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슈퍼 가미오칸데

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목차

1. 개요

슈퍼 가미오칸데는 일본 기후현에 위치한 지하 관측소로, 중성미자 연구를 위한 대형 검출기이다. 1983년 완공된 가미오칸데를 계승하여, 1996년부터 가동을 시작했다. 중성미자 진동 현상을 최초로 관측하여 중성미자가 질량을 가진다는 것을 밝혀냈으며, 이 공로로 카지타 타카아키가 2015년 노벨 물리학상을 수상했다. 이후 여러 차례 업그레이드를 거쳐왔으며, 현재는 초신성 폭발에서 발생하는 반중성미자를 감지하기 위한 SK-Gd 프로젝트를 진행하고 있다. 슈퍼 가미오칸데는 중성미자 진동 연구, 태양 중성미자 문제 해결, 초신성 폭발 감시 등 다양한 연구를 수행하며, 차세대 검출기인 하이퍼 가미오칸데 건설도 추진하고 있다.

2. 역사

가미오칸데의 모형


1982년 도쿄 대학우주선 연구소는 가미오카 관측소의 전신인 시설 건설을 시작하여 1983년 4월에 완료했다. 이 시설의 목적은 양성자 붕괴 현상의 존재 여부를 확인하는 것이었다.[6][7][8][9][10]

가미오카 핵자 붕괴 실험(KamiokaNDE) 검출기는 높이 16m, 너비 15.6m의 탱크 형태로, 3058ton의 순수한 물과 약 1,000개의 광전자 증배관(PMT)을 포함하고 있었다. 1985년부터 태양 중성미자를 관찰할 수 있도록 성능이 향상되었고, 1987년 초신성 SN 1987A에서 발생한 초신성 중성미자를 검출했으며, 1988년에는 태양 중성미자를 관측하는 데 성공했다.

가미오칸데는 중성미자 천문학 발전에 중요한 기여를 했지만, 건설의 주된 목표였던 양성자 붕괴는 발견하지 못했다. 이러한 이유로 더 큰 규모의 검출기인 슈퍼 가미오칸데 건설이 추진되었다.

1991년 일본 문부과학성은 슈퍼 가미오칸데 프로젝트를 승인했고, 미국 에너지부도 건설을 지원했다.[21] 1996년 가동을 시작한 슈퍼 가미오칸데는 1998년 중성미자 진동의 첫 번째 증거를 발표했다.[11] 2015년 노벨 물리학상은 중성미자 진동을 확인한 공로로 카지타 타카아키와 아서 B. 맥도날드에게 수여되었다.

2001년에는 광전자 증배관 파손 사고가 발생했지만[12], 이후 검출기를 부분적으로 복구했다. 2006년에는 검출기를 원래 형태로 복원했으며, 이후 여러 차례 성능 개선을 위한 업그레이드가 진행되었다. 2020년에는 가돌리늄을 추가하여 초신성 폭발에서 발생하는 반중성미자 검출 능력을 향상시키는 슈퍼KGd 프로젝트가 시작되었다.[14]

슈퍼 가미오칸데 건설에는 다음과 같은 여러 기업들이 참여했다.

  • 굴착: 미쓰이 금속 광업[68]
  • 수조 건설: 미쓰이 조선[69]
  • 데이터 처리 시스템 구축: 후지쯔[70]
  • 초순수 공급 장치: 오르가노[71]
  • 대구경 광전자 증배관 제작: 하마마츠 포토닉스[72]


1994년 7월 공동 굴착 공사가 완료되었고,[73] 1995년 중반에 탱크 건설이 완료되었다. 같은 해 6월부터 12월까지 광전자 증배관 설치 및 전자 회로 연결 작업이 진행되었다. 이후 2개월 이상에 걸쳐 5만 톤의 탱크를 초순수로 채우는 작업이 진행되었고, 1996년 4월 1일 0시에 슈퍼 가미오칸데가 완공되었다.

2. 1. 가미오칸데



현재의 가미오카 관측소의 전신인 도쿄 대학우주선 연구소의 건설은 1982년에 시작되어 1983년 4월에 완료되었다. 이 관측소의 목적은 기본 입자 물리학의 가장 근본적인 질문 중 하나인 양성자 붕괴의 존재 여부를 감지하는 것이었다.[6][7][8][9][10]

가미오카 핵자 붕괴 실험(KamiokaNDE)으로 명명된 검출기는 높이 16m, 너비 15.6m의 탱크였으며, 3058ton의 순수한 물과 내부 표면에 부착된 약 1,000개의 광전자 증배관(PMT)이 포함되어 있었다. 이 검출기는 1985년부터 태양 중성미자를 관찰할 수 있도록 업그레이드되었다. 그 결과, 검출기(KamiokaNDE-II)는 1987년 2월에 대마젤란 성운에서 관측된 초신성 SN 1987A에서 10개의 초신성 중성미자를 감지하고 1988년에 태양 중성미자를 관측할 수 있을 만큼 충분히 민감해졌다. Kamiokande 실험이 태양 중성미자 탄성 산란 상호 작용에서 생성된 전자의 방향을 관찰할 수 있는 능력은 실험자들이 태양이 중성미자의 근원임을 처음으로 직접 증명할 수 있게 했다.

Kamiokande는 중성미자 천문학 및 중성미자 천체 물리학에서 발견을 했지만, 건설의 주된 목표인 양성자 붕괴는 감지하지 못했다. 그러한 관측이 없었기 때문에 잠재적인 양성자 붕괴의 반감기를 멀리 밀어내어 그러한 붕괴를 허용하는 일부 대통일 이론 (GUT) 모델을 제거했다. 다른 모델은 더 희귀한 붕괴를 통해 더 긴 반감기를 예측한다.

그러한 붕괴를 감지할 가능성을 높이기 위해 더 큰 검출기가 필요했다. 또한 다른 감지에서 더 높은 통계적 신뢰도를 얻기 위해 더 높은 감도가 필요했다. 이로 인해 Kamiokande보다 15배 더 많은 물 부피와 10배 더 많은 PMT를 가진 슈퍼-가미오칸데의 설계 및 건설로 이어졌다.

2. 2. 슈퍼 가미오칸데 건설

가미오칸데는 양성자 붕괴 현상을 관측하기 위해 건설되었으나, 양성자 붕괴는 발견되지 않았다. 하지만, 중성미자 천문학 및 중성미자 천체 물리학에서 여러 발견을 이루어냈다. 특히 1987년에는 SN 1987A에서 발생한 초신성 중성미자를 10개 검출하고, 1988년에는 태양 중성미자를 관측하여 태양이 중성미자의 근원임을 실험적으로 증명하였다.[6]

그러나 가미오칸데는 양성자 붕괴 관측에는 한계가 있었고, 다른 관측에서도 더 높은 통계적 신뢰도를 확보하기 위해 더 큰 검출기가 필요했다. 이에 따라 가미오칸데보다 15배 더 많은 물과 10배 더 많은 광전자 증배관(PMT)을 사용하는 슈퍼 가미오칸데 건설이 추진되었다.

슈퍼 가미오칸데 프로젝트는 1991년 일본 문부과학성에서 승인되어 약 1억달러의 예산이 투입되었다. 미국의 에너지부에서도 1993년에 300만달러를 지원하고, 어바인–미시간–브룩헤븐 (검출기)(IMB 실험)에서 사용했던 20cm PMT 2000개를 제공하였다.[21]

슈퍼 가미오칸데 건설에는 여러 기업들이 참여하였다.

  • 굴착: 미쓰이 금속 광업[68]
  • 수조 건설: 미쓰이 조선[69]
  • 데이터 처리 시스템 구축: 후지쯔[70]
  • 초순수 공급 장치: 오르가노[71]
  • 대구경 광전자 증배관 제작: 하마마츠 포토닉스[72]


1994년 7월 공동 굴착 공사가 완료되었고[73], 1995년 중반에 탱크 건설, 1995년 6월부터 12월까지 광전자 증배관 설치 및 전자 회로 연결 작업이 진행되었다. 이후 2개월간 5만 톤의 탱크를 초순수로 채워 1996년 4월 1일 0시에 슈퍼 가미오칸데가 완공되었다.

2. 3. 슈퍼 가미오칸데 I, II, III, IV, V

슈퍼 가미오칸데는 여러 단계의 운영 기간을 거쳤으며, 각 단계는 특징적인 실험 조건과 성과를 가지고 있다.

슈퍼 가미오칸데 운영 단계
단계기간광전자 증배관 (PMT) 수주요 특징 및 사건
SK-I1996년 4월 ~ 2001년 7월11,146개 (40%)
SK-II2002년 10월 ~ 2005년 10월5,182개 (19%)
SK-III2006년 7월 ~ 2008년 9월11,129개 (40%)
SK-IV2008년 9월 ~ 2018년 6월11,129개 (40%)
SK-V2019년 1월 ~ 현재11,129개 (40%)



각 단계별 특징을 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다.


  • SK-I: 1996년 가동을 시작하여 중성미자 연구에 획기적인 성과를 거두었다. 특히 1998년 중성미자 진동의 첫 증거를 발견하여 카지타 타카아키 교수가 2015년 노벨 물리학상을 수상하는 데 결정적인 역할을 했다.[11]
  • SK-II: 2001년 발생한 광전자 증배관 파손 사고[12]로 인해, 원래 개수의 절반 정도인 5,182개의 광전자 증배관으로 운영되었다.[15] 이 사고는 충격파에 의한 연쇄 파괴가 원인으로 추정되며, 이후 방폭 조치가 이루어졌다.[76][77][78][79]
  • SK-III: 파손된 광전자 증배관을 모두 복구하여[74] 원래 설계대로 운영된 시기이다.
  • SK-IV: 전자기기 업그레이드를 통해 데이터 처리 능력이 향상되었으며, T2K 실험의 원거리 검출기로 활용되었다.
  • SK-V: 2018년 대규모 개보수를 거쳐[82] 2019년부터 가동을 재개했다. 특히 2020년부터는 가돌리늄을 첨가하여[14] 초신성 폭발에서 발생하는 반중성미자 관측 능력을 획기적으로 개선하는 SK-Gd 프로젝트가 시작되었다.[14]

3. 구조

슈퍼-K는 히다시 가미오카 지역의 모즈미 광산 지하 1000m에 있는 거대한 검출기이다.[4][5] 높이 41.4m, 지름 39.3m의 원통형 스테인리스 스틸 탱크로, 내부에 50,220톤의 초순수가 채워져 있다.

탱크 내부는 스테인리스 스틸 구조물에 의해 내부 검출기(ID)와 외부 검출기(OD)로 나뉜다.


  • 내부 검출기(ID): 높이 36.2m, 지름 33.8m의 공간으로, 11,146개의 지름 50cm 광전자 증배관(PMT)이 설치되어 중성미자 반응으로 발생하는 빛을 감지한다.
  • 외부 검출기(OD): ID를 둘러싼 나머지 공간으로, 1,885개의 20cm PMT가 설치되어 ID에서 감지되지 않은 입자를 탐지하거나 배경 방사선을 측정한다.


ID와 OD는 타이벡과 검은 시트로 된 장벽으로 빛이 섞이지 않도록 분리되어 있다.

중성미자가 물과 반응하면 체렌코프 복사라는 특수한 빛이 발생한다. 이 빛은 음속 폭음과 유사한 현상으로, 물속에서 빛보다 빠른 입자가 생성될 때 발생한다. 체렌코프 빛은 원뿔 형태로 퍼져나가 검출기 벽에 원형으로 투사되고, PMT는 이 빛의 정보(시간, 전하량)를 기록하여 중성미자의 종류와 반응 위치를 파악한다. 링 가장자리의 선명도에 따라 입자 유형을 구분할 수 있는데, 산란이 많은 전자는 흐릿한 링을, 상대론적 뮤온은 선명한 링을 만든다.

3. 1. 물탱크

슈퍼-K는 높이 41.4m, 지름 39.3m의 원통형 스테인리스 스틸 탱크로, 초순수 50,220 톤을 담고 있다. 탱크는 내부 검출기(ID)와 외부 검출기(OD)로 나뉘며, 내부 검출기는 높이 36.2m, 지름 33.8m이다. 탱크 외벽은 지름 39m, 높이 42m의 원통형 스테인리스강으로 자체 지지되며, 수압에 견디도록 콘크리트로 보강되었다.[21]

물 정화 시스템 개략도


2002년부터 폐쇄 시스템에서 시간당 약 30톤의 속도로 물을 지속적으로 재처리하고 있다. 광산에서 온 물은 입자 필터와 역삼투(RO)를 거쳐 재활용된다. 물은 1μm 메쉬 필터로 먼지와 입자를 제거하고,[21] 열 교환기로 냉각하여 PMT 암흑 잡음과 박테리아 성장을 억제한다. 살아남은 박테리아는 UV 살균으로 제거하고, 카트리지 연마기(CP)로 중이온을 제거하여 물의 투명도를 높인다. CP는 물의 저항률을 18.24MΩ cm까지 높인다.[21]

1999년에는 역삼투(RO) 단계에서 물에 Rn 저감 공기를 주입하여 라돈 제거 효율을 높였고, 진공 탈기기(VD)로 물에 용해된 가스를 제거했다.[21] 용해된 산소는 박테리아 성장을 촉진하여 태양 중성미자 관측에 배경 사건을 유발하는데, 제거 효율은 약 96%이다. 초여과(UF)로 분자량 약 10,000 (직경 약 10nm) 이상의 입자를 제거하고, 막 탈기기(MD)로 라돈을 제거한다. 라돈 제거 효율은 약 83%이다. 2001년 6월, 탱크 유입수의 라돈 농도는 2mBq/m3 미만, 유출수는 0.4±0.2mBq/m3였다.[21]

3. 2. 광전자 증배관 (PMT)

슈퍼 가미오칸데(슈퍼-K) 내부 검출기(ID)에는 지름 50cm의 광전자 증배관(PMT) 11,146개가, 외부 검출기(OD)에는 지름 20cm의 PMT 1,885개가 설치되어 있다.[4] 이 PMT들은 중성미자와 물의 상호작용으로 발생하는 체렌코프 복사를 감지하는 역할을 한다.

ID PMT는 3×4 배열의 "슈퍼모듈"이라는 기본 단위로 구성된다. 슈퍼모듈 프레임은 높이 2.1m, 너비 2.8m, 두께 0.55m이며, 수직 및 수평으로 연결되어 탱크 바닥과 상단 구조에 연결된다. 각 슈퍼모듈에는 뒷면에 OD PMT 2개가 부착되어 있다.

OD PMT는 상단 레이어에 302개, 하단에 308개, 배럴 벽에 1275개가 분산되어 있다. OD의 두께는 상단과 하단이 평균 약 2.6m, 배럴 벽은 2.7m이다.

ID와 OD 사이에는 타이벡과 검은 시트 장벽이 부착되어 광학적으로 분리되어 있다.

PMT는 지자기장의 영향을 줄이기 위해 탱크 내부 표면에 배치된 26세트의 수평 및 수직 헬름홀츠 코일에 의해 평균 50mG로 감소된 자기장 환경에서 작동한다.[21]

3. 3. 전자 장치

ID-PMT는 아날로그 타이밍 모듈(ATM)이라는 맞춤형 전자 모듈을 사용하여 신호를 처리했다. 이 모듈에는 전하-아날로그 변환기(QAC)와 시간-아날로그 변환기(TAC)가 포함되어 있었다. 전하의 경우 0~450 피코쿨롬(pC)의 동적 범위를 가지고 0.2 pC의 분해능을 가졌으며, 시간의 경우 -300~1000 ns의 동적 범위를 가지고 0.4 ns의 분해능을 가졌다. 각 PMT 입력 신호에 대해 두 쌍의 QAC/TAC가 있어 데드 타임을 방지하고, 정지하는 뮤온의 붕괴 생성물인 전자 등에서 발생할 수 있는 여러 개의 연속 히트 판독을 허용했다.[37]

2008년 9월, SK 시스템은 향후 10년간 안정성을 유지하고 데이터 수집 시스템의 처리량을 향상시키기 위해 이더넷(QBEE)을 사용하는 QTC 기반 전자 장치로 업그레이드되었다.[37] QBEE는 파이프라인 구성 요소를 결합하여 고속 신호 처리를 제공한다. 이러한 구성 요소는 ASIC(application-specific integrated circuit) 형태의 새롭게 개발된 맞춤형 전하-시간 변환기(QTC), 다중 히트 시간-디지털 변환기(TDC) 및 FPGA(field-programmable gate array)이다.[37] 각 QTC 입력에는 "Small", "Medium" 및 "Large"의 세 가지 이득 범위가 있으며, 각 범위의 분해능은 아래 표와 같다.

QTC 전하 수집 범위 요약
범위측정 영역분해능
Small0–51 pC0.1 pC/count (0.04 pe/count)
Medium0–357 pC0.7 pC/count (0.26 pe/count)
Large0–2500 pC4.9 pC/count (1.8 pe/count)



각 범위에 대해 아날로그-디지털 변환이 개별적으로 수행되지만, 사용되는 범위는 포화되지 않은 가장 높은 분해능을 가진 범위뿐이다. QTC의 전체 전하 동적 범위는 0.2–2500 pC로 이전보다 5배 더 크다. 단일 광전자 수준에서 QBEE의 전하 및 타이밍 분해능은 각각 0.1 광전자 및 0.3 ns로, SK에 사용된 20인치 PMT의 고유 분해능보다 더 우수하다. QBEE는 넓은 동적 범위에서 우수한 전하 선형성을 달성한다. 전자 장치의 통합 전하 선형성은 1%보다 우수하다. QTC의 판별기 임계값은 −0.69 mV (0.25 광자에 해당, SK-III와 동일)로 설정되었으며, 이는 이전 ATM 기반 단계에서 감지기의 동작을 복제하기 위해 선택되었다.[37]

3. 4. 기타 설비

내부 검출기(ID)의 광전증폭관(PMT)을 위한 기본 단위는 "슈퍼모듈"이라고 불리는 3×4 배열의 PMT를 지지하는 프레임이다. 슈퍼모듈 프레임은 탱크 바닥과 상단 구조에 연결되어 견고한 구조 요소 역할을 하며, 초기 조립을 단순화했다. 각 슈퍼모듈에는 뒷면에 외부 검출기(OD) PMT 2개가 부착되어 있다.[21]

OD의 두께는 상단과 하단이 평균 약 2.6m, 배럴 벽이 2.7m로, 총 질량은 18킬로톤이다. OD PMT는 상단에 302개, 하단에 308개, 배럴 벽에 1275개가 있다.[21]

공기 중 라돈 붕괴 생성물에서 발생하는 저에너지 배경 방사선을 막기 위해 공동 지붕과 접근 터널은 Mineguard라는 분무형 폴리우레탄 멤브레인으로 밀봉되었다.[21]

평균 지자기장은 약 450mG이며, 검출기 현장에서는 수평선에 대해 약 45° 기울어져 있다. 이는 PMT의 광전자 궤적과 타이밍에 편향을 줄 수 있으므로, 이를 상쇄하기 위해 26세트의 수평 및 수직 헬름홀츠 코일이 탱크 내부 표면에 배치되어 있다. 이 코일들을 작동하면 검출기 평균 필드는 약 50mG로 감소한다.[21]

공기 정화 시스템 개략도


정화된 공기는 슈퍼 가미오칸데 탱크의 수면과 상단 사이 틈새로 공급된다. 공기 정화 시스템은 압축기, 완충 탱크, 건조기, 필터, 활성탄 필터로 구성되며, 라돈 제거 효율을 높이기 위해 마지막 50L의 숯은 -40°C로 냉각된다. 일반적인 유량, 이슬점, 잔류 라돈 농도는 각각 18m3/h, -65°C (@+1kg/cm2), 몇 mBq m-3이다. 돔 공기의 전형적인 라돈 농도는 40Bq m-3이다.[21]

광산 터널 공기의 라돈 수치는 계절에 따라 변동하는데, 이는 굴뚝 효과 때문이다. 돔 지역과 정수 시스템의 라돈 수치를 100Bq m-3 미만으로 유지하기 위해 신선한 공기가 광산 외부에서 지속적으로 펌핑되어 유입을 최소화한다.[21]

4. 연구 목적 및 성과

슈퍼 가미오칸데는 다양한 소스에서 나오는 중성미자를 연구하고 양성자 붕괴를 탐색하는 체렌코프 검출기이다. 1996년 4월 실험 시작 이후 여러 단계의 업그레이드를 거쳤다.

슈퍼 가미오칸데의 단계별 특징
단계SK-ISK-IISK-IIISK-IV
기간시작1996년 4월2002년 10월2006년 7월2008년 9월
종료2001년 7월2005년 10월2008년 9월2018년 6월
PMT 수ID11146 (40%)5182 (19%)11129 (40%)11129 (40%)
OD1885
내파 방지 컨테이너아니요예예예
OD 분할아니요아니요예예
프런트 엔드 전자 장치ATM (ID)QBEE
OD QTC (OD)


  • SK-I (1996년 4월 ~ 2001년 7월): 초기 단계로, 11,146개의 내부 검출기(ID-PMT)를 사용했다.
  • SK-II (2002년 10월 ~ 2005년 10월): 유지 보수 중 사고로 ID-PMT의 절반만으로 실험을 재개했다. 모든 ID-PMT에 아크릴 덮개를 설치했다.
  • SK-III (2006년 7월 ~ 2008년 9월): 모든 PMT를 복구했다.
  • SK-IV (2008년 9월 ~ 2018년 6월): 전자 장치를 업그레이드했다.


슈퍼 가미오칸데는 온라인 감시 시스템("느린 제어" 모니터)과 오프라인 프로세스를 통해 실험의 안정적인 운영을 유지한다.[21]

1998년, 슈퍼 가미오칸데는 뮤온 중성미자가 타우 중성미자로 변환되는 현상을 관측하여 중성미자 진동의 첫 증거를 발견했다.[30] 양성자 수명에 대한 한계를 설정하고, 카온으로 붕괴되는 양성자에 대한 하한을 5.9 × 1033 년으로 설정했다.[31] 2023년에는 서브-GeV 암흑 물질에 대한 새로운 한계를 보고했다.[4][5]

중성미자 천문학 분야에서 1987년 대마젤란 은하의 초신성 폭발 SN 1987A에서 방출된 중성미자를 가미오칸데가 관측한 것이 그 시작이며, 고시바 마사토시는 이 업적으로 노벨 물리학상을 수상했다.[58][59] 슈퍼 가미오칸데는 은하 중심 초신성 폭발 시 약 8000개의 중성미자를 포착할 수 있으며, 지속 감시 중이다.[45]

4. 1. 중성미자 연구

슈퍼 가미오칸데는 대기 중 중성미자, 태양 중성미자, 인공 중성미자 등을 이용하여 중성미자의 질량과 혼합 행렬에 관한 상세한 분석을 연구하고 있다.

1990년대 초, 가미오카 II와 갈륨(Ga) 실험 등에서 태양 중성미자 관측량이 예측값보다 적은 '태양 중성미자 문제'가 제기되었으나, 기존의 표준 태양 모델(SSM)로는 설명하기 어려웠다.[24]

슈퍼 가미오칸데는 중성미자 진동 현상을 연구했으며, K2K 실험과 T2K 실험 등을 통해 이를 검증하였다.

4. 1. 1. 중성미자 진동

중성미자는 반응 시 방출되는 하전 렙톤에 따라 ''전자 중성미자(''νe'')'', 뮤온 중성미자(νμ), 타우 중성미자(ντ)로 나뉜다. 중성미자가 비행하는 동안 양자역학적 효과로 중성미자의 종류가 바뀌는 현상을 중성미자 진동이라고 부르는데[41], 이러한 현상이 발생하려면 중성미자가 질량을 가지고 혼합되어야 한다는 두 가지 조건이 모두 필요하다.[42]

슈퍼 가미오칸데는 중성미자 진동 검출에 이용되었다.[42] 도쿄 대학 우주선 연구소 교수인 가시타 다카아키가 이끄는 그룹은 슈퍼 가미오칸데에서 관측한 데이터를 분석하여 중성미자 진동을 가정하지 않으면 설명할 수 없는 결과를 얻었고, 이는 중성미자 진동의 최초 발견이 되었다.[37][42][43] 1998년, 가시타는 기후현 다카야마시에서 개최된 중성미자 국제 회의에서 이 연구 결과를 보고했다.[42] 이 연구 성과로 가시타는 2015년 노벨 물리학상을 수상했다.[39][40]

1998년에 슈퍼 가미오칸데는 지구 반대편에서 날아오는 대기 중의 중성미자 수가 적다는 것을 보이며, 중성미자 진동의 증거를 제시했다.[37]

구체적으로, 슈퍼 가미오칸데는 1998년에 상향 뮤온 중성미자(지구 반대편에서 생성됨)의 수가 하향 뮤온 중성미자의 절반임을 발견했다. 이는 중성미자가 감지되지 않는 다른 중성미자로 변환되거나 진동하기 때문으로 설명할 수 있다. 이를 중성미자 진동이라고 하며, 이러한 발견은 중성미자의 유한한 질량을 나타낸다.[26] 이후 2004년 분석에서는 "길이/에너지"의 함수로 사건율이 사인파 형태로 나타나는 경향을 보여 중성미자 진동을 다시 한번 확인했다.[26]

1999년에는 세계 최초의 장기선 중성미자 실험 K2K를 시작하여, 대기 중성미자에서 발견된 중성미자 진동의 검증에 성공했다.

4. 1. 2. 태양 중성미자 문제

태양의 에너지는 핵융합 반응을 통해 생성되며, 이 과정에서 4개의 양성자가 헬륨 원자와 전자 중성미자로 변환된다.[23] 이렇게 방출되는 중성미자를 태양 중성미자라고 한다. 태양 중심에서 생성된 광자는 표면에 도달하기까지 수백만 년이 걸리지만, 태양 중성미자는 물질과의 상호작용이 거의 없어 8분 만에 지구에 도달한다.[23] 따라서 태양 중성미자는 태양 내부를 실시간으로 관측할 수 있게 해준다.

1990년대 초, 가미오카 II와 Ga(갈륨) 실험 등에서 태양 중성미자 관측량이 예측값보다 적은 '태양 중성미자 문제'가 제기되었다.[24] 이러한 문제는 기존의 표준 태양 모델(SSM)로는 설명하기 어려웠다.

1999년, 슈퍼 가미오칸데는 중성미자가 다른 종류의 중성미자로 변환되는 현상인 중성미자 진동의 강력한 증거를 발견하여 태양 중성미자 문제를 설명했다.[24] 슈퍼 가미오칸데는 탄성 산란(\nu_x + e^- \to \nu_x + e^-)을 통해 중성미자를 검출했는데, 이 반응은 전자 중성미자(\nu_e)와 다른 중성미자 간의 검출 감도 차이를 유발한다.[24] 검출된 전자의 방향을 분석하여 태양 중성미자 플럭스를 계산한 결과, 예측값의 약 46.5%에 불과했다.[25] 이는 태양 중성미자가 지구에 도달하는 과정에서 다른 종류의 중성미자로 변환되어 검출량이 줄어든다는 것을 의미한다.

2001년, 서드베리 중성미자 관측소(SNO)는 중수를 이용한 실험을 통해 전자 중성미자가 중양자와 반응하여 전자를 생성하는 반응을 관측했다.[47] 슈퍼 가미오칸데와 SNO의 관측 결과를 비교 분석하여, 태양 중성미자 문제의 원인이 중성미자 진동이라는 강력한 증거를 얻게 되었다.[45][48]

이러한 연구 결과를 바탕으로 SNO의 아서 B. 맥도날드 교수는 가지타 다카아키와 함께 2015년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.[40][49]

4. 1. 3. 제3의 진동 모드

K2K 실험은 1999년 6월부터 2004년 11월까지 진행된 중성미자 실험으로, 뮤온 중성미자를 통해 슈퍼-가미오칸데에서 관측된 진동을 검증하기 위해 설계되었다. 이 실험은 발생원과 검출기가 모두 통제 가능한 조건에서 중성미자 진동의 첫 번째 긍정적인 측정을 제공했으며, 슈퍼-가미오칸데 검출기는 원거리 검출기로서 중요한 역할을 했다. K2K 실험 결과, 대기 중성미자에서 발견된 중성미자 진동을 99.9% 이상의 정확도로 확인할 수 있었다.[45] 이후 T2K 실험은 K2K 실험의 후속 연구로 2세대 실험으로 이어졌다.

T2K 실험(도카이-가미오카)은 일본, 미국 등 여러 국가가 공동으로 참여하는 중성미자 실험이다. T2K의 목표는 중성미자 진동의 매개변수를 더 깊이 이해하는 것이었다. T2K는 뮤온 중성미자에서 전자 중성미자로의 진동을 탐색했으며, 2011년 6월에 이에 대한 첫 번째 실험적 징후를 발표했다.[27] 슈퍼-가미오칸데 검출기는 "원격 검출기" 역할을 하며, 고에너지 중성미자와 물의 상호작용으로 생성된 뮤온과 전자의 체렌코프 복사를 기록한다.

2009년에는 이바라키현토카이무라의 대강도 양성자 가속기 시설(J-PARC)에서 만들어진 중성미자 빔을 295km 떨어진 슈퍼-가미오칸데에 쏘는 T2K 실험이 시작되었다.[45] 중성미자의 혼합 정도를 나타내는 3개의 혼합각 중 θ13만 미측정 상태였으며, 이 발견이 기대되었다. 2011년 6월, 뮤온 중성미자에서 전자 중성미자로 변화하는 "전자 중성미자 출현 현상"을 시사하는 관측 결과를 세계 최초로 포착하여,[50] 혼합각 θ13이 예상했던 값보다 클 가능성을 지적했다.[51][52] 2013년에는 실제로 뮤온 중성미자에서 전자 중성미자로의 변화를 세계 최초로 관측하여 폰테코르보-마키-나카가와-사카타 행렬이 시사하는 바와 같이 중성미자가 3세대 간에 혼합되어 있음을 밝혔다.[53][54] 이 업적으로 고에너지 가속기 연구 기구 교수 코바야시 타카시, 교토 대학 교수 나카이에 고가 2014년도 니시나 기념상을 수상했다.

4. 2. 중성미자 천문학

중성미자를 이용한 천체 관측 및 천문 현상 연구는 중성미자 천문학이라는 분야로 발전하고 있다.[55] 1987년 2월 23일, 도쿄 대학 교수 고시바 마사토시 등은 가미오칸데를 통해 대마젤란 은하에서 일어난 초신성 폭발 SN 1987A에서 방출된 중성미자를 관측했다.[56] 이는 초신성 폭발 이론 모델의 타당성을 뒷받침하는 것으로, 이 사건을 중성미자 천문학의 시작으로 본다.[55] 고시바는 이 업적으로 일본 학사원상[57], 노벨 물리학상을 수상했다.[58][59]

슈퍼 가미오칸데는 은하 중심에서 초신성 폭발이 발생하면 약 8000개의 초신성 중성미자를 포착할 수 있으며, 지속적으로 감시하고 있다.[45] 초신성 폭발에서 나오는 빛은 중성미자보다 늦게 별 외부로 방출되므로, 슈퍼 가미오칸데는 천문대보다 먼저 폭발을 관측할 수 있다.[45]

4. 2. 1. 초신성 폭발 중성미자

슈퍼 가미오칸데에는 초신성 폭발을 효율적이고 신속하게 감지하고 식별하기 위한 온라인 초신성 감시 시스템이 장착되어 있다. 우리 은하 중심에서 초신성 폭발이 발생하면 약 10,000건의 사건이 예상되며, 슈퍼 가미오칸데는 데드 타임 없이 폭발을 측정할 수 있다. 이론적 계산에 따르면 중성미자는 총 수십 초 동안 방출되며, 그 중 약 절반이 처음 1~2초 동안 방출된다.[21]

데이터는 2분마다 실시간 SN-watch 분석 프로세스로 전송되며, 분석은 보통 1분 안에 완료된다. 초신성(SN) 사건 후보가 발견되면, 사건 간 평균 공간 거리(R_\text{mean})를 계산하여 일반적인 사건의 공간 클러스터보다 큰지 확인한다. "알람" 클래스 폭발의 경우, 특정 임계값을 만족하는 사건에 대해 추가적인 검사를 실행하고, 오프라인 프로세스를 통해 최종 결정을 내린다.[21][22]

슈퍼 가미오칸데는 초신성의 방향을 재구성할 수 있다. 중성미자-전자 산란(\nu_\text{x} + e^- \to \nu_\text{x} + e^-)을 통해 우리 은하 중심에서 초신성이 발생할 경우 100~150개의 사건이 예상되며, 각도 분해능은 δθ~3°까지 가능하다.[21] 이를 통해 중성미자 폭발의 시간 프로파일 및 에너지 스펙트럼뿐만 아니라 초신성의 방향에 대한 정보도 얻을 수 있다.

가미오칸데는 1987년 2월 23일 대마젤란 은하에서 발생한 초신성 폭발 SN 1987A에서 방출된 중성미자 폭발을 관측했다.[56] 이는 초신성 폭발 이론 모델의 타당성을 뒷받침하는 결과로, 도쿄 대학의 고시바 마사토시 교수는 이 업적으로 2002년 노벨 물리학상을 수상했다.[58][59]

슈퍼 가미오칸데는 은하 중심에서 초신성 폭발이 발생할 경우 약 8000개의 초신성 중성미자를 포착할 수 있으며, 지속적인 감시를 수행하고 있다.[45] 초신성 폭발에서 나오는 빛은 중성미자보다 늦게 방출되기 때문에, 슈퍼 가미오칸데는 천문대보다 먼저 폭발을 관측할 수 있다.[45]

4. 2. 2. 초신성 배경 중성미자

가돌리늄은 초신성 폭발에서 발생하는 중성미자와 반중성미자를 구별하기 위해 2020년 슈퍼-가미오칸데 수조에 도입되었다.[14][18] 이는 '''SK-Gd 프로젝트''' ('''SuperKGd''', '''SUPERK-GD'''[19])로 알려져 있으며, 2020년 8월부터 슈퍼-가미오칸데의 순수에 가돌리늄을 첨가하여 신생 슈퍼-가미오칸데로서 관측을 시작했다.[62]

태양과 다른 별들의 핵융합은 양성자를 중성미자 방출과 함께 중성자로 바꾼다. 지구와 초신성에서의 베타 붕괴는 중성자를 반중성미자 방출과 함께 양성자로 바꾼다. 슈퍼-가미오칸데는 물 분자에서 쫓겨난 전자를 감지하여 푸른 체렌코프 빛을 생성하는데, 이는 중성미자와 반중성미자 모두에 의해 생성된다. 더 드문 경우는 반중성미자가 물 속의 양성자와 상호 작용하여 중성자와 양전자를 생성하는 경우이다.[20]

가돌리늄은 중성자에 대한 친화력이 높으며, 중성자를 흡수할 때 밝은 감마선을 생성한다. 슈퍼-가미오칸데에 가돌리늄을 첨가하면 중성미자와 반중성미자를 구별할 수 있다. 반중성미자는 약 30마이크로초 간격으로 두 번의 빛을 생성하는데, 첫 번째는 중성미자가 양성자를 칠 때, 두 번째는 가돌리늄이 중성자를 흡수할 때이다.[18] 첫 번째 빛의 밝기를 통해 물리학자들은 지구에서 오는 저에너지 반중성미자와 초신성에서 오는 고에너지 반중성미자를 구별할 수 있다.

프로젝트의 첫 번째 단계에서 2020년 1.3톤의 Gd 염(Gadolinium sulfate octahydrate|황산가돌리늄 팔수화물영어)을 초순수 물에 첨가하여 염의 0.02% (무게 기준)를 만들었다. 이 양은 계획된 최종 목표 농도의 약 10분의 1이다.[14][18]

가장 큰 과제는 탐지기의 물에서 가돌리늄을 제거하지 않으면서 불순물을 지속적으로 제거할 수 있는지 여부였다. 황산가돌리늄을 첨가한 200톤 규모의 프로토타입인 EGADS가 가미오카 광산에 설치되어 수년간 운영되었다. 2018년에 운영을 종료했으며, 새로운 물 정화 시스템이 가돌리늄 농도를 안정적으로 유지하면서 불순물을 제거한다는 것을 보여주었다.[19][20]

슈퍼-가미오칸데는 멀리 떨어진 초신성에서 오는 중성미자를 관측하는 것 외에도, 은하계에서 초신성이 발생한 지 1초 이내에 전 세계 천문학자들에게 초신성 존재를 알리는 경보를 울릴 수 있다. 또한, 우주 탄생 이래 현재까지 약 1017개의 별이 초신성 폭발을 일으킨 것으로 여겨지며[60], 우주 공간에는 이 초신성 폭발로 방출된 "초신성 배경 중성미자"가 존재할 것으로 예상된다.[61] 이러한 초신성 배경 중성미자의 관측은 우주의 역사와 진화를 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 수 있다. 슈퍼-가미오칸데의 가돌리늄 첨가를 통해 중성미자 관측 감도가 향상되었으며, 특히 "초신성 배경 중성미자"의 세계 최초 관측이 기대되고 있다.[62]

4. 3. 대통일 이론 검증

표준 모형에서는 양성자가 절대적으로 안정적인 것으로 추정된다. 그러나 대통일 이론(GUTs)은 양성자가 전자, 뮤온, 파이온 또는 관측 가능한 기타 가벼운 고에너지 하전 입자로 붕괴될 수 있다고 예측한다. 가미오칸데는 이러한 이론 중 일부를 배제하는 데 도움을 주었다.[42][63] 슈퍼-가미오칸데는 현재 양성자 붕괴 관측을 위한 최대 규모의 검출기이다.

슈퍼 가미오칸데(SK)는 양성자 수명 및 기타 희귀 붕괴와 중성미자 특성에 대한 한계를 설정했다. SK는 카온으로 붕괴되는 양성자에 대한 하한을 5.9 x 1033 년으로 설정했다.[31]

구 카미오칸데의 건설은 대통일 이론이 예언하는 양성자 붕괴의 실증이 주된 목적이었다. 이 이론의 유력한 후보로 여겨졌던 SU(5) 모델이 예측하는 양성자의 수명은 1030-1032년이었지만, 카미오칸데에서는 양성자 붕괴가 관측되지 않아 양성자의 수명이 1034년 이상임이 밝혀졌고, SU(5) 모델은 부정되었다.[64] 덧붙여, SO(10) 이론 등 다른 모델도 존재하기 때문에 대통일 이론이라는 생각 자체가 모두 부정된 것은 아니다. 관측 기간이 길어질수록, 극소의 확률이라도 검출이 가능해지기 때문에, 슈퍼 카미오칸데에서는 계속해서 양성자 붕괴 관측을 진행하고 있다.

5. 데이터 처리 및 감시 시스템

슈퍼 가미오칸데의 데이터 처리 및 감시 시스템은 온라인 시스템과 오프라인 시스템으로 나뉜다.

온라인 감시 시스템은 관제실의 컴퓨터를 통해 데이터 수집(DAQ) 호스트 컴퓨터로부터 데이터를 받아, 검출기 성능을 실시간으로 감시하고 사건을 표시한다. 특히, 초신성 폭발을 신속하게 감지하기 위한 온라인 초신성 모니터 시스템이 갖춰져 있어, 우리 은하 중심에서 초신성 폭발 시 예상되는 약 10,000개의 사건을 데드 타임 없이 측정할 수 있다.[21] 초신성 후보가 발견되면 평균 공간 거리($R_\text{mean}$)를 계산하여 일반적인 사건과 구별한다.[21][22] 또한, 중성미자-전자 산란을 통해 초신성의 방향을 정밀하게 측정할 수 있다.[21]

오프라인 데이터 처리는 가미오카와 미국의 스토니브룩 대학교에서 수행된다.[21] 가미오카에서는 FDDI 광섬유 링크를 통해 데이터를 받아 자기 테이프에 저장하고 분석한다. 데이터 구조는 CERN에서 개발한 ZEBRA 시스템을 기반으로 하여 플랫폼 독립적으로 설계되었다.[21] 대용량 데이터 처리와 몬테카를로 시뮬레이션을 위해 데이터 서버, CPU 팜, 네트워크로 구성된 시스템이 사용되었다.[21] 스토니브룩 대학교에서는 가미오카에서 전송된 원시 데이터를 처리하고, 고에너지 및 저에너지 분석을 위한 데이터 축소 프로세스를 수행했다. 저에너지 분석을 위해 축소된 데이터는 캘리포니아 대학교, 어바인으로 전송되어 추가 처리되었다.[29]

5. 1. 온라인 감시 시스템

관제실에 있는 온라인 모니터 컴퓨터는 FDDI 링크를 통해 데이터 수집(DAQ) 호스트 컴퓨터로부터 데이터를 읽어들인다. 이 컴퓨터는 교대 근무자들에게 사건 표시 기능을 제공하며, 검출기 성능을 모니터링하기 위한 온라인 및 최근 히스토그램을 생성하고, 검출기 및 데이터 수집(DAQ) 문제를 효율적으로 모니터링하고 진단하는 데 필요한 다양한 작업을 수행한다.[21] 데이터 스트림의 사건들은 걸러낼 수 있으며, 보정 과정이나 하드웨어 또는 온라인 소프트웨어 변경 후 데이터 품질을 확인하기 위해 기본적인 분석 도구를 적용할 수 있다.[21]

초신성 폭발을 가능한 한 효율적이고 신속하게 감지하고 식별하기 위해 슈퍼-가미오칸데에는 온라인 초신성 모니터 시스템이 장착되어 있다. 우리 은하 중심에서 초신성 폭발이 발생할 경우 슈퍼-가미오칸데에서 총 약 10,000개의 사건이 예상된다. 슈퍼-가미오칸데는 데드 타임 없이 폭발을 측정할 수 있으며, 폭발 첫 1초 이내에 최대 30,000개의 사건을 측정할 수 있다. 초신성 폭발에 대한 이론적 계산에 따르면 중성미자는 총 수십 초 동안 방출되며, 이 중 약 절반이 처음 1~2초 동안 방출된다. 슈퍼-K는 0.5, 2 및 10 초의 지정된 시간 창에서 사건 클러스터를 검색한다.[21]

데이터는 2분마다 실시간 SN-watch 분석 프로세스로 전송되며 분석은 일반적으로 1 분 내에 완료된다. 초신성(SN) 사건 후보가 발견되면, 사건 다중도가 16보다 클 경우 $R_\text{mean}$ 이 계산된다. 여기서 $R_\text{mean}$은 사건 간의 평균 공간 거리로 정의되며, 다음과 같다.

:R_\text{mean} =\frac {\sum_{i=1}^{N_\text{multi}-1} \sum_{j=i+1}^{N_\text{multi}} |r_\text{i}-r_\text{j}|}{N_\text{multi} C_\text{2}}

초신성에서 나오는 중성미자는 자유 양성자와 상호 작용하여 양전자를 생성하며, 이 양전자는 검출기 내에 균일하게 분포하므로 SN 사건의 $R_\text{mean}$은 일반적인 사건의 공간 클러스터보다 훨씬 커야 한다. 슈퍼-가미오칸데 검출기에서 균일하게 분포된 몬테카를로 사건에 대한 $R_\text{mean}$은 $R_\text{mean}$⩽1000 cm 이하의 꼬리가 존재하지 않음을 보여준다. "알람" 클래스의 폭발의 경우, 25⩽$N_\text{multi}$⩽40의 경우 $R_\text{mean}$⩾900 cm, $N_\text{multi}$>40의 경우 $R_\text{mean}$⩾750 cm의 사건이 필요하다. 이러한 임계값은 SN1987A 데이터를 통해 추정되었다.[21][22]

이 시스템은 "알람" 기준을 충족하는 폭발 후보가 있을 때 스팔레이션 뮤온을 확인하기 위한 특별한 프로세스를 실행하고 추가 처리를 위한 1차 결정을 내린다. 폭발 후보가 이러한 검사를 통과하면, 오프라인 프로세스를 사용하여 데이터를 재분석하고 몇 시간 내에 최종 결정을 내린다. 슈퍼-가미오칸데 I이 가동되는 동안에는 이러한 상황이 발생한 적이 없다.

슈퍼-가미오칸데의 중요한 능력 중 하나는 초신성의 방향을 재구성하는 것이다. 중성미자-전자 산란 \nu_\text{x} + e^- \to \nu_\text{x} + e^-에 의해, 우리 은하 중심에서 초신성이 발생할 경우 총 100~150개의 사건이 예상된다.[21] 초신성의 방향은 각도 분해능으로 측정할 수 있다.

:\delta \theta \sim {30^\circ \over \sqrt{N}}

여기서 N은 ν–e 산란에 의해 생성된 사건의 수이다. 따라서 각도 분해능은 우리 은하 중심에서 초신성이 발생할 경우 δθ~3°만큼 우수할 수 있다.[21] 이 경우, 중성미자 폭발의 시간 프로파일 및 에너지 스펙트럼뿐만 아니라 초신성의 방향에 대한 정보도 제공할 수 있다.

5. 2. 오프라인 데이터 처리

오프라인 데이터 처리는 가미오카와 미국에서 모두 수행된다.[21]

오프라인 데이터 처리 시스템은 겐큐토에 위치해 있으며, 4km의 FDDI 광섬유 링크를 통해 슈퍼 가미오칸데 검출기와 연결되어 있다. 온라인 시스템으로부터의 데이터 흐름은 평균 450kB/s로, 하루 40GB, 1년에 14TB에 해당한다. 오프라인 시스템에서는 자기 테이프를 사용하여 데이터를 저장하며, 대부분의 분석이 여기서 수행된다. 오프라인 처리 시스템은 데이터 분석에 다양한 컴퓨터 아키텍처가 사용되기 때문에 플랫폼 독립적으로 설계되었다. 이 때문에 데이터 구조는 CERN에서 개발된 ZEBRA 뱅크 시스템과 ZEBRA 교환 시스템을 기반으로 한다.[21]

슈퍼 가미오칸데 온라인 DAQ 시스템의 이벤트 데이터는 기본적으로 히트 PMT의 수, TDC 및 ADC 카운트, GPS 타임스탬프 및 기타 하우스키핑 데이터 목록을 포함한다. 태양 중성미자 분석의 경우, 에너지 임계값을 낮추는 것이 지속적인 목표이므로, 감소 알고리즘의 효율성을 향상시키기 위한 지속적인 노력이 필요하다. 그러나 보정 또는 감소 방법의 변경은 이전 데이터의 재처리를 필요로 한다. 일반적으로 매달 10TB의 원시 데이터를 처리하므로, 대량의 CPU 성능과 원시 데이터에 대한 고속 I/O 접근이 필요하다. 광범위한 몬테 카를로 시뮬레이션 처리도 필요하다.[21]

오프라인 시스템은 대용량 데이터베이스의 테이프 저장(14TB/년), 안정적인 준실시간 처리, 거의 지속적인 재처리 및 몬테 카를로 시뮬레이션 등 이러한 모든 요구 사항을 충족하도록 설계되었다. 컴퓨터 시스템은 런 I 종료 시점에 데이터 서버, CPU 팜 및 네트워크의 3가지 주요 하위 시스템으로 구성되었다.[21]

스토니브룩 대학교(Stony Brook University) 뉴욕주 스토니브룩에 위치한 곳에 오프라인 원격 데이터 처리를 위한 시스템이 구축되어, 가미오카에서 전송된 원시 데이터를 처리했다. 대부분의 재구성된 원시 데이터는 가미오카의 시스템 시설에서 복사되었다. 스토니브룩에서는 분석 및 추가 처리를 위한 시스템이 구축되었다. 스토니브룩에서 원시 데이터는 멀티테이프 DLT 드라이브를 사용하여 처리되었다. 고에너지 분석과 저에너지 분석을 위해 1단계 데이터 축소 프로세스가 수행되었다.

고에너지 분석을 위한 데이터 축소는 주로 대기 중 중성미자 사건과 양성자 붕괴 탐색을 위한 것이었고, 저에너지 분석은 주로 태양 중성미자 사건을 위한 것이었다. 고에너지 분석을 위해 축소된 데이터는 다른 축소 프로세스를 통해 추가적으로 필터링되었으며, 결과 데이터는 디스크에 저장되었다. 저에너지 분석을 위해 축소된 데이터는 DLT 테이프에 저장되어 추가 처리를 위해 캘리포니아 대학교, 어바인(University of California, Irvine)으로 전송되었다.

이 원격 분석 시스템은 분석 체인이 동등한 결과를 생성하는 것으로 입증될 때까지 3년 동안 지속되었다. 따라서 인력을 제한하기 위해 협업은 단일 결합 분석에 집중되었다.[29]

6. 관련 프로젝트

가미오칸데는 1983년부터 1996년까지 도쿄 대학 우주선 연구소에서 운영한 실험 장치이다. 가미오칸데는 해체되었고, 그 자리에 도호쿠 대학이 반중성미자 검출기인 캄랜드(KamLAND)를 설치하여 2002년부터 운영하고 있다.[87]

슈퍼 가미오칸데를 훨씬 뛰어넘는 성능을 가진 초대형 지하 실험 장치 하이퍼 가미오칸데 계획이 진행 중이며, 2027년 실험 시작을 목표로 하고 있다.[92]

참여국
아르메니아, 브라질, 캐나다, 체코, 프랑스, 독일, 인도, 이탈리아, 일본, 대한민국, 멕시코, 모로코, 폴란드, 러시아, 스페인, 스웨덴, 스위스, 영국, 우크라이나, 미국


6. 1. 가미오칸데, 캄랜드

가미오칸데는 1983년부터 1996년까지 도쿄 대학 우주선 연구소에서 운영하였다. 이후 가미오칸데는 해체되었고, 그 자리에는 도호쿠 대학이 반중성미자 검출기인 캄랜드(KamLAND)를 설치하여 2002년부터 운영을 시작했다.[87] 캄랜드는 가미오칸데와 달리 액체 신틸레이터를 사용한 장치로, 원자로 중성미자를 비롯한 각종 연구를 수행하여 성과를 거두고 있다.[88][89][90]

6. 2. 하이퍼 가미오칸데

슈퍼 가미오칸데를 훨씬 뛰어넘는 성능을 가진 초대형 지하 실험 장치 하이퍼 가미오칸데 계획이 진행 중이다.[91] 2027년 실험 시작을 목표로 하고 있다.[92]

탱크 체적은 26만 톤, 유효 체적은 19만 톤으로 슈퍼 가미오칸데의 약 10배가 된다.[93] 내부 수조 측면에는 50cm 직경의 초고감도 광 센서 4만 개가 설치될 예정이다.[93][94] 중성미자와 반중성미자의 진동 차이(CP 대칭성 깨짐) 발견과 정밀 측정으로 우주 물질의 기원을 밝히고, 중성미자 천문학의 더 큰 발전, 양성자 붕괴 발견으로 "소립자의 통일"과 "전자기력·약력·강력의 통일"을 목적으로 한다.[93]

2015년 1월, 13개국 연구 기관 및 대학이 참여하는 국제 공동 연구 그룹이 정식 발족했다.[95]

2020년 1월, 하이퍼 가미오칸데 계획의 첫 해 예산 35억엔을 포함한 2019년도 보정 예산이 성립되었고,[96][97] 2021년 5월에 착공했다.[92][98]

2022년 6월 현재, 20개국 연구자가 참여하고 있다.[99]

참여국
아르메니아, 브라질, 캐나다, 체코, 프랑스, 독일, 인도, 이탈리아, 일본, 대한민국, 멕시코, 모로코, 폴란드, 러시아, 스페인, 스웨덴, 스위스, 영국, 우크라이나, 미국


7. 사회적 영향 및 홍보 활동

슈퍼 가미오칸데는 안드레아스 구르스키의 2007년 사진 작품 ''Kamiokande''[32]의 소재가 되었으며, ''코스모스: 어 스페이스타임 오디세이'' 에피소드에 등장했다.[33] 2018년 9월에는 유지보수를 위해 검출기를 배수하면서 오스트레일리아 방송 공사(ABC) 기자들이 검출 탱크 내부를 4K 해상도 비디오로 촬영하기도 했다.[34]

7. 1. 사업 분류 논란

2009년 11월, 민주당 정권이 실시한 행정쇄신회의사업분류에서 "국립대학 운영비 교부금(2) 특별 교육 연구 경비" 교부액 평가 결과, "폐지 6명, 감축 6명, 요구대로 2명"으로 예산 감축이 결정되었다.[85][86] 이 평가에서는 연구의 의의 등은 전혀 논의되지 않았고, 예산 전체를 일괄적으로 감축해야 한다는 판단만 내려졌다. 실험 대표자 스즈키 요이치로는 예산이 감축되면 관측이 중단될 가능성이 있으며, 희귀한 중성미자 검출 기회를 놓칠 뿐만 아니라 측정기 품질 유지가 어려워져 세계 최고 수준인 일본의 중성미자 연구가 이류, 삼류로 전락할 것이라고 주장했다.

7. 2. 일반 공개 및 홍보 활동

슈퍼 가미오칸데는 안드레아스 구르스키의 2007년 사진 작품인 ''Kamiokande''[32]의 소재가 되었으며, ''코스모스: 어 스페이스타임 오디세이'' 에피소드에 등장했다.[33]

2018년 9월, 검출기는 유지보수를 위해 배수되었고, 이를 통해 오스트레일리아 방송 공사(ABC) 기자들은 검출 탱크 내부에서 4K 해상도 비디오를 촬영할 기회를 얻었다.[34] 슈퍼카미오칸데 일반 공개는 연 1회 가을에 진행되어 왔으며, 2020년과 2021년에는 온라인으로 진행되었다.[100]

2017년에는 홍보와 기부금 모집을 위해 슈퍼카미오칸데의 직소 퍼즐을 제작하여, 도쿄 대학 카시와 캠퍼스 일반 공개 및 도쿄 대학 생협 등에서 판매했다.[101]

참조

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