XENON

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1. 개요
2. 검출 원리
3. XENON10
- 3.1. 설치 및 운영
- 3.2. 연구 결과
4. XENON100
- 4.1. 설치 및 운영
- 4.2. 연구 결과
5. XENON1T
- 5.1. 설치 및 운영
- 5.2. 연구 결과
6. XENONnT
- 6.1. 설치 및 운영
- 6.2. 연구 결과
참조

1. 개요

XENON은 암흑 물질 탐색을 위한 실험 프로젝트로, 액체 제논을 사용하는 이중 위상 시간 투영 체임버(TPC) 검출기를 활용한다. 검출기는 섬광 및 전계 발광 빛을 감지하여 입자 상호 작용의 3차원 위치를 측정하고, 전자 반동과 핵 반동을 구별하여 암흑 물질 후보를 탐색한다. XENON 프로젝트는 XENON10, XENON100, XENON1T, XENONnT 등의 검출기를 개발해왔으며, 각 검출기는 감도 향상을 위해 액체 제논의 양을 늘리고 배경 방사선을 줄이는 방향으로 발전해왔다. XENON1T는 전자 반동 과잉 현상을 보고했으나, XENONnT의 새로운 분석을 통해 부정되었으며, XENONnT는 WIMP 탐색에 대한 첫 번째 결과를 발표했다.

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XENON
개요
종류	암흑물질 직접 탐색 실험
위치	이탈리아 그란 사소 국립 연구소
상태	운영 중단
세대별 실험
XENON10	기간: 2005년 - 2007년 질량: 10 kg
XENON100	기간: 2008년 - 2016년 질량: 161 kg
XENON1T	기간: 2016년 - 2020년 질량: 3.2톤
XENONnT	기간: 2020년 - 현재 질량: 8.6톤
상세 정보
표적 물질	제논
탐지 방법	액체 제논 이중상 시간 투영 챔버 (TPC)
주요 목표	100 GeV/c² 질량 범위에서 WIMP 암흑물질 탐색 낮은 질량의 WIMP 암흑물질 탐색 희귀한 상호작용 연구
관련 기관	컬럼비아 대학교 퍼듀 대학교 취리히 대학교 막스 플랑크 핵물리학 연구소 볼로냐 대학교 라이프니츠 대학교 하노버 요하네스 구텐베르크 대학교 마인츠 웨츠만 과학 연구소 스톡홀름 대학교 나폴리 페데리코 2세 대학교 도쿄 대학교 칭화 대학 상하이 자오 퉁 대학 뉴욕 주립 대학교 올버니 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 암스테르담 국립 연구소 아부다비 뉴욕 대학교 산티아고 데 콤포스텔라 대학교 카를로스 3세 대학교 아르곤 국립 연구소 렌셀러 폴리테크닉 대학교 토리노 대학교 그라나다 대학교 코임브라 대학교 뮌스터 대학교 파리 시테 대학교

2. 검출 원리

XENON 검출기는 액체 제논 표적과 그 위에 기체 제논 영역을 갖는 이중 위상 시간 투영 체임버(TPC)를 사용한다. 검출기 상단과 하단에는 광전자 증배관(PMT) 배열이 설치되어 있어, 하전 입자가 검출기 내에서 상호작용할 때 생성되는 섬광 및 전계 발광 빛을 감지한다. 액체 및 기체 영역에는 전기장이 가해지는데, 기체 영역의 전기장은 액체 영역에서 전자를 추출할 수 있을 만큼 강하다.^[1]

2. 1. 섬광 및 전리 신호

XENON 실험은 액체 제논 표적과 그 위에 기체 제논 영역을 가진 이중 위상 시간 투영 체임버(TPC)를 사용한다. 입자 상호작용이 액체 제논 내에서 발생하면 섬광과 이온화 현상이 동시에 일어난다. 즉각적으로 발생하는 섬광은 178nm 파장의 자외선 광자 형태로 나타나며, 이를 S1 신호라고 부른다. 이 신호는 광전자 증배관(PMT)에 의해 검출된다.^[1]

전리 현상으로 생성된 전자는 액체 제논 내부에 가해진 전기장에 의해 재결합하지 않고 액체 표면 위로 이동한다. 이 전자들은 액체와 기체 경계면의 강한 전기장에 의해 기체 제논 영역으로 추출된다. 기체 영역에서 전자는 가속되어 전계 발광을 일으키고, 이는 또 다른 섬광 신호인 S2 신호를 생성한다. S2 신호는 비례적인 섬광 신호로, PMT로 수집되며, 단일 전자에서 생성된 신호도 감지할 수 있을 정도로 민감하다.^[1]^[35]

2. 2. 3차원 위치 측정

XENON 실험에서는 S1 신호와 S2 신호의 시간차를 측정하여 상호작용 깊이(z축)를 결정한다. 액체 제논 속 전자는 일정한 속도로 움직이므로, 이 시간차로 상호작용 발생 깊이를 알 수 있다.^[2] x-y 평면 위치는 각 광전자 증배관(PMT)에서 검출되는 광자 수를 분석하여 파악한다.^[2]

이러한 3차원 위치 측정을 통해 검출기 내 배경 사건 발생률이 낮은 유효 체적(fiducial volume)을 정의할 수 있다.^[2] 유효 체적은 액체 제논의 자기 차폐 특성 덕분에 검출기 가장자리에 비해 배경 사건 발생률이 현저히 낮다. 이는 희귀 사건 탐색 시 감도를 크게 높이는 데 기여한다.^[2]

2. 3. 신호 구별

XENON 검출기에서 검출되는 신호에는 제논 원자의 전자와 반응한 전자 반동(electron recoil, ER)과 제논 원자의 원자핵과 반응한 핵 반동(nuclear recoil, NR) 두 종류가 있다. 전자 반동 사건과 핵 반동 사건에서는 반응 시에 생기는 신틸레이션 광과 전리 신호에 사용되는 에너지 비율이 다르므로, S1 신호와 S2 신호 크기의 비에 차이가 생긴다. S2/S1 값은 전자 반동 사건이 핵 반동 현상보다 크다고 알려져 있으며, 암흑 물질과의 반응에서 기대되는 핵 반동의 선택 효율을 50% 이상 유지한 채, 전자 반동에 의한 배경 사건을 99% 이상 제거할 수 있다.^[3] 이 S2/S1 비율의 차이를 이용하여 WIMP(약하게 상호작용하는 무거운 입자)에 의한 핵 반동 신호를 배경사건으로부터 구별한다.

3. XENON10

XENON10은 XENON 프로젝트의 초기 검출기로, 설계 효능을 검증하고 성능을 평가하기 위해 제작되었다. 이탈리아 그란 사소 연구소 지하에 설치되어 3100m 상당의 물 차폐를 제공받았다. 검출기는 TPC의 배경률을 줄이기 위해 차폐 장치 내에 배치되었다. 15kg의 액체 제논을 포함한 XENON10 검출기는 지름 20cm, 높이 15cm의 감지 영역을 가졌다.^[4]

XENON10은 59일간의 데이터 분석 결과, WIMP 신호는 발견되지 않았지만, 30 GeV/c² 질량의 WIMP에 대해 10⁻⁴³ cm² 이하의 스핀 독립 WIMP-핵자 단면적 제한을 설정했다.^[5] 또한, 자연 제논의 홀수 스핀 상태(¹²⁹Xe는 26%, 스핀-1/2; ¹³¹Xe는 21%, 스핀-3/2)를 이용하여 순수 중성자 결합에 대해 당시 세계 최고 수준의 제한을 설정했다.^[6]

3. 1. 설치 및 운영

XENON10 실험은 2006년 3월 이탈리아의 그란 사소 연구소 지하에 설치되었다. 연구소의 지하 위치는 3100m 상당의 물 차폐를 제공한다. 검출기는 TPC의 배경률을 더욱 줄이기 위해 차폐 장치 내에 배치되었다. XENON10은 XENON 디자인의 효능을 증명하고, 달성 가능한 임계값, 배경 거부 능력 및 민감도를 검증하기 위한 프로토타입 검출기였다. XENON10 검출기는 15kg의 액체 제논을 포함했으며, TPC의 감지 영역은 지름 20cm, 높이 15cm이다.^[4]

2006년 10월부터 2007년 2월까지 59일간의 데이터를 수집하여 분석했지만, WIMP 신호는 발견되지 않았다. WIMP 탐색 영역에서 관찰된 이벤트 수는 전자 반동 배경에서 예상되는 이벤트 수와 통계적으로 일치한다.^[5]

3. 2. 연구 결과

2006년 10월부터 2007년 2월까지 59일 동안 데이터를 분석했지만, WIMP 신호는 발견되지 않았다. WIMP 탐색 영역에서 관찰된 이벤트 수는 전자 반동 배경에서 예상되는 이벤트 수와 통계적으로 일치했다. 이 결과는 30 GeV/c² 질량의 WIMP에 대해 10⁻⁴³ cm² 이하의 스핀 독립 WIMP-핵자 단면적 제한을 설정하여, 최소 초대칭 모형의 가능한 매개변수 공간 일부를 배제했다.^[5]

자연 제논의 거의 절반은 홀수 스핀 상태를 갖는다. (¹²⁹Xe는 26%, 스핀-1/2; ¹³¹Xe는 21%, 스핀-3/2) 따라서 XENON 검출기는 암흑 물질 후보 입자가 중성자와 양자 모두에 결합하는 경우 스핀 의존 WIMP-핵자 단면적에 대한 제한을 제공할 수 있다. XENON10은 순수 중성자 결합에 대해 당시 세계 최고 수준의 제한을 설정했다.^[6]

4. XENON100

XENON100은 XENON10의 후속 검출기로, 165kg의 액체 제논을 사용했다. 이 중 62kg은 암흑 물질 검출을 위한 표적 영역으로, 나머지는 활성 베토로 사용되었다. 검출기 상단에는 98개, 하단에는 80개의 PMT(하마마츠 R8520-06-A1)가 설치되어 광자 수집 효율을 높였다.

4. 1. 설치 및 운영

XENON100은 165kg의 액체 제논을 포함하며, 그중 62kg이 표적 영역으로 사용되었다. TPC는 직경 30cm, 높이 30cm이다. WIMP 상호 작용은 극히 드문 사건으로 예상되므로 XENON100 건설 및 시운전 단계에서 검출기의 모든 부품에 대한 방사능 검사 캠페인이 철저하게 시작되었다. 검사는 고순도 게르마늄 검출기를 사용하여 수행되었으며, 몇몇 경우에 질량 분석법이 저질량 플라스틱 샘플에 대해 수행되었다.^[7] 이를 통해 10⁻² events/kg/day/keV의 설계 목표를 달성하여 세계에서 가장 낮은 배경율의 암흑 물질 검출기를 실현했다.

이 검출기는 2008년 그란 사소 국립 연구소에 XENON10 검출기와 동일한 차폐 시설에 설치되었다.^[8]

4. 2. 연구 결과

XENON100은 2008년 그란 사소 국립 연구소에 설치되어 여러 과학적 실험을 수행했다. 각 실험에서 예상되는 배경을 넘어서는 암흑 물질 신호는 관측되지 않았다. 2012년에 65 GeV/c² WIMP 질량에 대해 2.0 x 10⁻⁴⁵ cm²에서 최소값을 갖는 스핀 독립 WIMP-핵자 단면적에 대한 가장 엄격한 제한을 설정했다.^[8] 이 결과는 다른 실험에서 암흑 물질 상호 작용으로 인한 신호에 대한 해석을 제약하며, 비탄성 암흑 물질과 같은 이례적인 모델을 배제한다.^[9]

XENON100은 또한 스핀 의존적 WIMP-핵자 단면적에 대한 개선된 제한을 제공했다.^[10] 2014년에는 액시온 결과가 발표되었으며, 새로운 최고 액시온 한계를 설정했다.^[11]

XENON100은 당시 암흑 물질 탐색을 위한 가장 낮은 배경 실험을 수행했으며, 배경은 50 mDRU (1 mDRU=10⁻³ events/kg/day/keV)였다.^[12]

5. XENON1T

XENON1T는 XENON 프로젝트의 3세대 검출기로, 톤 단위의 액체 제논을 사용하여 WIMP 탐색 감도를 크게 향상시켰다. 유럽, 중동 및 미국에서 온 22개 기관의 135명의 연구원으로 구성된 XENON 협력에 의해 진행되었다.

XENON1T 실험에서 얻은 WIMP와 핵자의 상호 작용 산란 단면적의 상한값 (2017년 11월 출판)

XENON1T는 2016년부터 2018년까지 작동했으며, 2018년 말에 다음 단계인 XENONnT 건설을 위해 데이터 수집을 중단했다. 2020년 6월, XENON collaboration은 전자 반동 사건의 초과를 보고했으나, 2022년 7월에 후속 기기인 XENONnT 검출기의 데이터에 의해 부정되었다.

5. 1. 설치 및 운영

2014년 그란 사소 국립 연구소 B동에서 XENON1T의 다음 단계 건설이 시작되었다. 이 검출기는 3.2톤의 초고순도 액체 제논을 포함하며, 유효 부피는 약 2톤이다. 이 검출기는 뮤온 베토(muon veto) 역할을 하는 10m 물탱크 안에 설치되어 있다. TPC는 직경 1m, 높이 1m이다.^[19]

5. 2. 연구 결과

XENON 협력은 2017년 5월 18일에 XENON1T의 첫 번째 결과를 발표했다. 이는 2016년 11월부터 2017년 1월까지 34일 동안의 데이터 수집을 기반으로 한 것이었다. 공식적으로 WIMP나 암흑 물질 후보 신호는 감지되지 않았지만, XENON1T에서 감지되는 배경 방사능 수준이 기록적으로 낮게 감소했음을 발표했다. 이 결과는 LUX 실험이 설정한 이전 최고 한계를 넘어섰으며, 의 WIMP 질량에 대해 보다 큰 단면적을 배제했다.^[19]

2018년 9월, XENON1T 실험은 278.8일 동안 수집된 데이터 결과를 발표했다. 의 WIMP 질량에서 의 최소값을 갖는 WIMP-핵자 스핀 무관 탄성 상호 작용에 대한 새로운 기록 한계를 설정했다.^[20]

2019년 4월, XENON 협력은 네이처에 제논-124 핵에서 두 중성미자 이중 전자 포획의 최초 직접 관측을 보고했다. 이 과정의 측정된 반감기는 우주의 나이보다 훨씬 길었으며, 이는 희귀 사건을 검색하는 제논 기반 검출기의 능력과 차세대 실험의 광범위한 물리학적 범위를 보여준다. 이 측정은 중성미자 없는 이중 전자 포획 과정 탐색의 첫 번째 단계이며, 이 과정의 감지는 중성미자의 본질에 대한 통찰력을 제공하고 절대 질량을 결정할 수 있게 해준다.^[21]

2020년 6월, XENON1T 협력은 전자 반동의 과잉을 보고했다. 예상된 232개보다 많은 285개의 이벤트가 관측되었으며, 통계적 유의성은 3.5σ였다.^[19]^[20] 이에 대한 설명으로 태양 액시온의 존재, 중성미자에 대한 큰 자기 모멘트, 검출기의 삼중수소 오염 등이 고려되었다.^[21] 이후 다른 그룹에 의해 여러 설명이 제공되었으며,^[22] 2021년에는 암흑 물질 입자가 아닌 암흑 에너지 입자 후보인 카멜레온 입자로의 결과 해석도 논의되었다.^[23]^[24] 그러나 2022년 7월, XENONnT에 의한 새로운 분석은 이 과잉을 부정했다.^[25]^[26]

6. XENONnT

XENONnT는 XENON1T의 업그레이드 버전으로, 더 큰 질량의 액체 제논과 향상된 배경사건 제거 기술을 통해 WIMP 탐색 감도를 더욱 높였다. 시간 투영 챔버의 더 큰 제논 표적 외에도, 업그레이드된 실험에는 측정을 방해하는 배경 복사를 추가로 줄이거나 태그하기 위한 새로운 구성 요소가 포함되어, 중성미자가 상당한 배경이 되는 (탐사된 질량 범위의 작은 부분에서) 민감도에 도달하도록 설계되었다. 2019년 현재 업그레이드가 진행 중이었으며, 2020년에 첫 가동이 예상되었다.^[27]^[28] 제논의 질량 증가 외에도 배경 사건을 줄이고 반동시 측정을 위한 여러 개선 사항이 적용되었다.

6. 1. 설치 및 운영

XENONnT는 그란 사소 국립 연구소(LNGS) 지하에 있는 XENON1T 실험을 업그레이드한 버전이다. 총 8톤 이상의 제논 질량을 포함한다.^[27]^[28]

XENONnT 검출기는 2020년 3월에 건설 중이었으며, 코로나19(COVID-19)로 인한 문제에도 불구하고 2020년 중반까지 건설을 완료하고 시운전 단계에 들어갔다. 전체 검출기 운영은 2020년 말에 시작되었고,^[29]^[30] 2021년 9월에는 첫 번째 과학 실행을 위한 과학 데이터를 수집하고 있었다.^[31]

XENONnT 검출기는 XENON1T 검출기의 후속기로서 이탈리아 그란 사소 국립 연구소 홀 B에 건설되었다. 약 8톤의 액체 제논이 사용되며, 검출기는 직경 및 높이 10m의 물 탱크 안에 설치되어 있다. 2020년에 완성되어 측정을 시작했다.

6. 2. 연구 결과

2022년 7월, XENONnT는 XENON1T에서 확인된 전자 반동 초과 현상에 대해 정밀 관측을 실시하여 이를 부정하는 결과를 발표했다.^[32] 2023년 7월 28일, XENONnT는 WIMP 탐색에 대한 첫 번째 결과를 발표하여 28 GeV에서 90% 신뢰 수준으로 2.58x10^-47 cm² 이상의 단면적을 제외시켰으며,^[32] 같은 날 LZ 실험도 첫 번째 결과를 발표하여 36 GeV에서 90% 신뢰 수준으로 9.2x10^-48 cm² 이상의 단면적을 제외시켰다.^[34]

참조

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