중성미자 검출기

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1. 개요
2. 이론
3. 검출 기술
4. 백그라운드 저감
5. 중성미자 망원경
참조

1. 개요

중성미자 검출기는 중성미자와 다른 입자 간의 약한 상호 작용을 감지하여 중성미자를 연구하는 장치이다. 중성미자는 세 가지 종류의 플레이버가 있으며, 중성미자 진동 현상을 통해 미세한 질량을 갖는다는 것이 밝혀졌다. 검출 기술로는 신틸레이터, 방사화학적 방법, 체렌코프 검출기, 추적 칼로리미터, 코히어런트 반조 검출기 등이 있으며, 우주선과 같은 배경 잡음을 줄이기 위한 노력이 필요하다. 중성미자 망원경은 우주에서 오는 중성미자를 검출하여 천체 현상을 연구하는 데 사용된다.

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중성미자 검출기
개요
뮤온 중성미자 검출기의 단면도.
유형	입자 검출기
목적	중성미자 연구
상세 정보
구성 요소	광증폭관 섬광체 기체 검출기 물 탱크
작동 원리	중성미자와 물질의 상호작용 감지
주요 연구 대상	중성미자 진동 중성미자 질량 중성미자 상호작용
주요 검출기 유형
체렌코프 검출기	초-카미오칸데, Hyper-Kamiokande
섬광 검출기	미니BOONE, NOvA
칼로리미터	MINOS
시간 투영 챔버	ICARUS
추가 정보
관련 연구 분야	입자 물리학, 천체 물리학
중요성	표준 모형 검증 및 확장

2. 이론

중성미자는 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자의 세 가지 종류가 있으며, 이들을 "플레이버"라고 부른다.^[24] 중성미자는 공간을 전파하는 동안 "세 종류의 플레이버 사이를 진동"하는데, 이 현상을 중성미자 진동이라고 한다.^[24] 이러한 현상은 중성미자가 정지 질량을 가져야만 가능하므로, 이전까지 질량이 없다고 생각되었던 중성미자에 미세한 질량이 있다는 사실이 밝혀졌다.^[26]

중성미자는 중력과 약한 상호 작용을 통해서만 상호작용한다. 중성미자의 질량은 매우 작아 중력 상호작용은 무시할 수 있으며, 약한 상호 작용이 주요 검출 방법이다. 약한 상호작용에는 중성 전류(Z 보손의 교환을 수반)와 하전 전류(W 보손의 교환을 수반) 두 가지 유형이 있다.^[6]

중성 전류 상호작용: 중성미자가 입사하여 에너지와 운동량의 일부를 '표적' 입자로 옮긴 후 검출기에서 나온다. 표적 입자가 전하를 띠고 충분히 가볍다면(예: 전자) 상대론적 속도로 가속되어 체렌코프 복사를 방출할 수 있으며, 이는 직접 관찰할 수 있다. 세 가지 맛(전자, 뮤온, 타우) 모두 중성미자 에너지에 관계없이 참여할 수 있지만, 중성미자 맛 정보는 남지 않는다.
하전 전류 상호작용: 고에너지 중성미자는 파트너 렙톤(전자, 뮤온, 또는 타우 입자)으로 변환된다.^[7] 중성미자가 더 무거운 파트너의 질량을 생성하기에 충분한 에너지를 가지고 있지 않으면 하전 전류 상호작용은 일어날 수 없다. 태양과 원자로에서 나오는 중성미자는 전자를 생성할 수 있을 만큼 충분한 에너지를 가지고 있다. 대부분의 가속기 생성 중성미자 빔은 뮤온을 생성할 수 있으며, 매우 소수는 타우 입자를 생성할 수 있다. 이러한 렙톤을 구별할 수 있는 검출기는 하전 전류 상호작용에 입사하는 중성미자의 맛을 밝힐 수 있다. 이 상호작용에는 W 보손의 교환이 포함되므로 '표적' 입자도 변한다(예: 중성자→양성자).

3. 검출 기술

중성미자는 질량이 작고 전하가 없어 검출하기 매우 어렵다. 다른 입자와 달리 중성미자는 중력과 약한 상호 작용을 통해서만 상호작용한다.^[6] 중성미자가 참여하는 약한 상호작용에는 중성 전류(Z 보손 교환, 편향만 초래)와 하전 전류(W 보손 교환, 중성미자가 하전된 렙톤(전자, 뮤온, 타우 입자)으로 변환) 두 가지 유형이 있다.

중성 전류: 중성미자가 표적 입자에 에너지와 운동량을 전달하고 검출기를 빠져나간다. 표적 입자가 전하를 띠고 가벼우면(예: 전자) 체렌코프 복사를 방출하여 관찰할 수 있다. 세 가지 중성미자 맛 모두 참여 가능하며, 중성미자 에너지와는 관계없지만, 중성미자 맛 정보는 남지 않는다.
하전 전류: 고에너지 중성미자가 파트너 렙톤으로 변환된다.^[7] 중성미자 에너지가 충분해야 변환이 가능하다. 가속기 생성 중성미자 빔은 주로 뮤온을 생성하며, 일부는 타우 입자를 생성할 수 있다. 검출기는 하전 전류 상호작용에 입사하는 중성미자의 맛을 밝힐 수 있다.

3. 1. 신틸레이터

신틸레이터는 입자가 통과할 때 빛을 내는 물질이다. 반중성미자는 신틸레이터 내의 양성자와 반응하여 양전자와 중성자를 생성하며, 이들이 다시 신틸레이터와 반응하여 빛을 낸다. 이 빛을 검출하여 반중성미자의 존재를 확인하고, 그 특성을 연구한다.^[4]

1956년 프레데릭 라인스와 클라이드 코완은 코완-라인스 중성미자 실험에서 사바나 강 원자로 근처에 염화카드뮴 수용액을 넣은 두 개의 표적과 두 개의 신틸레이션 검출기를 설치했다. 1.8 MeV 이상의 에너지를 가진 반중성미자는 물 속의 양성자와 역베타 붕괴 상호작용을 일으켜 양전자와 중성자를 생성했다. 생성된 양전자는 전자와 쌍소멸하여 각각 약 0.5 MeV의 에너지를 가진 광자 쌍을 생성했는데, 이는 신틸레이션 검출기를 통해 검출되었다. 중성자는 카드뮴 원자핵에 포획되어 양전자 소멸 사건 후 수 마이크로초 후에 약 8 MeV의 지연 감마선을 생성하여 검출되었다.^[4]

최근 건설된 KamLAND(Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector)는 비슷한 기술을 사용하여 일본의 53개 원자력 발전소에서 나오는 반중성미자의 중성미자 진동을 연구한다. 더 작지만 방사선 순도가 더 높은 보렉시노 검출기는 태양에서 나오는 중성미자 스펙트럼의 가장 중요한 구성 요소뿐만 아니라 지구와 원자로에서 나오는 반중성미자를 측정할 수 있었다.^[4]

SNO+ 실험은 선행 실험인 서드베리 중성미자 관측소가 중수를 사용하고 체렌코프 빛을 검출한 것과는 달리, 액체 신틸레이터로서 선형 알킬벤젠(linear alkylbenzene)을 사용한다.^[4]

3. 2. 방사화학적 방법

브루노 폰테코르보가 제안한 방사화학적 방법은 특정 원소가 중성미자와 반응하여 방사성 동위원소로 변환되는 원리를 이용한다.^[1]

염소-아르곤 변환: 염소-37 원자는 중성미자와의 하전 전류 상호작용을 통해 아르곤-37 원자로 변환된다. 이 반응의 역치 중성미자 에너지는 0.814 MeV이다. 반응 후 생성된 아르곤-37은 헬륨 가스를 이용해 추출 및 분리되며, 전자 포획 방사성 붕괴를 통해 그 양을 측정하여 중성미자의 수를 계산한다. 홈스테이크 실험은 470 톤의 테트라클로로에틸렌을 사용하여 이 방법으로 태양 중성미자를 최초로 검출하고 태양 중성미자 문제를 발견했다.^[1]

갈륨-저마늄 변환: 갈륨-71을 사용하는 실험은 0.233 MeV의 더 낮은 에너지 역치를 가지므로 저에너지 중성미자 검출에 유리하다. 중성미자가 갈륨-71과 반응하면 불안정한 저마늄-71이 생성되며, 이를 화학적으로 추출하여 방사성 붕괴를 측정한다. 이 방법은 반응 순서(갈륨 → 저마늄 → 갈륨) 때문에 "알자스-로렌" 기법이라고도 불린다.^[1] SAGE 실험(약 50톤의 갈륨 사용)과 GALLEX/GNO 실험(약 30톤의 갈륨 사용)이 이 방법을 사용했다. 그러나 갈륨의 높은 가격 때문에 대규모 실험에는 적합하지 않아, 더 저렴한 반응 물질을 사용하는 실험으로 전환되었다.^[1]

방사화학적 방법은 중성미자의 수를 세는 데는 유용하지만, 중성미자의 에너지나 이동 방향에 대한 정보는 제공하지 않는다.^[1]

3. 3. 체렌코프 검출기

"링 이미징" 체렌코프 검출기는 체렌코프 빛이라 불리는 현상을 이용한다. 체렌코프 복사는 전자나 뮤온과 같은 하전 입자가 주어진 검출기 매질을 그 매질 내 빛의 속도보다 약간 빠르게 통과할 때마다 생성된다. 체렌코프 검출기에서 물이나 얼음과 같은 투명한 물질의 대용량은 빛을 감지하는 광전자 증배관으로 둘러싸여 있다. 충분한 에너지로 생성되고 이러한 검출기를 통과하는 하전 렙톤은 검출기 매질 내 빛의 속도보다 약간 빠르게(비록 진공 내 빛의 속도보다는 약간 느리지만) 이동한다. 하전 렙톤은 체렌코프 복사의 가시적인 "광학 충격파"를 생성한다. 이 복사는 광전자 증배관에 의해 검출되고 광전자 증배관 배열에서 특징적인 고리 모양의 활동 패턴으로 나타난다. 중성미자는 원자핵과 상호 작용하여 체렌코프 복사를 방출하는 하전 렙톤을 생성할 수 있으므로, 이 패턴을 사용하여 입사 중성미자에 대한 방향, 에너지 및 (때로는) 종류 정보를 추론할 수 있다.^[25]

두 개의 물로 채워진 이러한 유형의 검출기(카미오칸데 및 IMB)가 초신성 SN 1987A에서 온 중성미자 폭발을 기록했다.^[25] 과학자들은 대마젤란 은하 내부의 별 폭발에서 나온 19개의 중성미자를 검출했다.^[26] 카미오칸데 검출기는 이 초신성과 관련된 중성미자 폭발을 감지할 수 있었고, 1988년에는 태양 중성미자의 생성을 직접 확인하는 데 사용되었다. 가장 큰 검출기는 물로 채워진 슈퍼-카미오칸데이다. 이 검출기는 1km 지하에 매설된 11,000개의 광전자 증배관으로 둘러싸인 50,000톤의 순수한 물을 사용한다.

서드베리 중성미자 관측소(SNO)는 직경 12미터의 아크릴 플라스틱 용기에 담긴 1,000톤의 초순수 중수를 사용했으며, 이는 직경 22미터, 높이 34미터의 초순수 일반 물 원통으로 둘러싸여 있다.^[27] 일반적인 물 검출기에서 보이는 중성미자 상호 작용 외에도, 중성미자는 중수의 중수소를 분해할 수 있다. 그 결과 생성된 자유 중성자는 그 후 포획되어 감마선 폭발을 방출하며, 이는 검출될 수 있다. 세 가지 중성미자 종류 모두 이 해리 반응에 동등하게 참여한다.

미니부온 검출기는 순수한 광유를 검출 매질로 사용한다. 광유는 천연 섬광체이므로 체렌코프 빛을 생성할 만큼 충분한 에너지가 없는 하전 입자도 섬광을 생성한다. 물에서는 보이지 않는 저에너지 뮤온과 양성자를 검출할 수 있다.

지중해 약 2.5km 깊이에 위치한 ANTARES 망원경(Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental Research)은 2008년 5월 30일부터 완전히 가동되고 있다. 70미터 간격으로 배치된 12개의 별도의 350미터 길이 수직 검출기 스트링으로 구성되며, 각 스트링에는 75개의 광전자 증배관 광학 모듈이 있다. 이 검출기는 주변 해수를 검출 매질로 사용한다. 차세대 심해 중성미자 망원경 KM3NeT은 약 5km³의 총 계측 부피를 갖게 된다. 검출기는 지중해의 세 개의 설치 장소에 분산될 것이다. 망원경의 첫 번째 단계 구현은 2013년에 시작되었다.

남극 뮤온 및 중성미자 검출기 어레이(AMANDA)는 1996년부터 2004년까지 운영되었다. 이 검출기는 남극 빙하 얼음 속 깊은 곳(1.5~2km) 남극점 근처에 매설된 스트링에 장착된 광전자 증배관을 사용했다. 얼음 자체가 검출 매질이다. 입사 중성미자의 방향은 각 광자의 도달 시간을 각각 하나의 광전자 증배관이 포함된 3차원 검출기 모듈 어레이를 사용하여 기록함으로써 결정된다. 이 방법을 사용하면 약 2도의 공간 분해능으로 50GeV 이상의 중성미자를 검출할 수 있다. AMANDA는 외계 중성미자 원천을 검색하고 암흑 물질을 검색하기 위해 북쪽 하늘의 중성미자 지도를 생성하는 데 사용되었다. AMANDA는 IceCube 관측소로 업그레이드되어 결국 검출기 어레이의 부피를 1세제곱킬로미터로 늘렸다.^[28]

대표적인 체렌코프 검출기는 다음과 같다:

'''물속 중성미자 망원경'''

듀만드 프로젝트 (1976–1995; 취소됨)
바이칼 심해 수중 중성미자 망원경 (1993년부터)
ANTARES (2006년부터)
KM3NeT (미래 망원경; 2013년부터 건설 중)
네스토르 프로젝트 (1998년부터 개발 중)

'''빙하 속 중성미자 망원경'''

AMANDA (1996–2009, IceCube로 대체됨)
IceCube (2004년부터)^[32]
DeepCore 및 PINGU, IceCube의 기존 확장 및 제안된 확장

3. 4. 추적 칼로리미터

추적 칼로리미터는 흡수체(예: 철)와 검출 물질(예: 신틸레이터)을 교대로 쌓아 만든 검출기이다. MINOS, NOνA와 같은 검출기가 추적 칼로리미터에 해당한다.^[12] 철은 밀도가 높고 저렴하며 자화할 수 있다는 장점이 있어 흡수체로 많이 사용된다. 검출 물질로는 광전자 증배관으로 판독되는 액체 또는 플라스틱 신틸레이터가 주로 사용되지만, 이온화 상자도 사용된다.^[13]

추적 칼로리미터는 고에너지(GeV 범위) 중성미자 검출에 적합하다. 이 에너지 영역에서 중성미자는 약한 상호 작용을 통해 다른 입자들과 상호작용한다. 중성미자와의 상호작용 결과, 중성 전류 상호작용에서는 강입자 파편의 샤워가, 하전 전류 상호작용에서는 하전 렙톤의 궤적이 나타난다. 특히 하전 전류 상호작용에서 생성된 뮤온은 긴 궤적을 남기기 때문에 쉽게 발견할 수 있으며, 이 궤적의 길이와 자기장에서의 휘어짐을 통해 뮤온의 에너지와 전하(뮤온 대 반뮤온)를 측정할 수 있다.

3. 5. 코히어런트 반조 검출기

저에너지에서 중성미자는 개별 핵자가 아닌, "코히어런트 중성 전류 중성미자-핵 탄성 산란"(Coherent Neutral Current Neutrino-Nucleus Elastic Scattering) 또는 "코히어런트 중성미자 산란"으로 알려진 과정을 통해 원자핵 전체와 탄성 산란한다.^[14] 이 효과는 매우 작은 중성미자 검출기를 만드는 데 사용되었다.^[15]^[16]^[17] 다른 대부분의 검출 방법과 달리, 코히어런트 산란은 중성미자의 종류에 의존하지 않는다.

4. 백그라운드 저감

대부분의 중성미자 실험에서는 지구 표면을 폭격하는 우주선의 플럭스를 처리해야 한다.

고에너지(50MeV 이상) 중성미자 실험에서는 주 검출기를 "거부" 검출기로 덮거나 둘러싸는 경우가 많다. 이 검출기는 우주선이 주 검출기를 통과할 때 이를 감지하여 주 검출기의 해당 활동을 무시("거부")할 수 있게 한다.^[18] 대기 중 뮤온 입사 플럭스는 등방성이므로, 국지적이고 비등방적인 검출은 배경과 관련하여 구별되어^[18] 우주선 사건을 나타낸다.

저에너지 실험의 경우, 우주선 자체가 직접적인 문제는 아니다. 대신 우주선에 의해 생성된 핵파쇄 중성자와 방사성 동위원소가 원하는 신호를 모방할 수 있다. 이러한 실험에서는 위에 있는 지구가 우주선 비율을 허용 가능한 수준으로 줄일 수 있도록 검출기를 지하 깊숙이 배치하는 것이 해결책이다.

5. 중성미자 망원경

중성미자는 우주에서 오는 정보를 전달하는 중요한 매개체이므로, 중성미자를 관측하는 것은 천체 현상을 연구하는 새로운 창을 열어준다. 중성미자 망원경은 우주에서 오는 중성미자를 검출하여 천체 현상을 연구하는 장비이다.
주요 중성미자 망원경

종류	이름	상태
수중 중성미자 망원경	듀만드 프로젝트	1976–1995; 취소됨
	바이칼 심해 수중 중성미자 망원경	1993년부터
	안타레스	2006년부터
	KM3NeT	미래 망원경; 2013년부터 건설 중
	네스토르 프로젝트	1998년부터 개발 중
	P-ONE	예상 망원경; 2018년, 2020년 시험 설비 배치
빙하 속 중성미자 망원경	아만다	1996–2009, 아이스큐브에 의해 대체됨
	아이스큐브	2004년부터^[19]
	DeepCore 및 PINGU	아이스큐브의 기존 확장 및 제안된 확장
지하 중성미자 관측소	박산 중성미자 관측소	러시아, SAGE, GGNT 및 미래의 BLVSD의 위치.
	그랑사소 국립 연구소 (LNGS)	이탈리아, 보렉시노, 쿠오레 및 기타 실험의 위치.
	강문 지하 중성미자 관측소 (JUNO)	중국 강문시 가이핑
	수단 광산	수단 2, 미노스, 및 CDMS의 위치^[20]
	가미오카 관측소	일본, 슈퍼-가미오칸데 (Super-K)와 그 후계자인 하이퍼-가미오칸데(현재 건설 중)의 위치.
	지하 중성미자 관측소	프랑스/이탈리아 몽블랑
	심층 지하 중성미자 실험 (DUNE)	미국 사우스다코타주 ~ 페르미랩
기타	서드베리 중성미자 관측소 (SNOLAB)	캐나다 온타리오주 서드베리
	갈렉스	1991–1997; 종료됨
	다야베이 원자로 중성미자 실험	(2011–2020), 중국 다야베이
남극 임펄스 과도 안테나
Tauwer 실험^[21]		건설 날짜 미정

참조

_[1] 잡지 Tracking down the crafty neutrino https://www.theguard[...] 2011-06-16
_[2] 웹사이트 All About Neutrinos https://icecube.wisc[...] 2018-04-19
_[3] 뉴스 Icebound telescope probes the Universe http://news.bbc.co.u[...] 2011-06-16
_[4] 저널 The SNO Liquid Scintillator Project https://doi.org/10.1[...] 2005-08-01
_[5] 뉴스 Four telescopes in neutrino hunt https://www.nytimes.[...] 2011-06-16
_[6] 뉴스 Tiny, plentiful, and really hard to catch https://www.nytimes.[...] 2011-06-16
_[7] 뉴스 Experiment confirms Sun theories http://news.bbc.co.u[...] 2011-06-16
_[8] 저널 Invited Review Article: IceCube: An instrument for neutrino astronomy 2010-08-30
_[9] 저널 Coincidence analysis in ANTARES: Potassium-40 and muons 2009-09-01
_[10] 뉴스 Hang on, that's not a neutrino http://m.economist.c[...] 2011-06-16
_[11] 저널 Design and sensitivity of the Radio Neutrino Observatory in Greenland (RNO-G)
_[12] 웹사이트 Collaboration NOvA https://novaexperime[...] 2020-05-02
_[13] 간행물 Latest Oscillation Results from NOvA from NOvA Femilab 2018-03-30
_[14] 웹사이트 Coherent neutrino scattering http://nucla.physics[...] University of California – Los Angeles 2017-09-29
_[15] 저널 Observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering
_[16] 저널 Neutrino detection goes small
_[17] 보도자료 World's smallest neutrino detector finds big physics fingerprint https://www.ornl.gov[...] Department of Energy 2017-09-29
_[18] 웹사이트 THE ANTARES NEUTRINO TELESCOPE https://antares.in2p[...] 2005-03-05
_[19] 뉴스 The hunt for neutrinos in the Antarctic https://www.theguard[...] 2011-06-16
_[20] 뉴스 Minnesota neutrino project to get under way this month https://www.usatoday[...] 2011-06-16
_[21] 잡지 Tauwer aims for cosmic heights http://www.symmetrym[...] 2011-06-16
_[22] 논문 NOνA Proposal to Build a 30 Kiloton Off-Axis Detector to Study Neutrino Oscillations in the Fermilab NuMI Beamline
_[23] 뉴스 Icebound telescope probes the Universe http://news.bbc.co.u[...] 2003-07-15
_[24] 뉴스 Tracking down the crafty neutrino https://www.theguard[...] 2011-03-22
_[25] 뉴스 Four Telescopes in Neutrino Hunt https://www.nytimes.[...] 1995-02-28
_[26] 뉴스 Tiny, Plentiful and Really Hard to Catch https://www.nytimes.[...] 2005-04-26
_[27] 뉴스 Experiment confirms Sun theories http://news.bbc.co.u[...] 2002-04-22
_[28] 뉴스 Hang on, that's not a neutrino http://m.economist.c[...] 2010-12-01
_[29] 웹사이트 Coherent Neutrino Scattering http://nucla.physics[...] 2017-09-29
_[30] 웹사이트 Neutrino detection goes small http://physicstoday.[...] 2017-09-29
_[31] 웹사이트 World’s smallest neutrino detector finds big physics fingerprint https://www.ornl.gov[...] 2017-09-29
_[32] 뉴스 The hunt for neutrinos in the Antarctic https://www.theguard[...] 2011-01-23
_[33] 뉴스 Minnesota neutrino project to get under way this month http://www.usatoday.[...] 2005-02-11

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