시엄의 기술 책임자인 댄 드와이어(Dan Dwyer)는 "DUNE은 고강도 환경을 견딜 수 있는 액체 아르곤 TPC(LArTPC) 검출기가 필요했지만 이는 불가능하다고 생각했습니다."라고 말했습니다. "LArPix의 발명으로 LBNL의 우리 팀은 꿈을 현실로 만들었습니다. 현재 DUNE에 설치된 2×2 데몬스트레이터(Demonstrator)는 진정한 3D 판독과 높은 커버리지의 광 검출기를 결합하여 혁신적인 입자 검출기를 만들어 냈습니다."

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버클리 랩의 체임벌린 박사후연구원(Postdoctor Fellow)이자 현재 MIT의 닐과 제인 파팔라도(Neil and Jane Pappalardo) 물리학 특별 연구원인 브룩 러셀(Brooke Russell)은 2×2 프로토타입의 개발에 중요한 역할을 담당했습니다. 그녀는 "약 4밀리미터 단위로 337,000개 이상의 전하 감응 픽셀이 있는 최초의 검출기"라고 설명합니다. 버클리 연구소는 코로나19 팬데믹 기간 동안 엔드투엔드 픽셀 전하 판독 시스템의 설계, 구축 및 테스트를 주도했습니다.

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러셀은 "중성미자 빔에서 2×2 프로토타입을 작동하면 중성미자 상호작용 측정을 위한 고충실도, 본질적으로 3D LArTPC 이미지의 새로운 시대가 열릴 것입니다."라고 말했습니다.

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DUNE 근접 검출기의 최종 버전에는 프로토타입보다 더 큰 35개의 액체 아르곤 모듈이 탑재될 예정입니다. 이 모듈은 근거리에서 예상되는 중성미자의 엄청난 흐름을 탐색하는 데 도움이 될 것입니다.

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2×2 프로토타입은 DUNE 실험의 독특한 조건을 처리하기 위해 새로운 정밀한 최첨단 중성미자 이미징 체제를 가능하게 하는 새로운 기술을 구현합니다. 버클리 랩 연구팀이 개발한 밀리미터 크기의 픽셀 판독 시스템을 통해 대규모로 고정밀 3D 이미징을 할 수 있습니다. 이는 모듈식 설계와 결합되어 이 프로토타입이 ICARUS 및 MicroBooNE과 같은 이전의 중성미자 검출기와 차별화됩니다.

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2×2 프로토타입은 DUNE 실험에서 분석하고 발표할 수 있는 세계 최초의 가속기 중성미자 데이터를 제공합니다.

 

사진출처) Lawrence Berkeley National Laboratory

 

DUNE은 수백 마일 떨어진 두 곳으로 나뉘어 있습니다. 시카고와 가까운 페르미랩에서 발생한 중성미자 빔은 페르미랩에 위치한 입자 검출기를 통과한 후 800마일(1,287km)을 이동하여 사우스다코타에 있는 샌포드 지하 연구 시설(SURF)의 여러 대형 검출기에 도달합니다.

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페르미랩의 DUNE 검출기는 중성미자 빔이 매우 강렬하게 방출되는 원점에 가까운 곳에서 중성미자 빔을 분석할 예정입니다. 공동 연구자들은 이 근접 검출기가 초당 약 50회의 상호작용을 기록할 것으로 예상하고 있으며, 이는 DUNE의 예상 운영 기간 동안 수억 건의 중성미자 검출에 달할 것으로 예상하고 있습니다. 과학자들은 또한 중성미자의 반물질인 반중성미자를 연구하는 데에도 DUNE을 사용할 것입니다.

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가속기에서 생성된 중성미자와 반중성미자의 전례 없는 흐름은 DUNE의 야심찬 과학 목표를 가능하게 할 것입니다. 물리학자들은 DUNE의 근거리 및 원거리 검출기로 입자를 연구하여 중성미자 진동으로 알려진 현상인 입자가 이동하면서 유형이 어떻게 변하는지에 대해 자세히 알아볼 것입니다. 물리학자들은 중성미자 진동과 반중성미자 진동 사이의 차이를 찾아 중성미자가 우주에서 물질의 확산에 영향을 주는지 확인하기 위해 CP 위반으로 알려진 대칭성 깨짐의 증거를 찾을 것입니다.

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DUNE 공동연구는 200개 이상의 연구 기관에서 1,400명 이상의 과학자와 엔지니어로 구성되어 있습니다. 이 중 약 40개 기관이 근접 검출기를 연구하고 있습니다. 특히 2×2 프로토타입의 하드웨어 개발은 스위스 베른 대학교, DOE의 페르미랩, 버클리 연구소, SLAC 국립 가속기 연구소가 주도했으며 많은 대학에서 상당한 기여를 했습니다.

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"2×2 데몬스트레이터는 진정한 사랑의 노동이었습니다."라고 드와이어(Dwyer)는 이야기합니다. "이 새로운 기술이 뛰어난 입자 검출기로 결합될 수 있는 가능성을 본 것은 소수의 헌신적인 팀에서 시작되었습니다. 이제 프로젝트가 진행되고 있는 지금, 그 결과는 매우 인상적이며 2×2 데몬스트레이터의 멋진 이미지는 우리가 올바른 방향으로 가고 있음을 증명합니다."

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모듈형 설계의 개념에서 시작하여 4개의 모듈을 조립하고 테스트한 베른 대학교의 교수이자 새로운 입자 검출 시스템의 개발을 주도한 미셸 웨버(Michele Weber)는 "이렇게 고강도 빔에서 중성미자를 측정하기 위해 개발한 기술이 성공하는 것을 보게 되어 매우 기쁩니다."라고 말했습니다. "여러 중성미자 상호작용을 동시에 기록하는 이 기술의 성공적인 시연은 DUNE 액체 아르곤 근접 검출기의 건설을 위한 길을 열어줄 것입니다."

 

사진출처) Lawrence Berkeley National Laboratory

 

향후 계획

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2×2 프로토타입의 테스트는 혁신적인 설계와 기술이 근접 검출기의 요구 사항을 충족하는 데 대규모로 효과적이라는 것을 입증하는 데 필요합니다. 높은 비율의 중성미자와 반중성미자를 검출할 수 있는 모듈형 액체 아르곤 검출기는 이전에 제작되거나 테스트된 적이 없었습니다.

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기존 페르미랩 빔라인은 테스트에 이상적인 장소이며 연구자들이 이 신비한 입자를 측정할 수 있는 흥미로운 기회를 제공합니다. 현재 "반중성미자 모드"로 가동 중이므로 DUNE 과학자들은 2×2 프로토타입을 사용하여 반중성미자와 아르곤 사이의 상호 작용을 연구할 것입니다.

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반중성미자가 아르곤 원자에 부딪히면 아르곤으로 채워진 근접 검출기에서와 마찬가지로 상호 작용하여 다른 입자를 생성합니다. 프로토타입은 어떤 종류의 입자가 얼마나 자주 생성되는지 관찰할 것입니다. 이러한 반중성미자 상호작용을 연구함으로써 과학자들은 중성미자 및 반중성미자 진동을 DUNE과 비교할 수 있게 될 것입니다.

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2×2 프로토타입의 첫 번째 실행 코디네이터이자 프로토타입의 새로운 판독 시스템을 개발한 버클리 연구소의 체임벌린 박사후연구원(Postdoctoral Fellow)인 케빈 우드(Kevin Wood)는 "이 데이터를 분석하는 것은 초기 경력 과학자들이 경험을 쌓을 수 있는 좋은 기회입니다"라고 말했습니다. "2×2 프로토타입으로 이미지화된 중성미자 상호작용은 대학원생, 박사후 연구원 및 기타 젊은 공동 연구자들이 DUNE의 온라인화를 계속 준비하면서 분석할 수 있는 매우 기대되는 데이터 세트를 제공할 것입니다."

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DUNE 공동 연구팀은 몇 달 동안 2×2 프로토타입에 페르미랩 빔의 중성미자를 조사할 계획입니다.

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이탈리아 볼로냐 대학의 물리학 교수이자 브룩헤이븐 국립연구소의 메리 비샤이(Mary Bishai)와 함께 DUNE의 공동 대변인을 맡고 있는 세르지오 베르톨루치(Sergio Bertolucci) 교수는 "2×2 팀과 DUNE 협업 전체에 있어 매우 흥미로운 이정표가 될 것입니다. 이것이 DUNE을 위한 많은 중성미자 협업 연구 중 첫 번째가 되기를 바랍니다."라고 말했습니다.

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※ 기사 내용 참조

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[PHYS.ORG] Scientists observe first neutrinos with prototype detector | by Marsha Fenner, Lawrence Berkeley National Laboratory | August 12, 2024 | https://phys.org/news/2024-08-scientists-neutrinos-prototype-detector.html

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