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한국 암흑물질 탐색실험

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목차

1. 개요

한국 암흑물질 탐색실험은 WIMP 암흑 물질을 탐색하기 위해 2000년에 시작된 실험이다. 한국수력원자력의 양양 양수 발전소 내 실험 공간을 활용하여 CsI(Tl) 섬광체 결정을 사용한 KIMS 실험을 2004년부터 진행했다. KIMS 실험은 DAMA/LIBRA의 결과를 확인하기 위해 NaI(Tl) 섬광 결정을 사용하는 COSINE-100 실험으로 발전했으며, 2016년부터 데이터 수집을 시작했다. COSINE-100은 DAMA/LIBRA의 신호를 재현하는 데 실패했으나, 2022년 유사한 연간 변동을 발견하여 DAMA 신호가 통계적 오류일 수 있다는 가설을 뒷받침했다. COSINE 검출기의 차기 버전인 COSINE-200은 정선군 예미랩에 건설될 예정이다.

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한국 암흑물질 탐색실험
한국 암흑물질 탐색 실험
개요
유형입자 물리학 실험
목적암흑물질 직접 검출
위치대한민국
운영 기관한국 암흑물질 탐색 공동 연구 그룹
(KIMS, Korea Invisible Mass Search)
참여 기관서울대학교
경북대학교
기초과학연구원
역사 및 배경
시작 년도2000년대 초반
주요 연구WIMP (Weakly Interacting Massive Particle, 약하게 상호작용하는 무거운 입자) 탐색
아이오딘화세슘(CsI) 결정 섬광 검출기 사용
실험 장소초기: 영월의 폐광
현재: 양양 지하 연구소
실험 방법 및 장비
검출기아이오딘화세슘(CsI) 결정 섬광 검출기
주요 기술저온 환경 유지, 배경 방사선 차폐 기술
탐색 대상WIMP (약하게 상호작용하는 무거운 입자)
연구 성과
주요 결과암흑물질 후보 영역 제한, 새로운 검출 기술 개발
발표 논문다수의 국제 학술지 논문 발표
기타 정보
관련 프로젝트COSINE-100
NEWS-Ondus
참고 문헌한국물리학회 논문지
Particles, Strings and Cosmology: PASCOS 2005
Symmetry: Dimensions of Particle Physics

2. 역사

KIMS 실험은 2000년에 시작되어 2012년까지 진행되었고, 이후 KIMS와 DM-Ice 그룹의 협력을 통해 COSINE-100 실험으로 이어졌다.

KIMS와 DM-Ice 그룹은 DAMA/LIBRA의 결과를 확인하거나 반증하기 위해 NaI(Tl) 섬광 결정을 배열하여 새로운 검출기를 제작하기 위해 협력했다. 2016년에는 100kg의 COSINE-100 실험이 Y2L에 설치되었고,[7] 같은 해 9월부터 물리 데이터 수집이 시작되었다.[8] COSINE 검출기의 차기 버전인 COSINE-200은 정선군 예미랩에 건설될 예정이다.

2018년 12월 5일, COSINE-100은 ''네이처''에 첫 번째 결과를 발표했으며, "DAMA 협력 연구진이 관찰한 연간 변동의 원인으로서 WIMP-핵자 상호작용을 배제한다"고 결론 내렸다.[9] 이 배제는 표준 암흑 물질 헤일로 모델의 맥락에서, 나트륨 또는 요오드 핵자와 스핀 무관 상호작용을 나타내는 18개의 테스트된 질량 중 하나를 가진 WIMP에만 적용된다.

2021년 11월, 1.7년간의 데이터 수집을 통해 얻은 COSINE-100 실험의 새로운 결과 역시 DAMA의 신호를 재현하는 데 실패했다.[10][11]

2022년 8월, COSINE-100은 DAMA/LIBRA가 사용한 것과 유사한 분석 방법을 적용하여 비슷한 연간 변동을 발견했으며, 이는 신호가 단지 통계적 오류일 수 있음을 시사하며, 2020년에 처음 제시된 가설을 뒷받침한다.[12][13][14]

2. 1. KIMS 실험의 시작과 발전 (2000년 ~ 2012년)

KIMS 실험은 WIMP 암흑 물질을 탐색하기 위해 2000년에 자금 지원을 받았다. 새로운 시험 터널 건설 비용을 절감하기 위해, 대한민국 양양군에 위치한 한국수력원자력의 양양 양수 발전소가 사용되었다. 2003년에 건설이 완료되었다. 사용된 CsI(Tl) 섬광체 결정은 높은 광 수율을 가지며 대량의 질량에 사용할 수 있을 정도로 비용 효율적이다. 초기 설치 및 결정 개발에 상당한 노력을 기울인 후, KIMS는 2004년에 6kg 크기의 결정 1개로 데이터를 기록하기 시작했다.[2] 2005년부터 2006년까지는 4개의 결정을 사용하는 실험 장치가 WIMP 탐색을 최적화하기 위해 가동되었다. 2008년에는 103.4kg 질량의 12개 결정 배열이 완성되었으며, 광전자 증배관(PMT) 교체를 위한 검출기 업그레이드 전인 2012년 12월까지 가동되었다.

2. 2. 초기 실험 결과 및 DAMA/LIBRA 논쟁 (2006년 ~ 2014년)

2006년에 단일 결정 데이터를 사용하여 첫 번째 WIMP 단면적 탐색 결과가 발표되었다.[4] 2007년과 2012년에 새로운 제한이 제시되었으며,[5] 이는 20 GeV 이상의 질량에 대한 DAMA 신호 보고서와 일치하지 않았다. 24,324.3 kg•일의 노출을 사용하여 2014년에 20 GeV 미만의 저질량 WIMP 신호가 기각되었다.[6]

3. COSINE 실험

KIMS와 DM-Ice 그룹은 DAMA/LIBRA의 결과를 확인하거나 반증하기 위해 NaI(Tl) 섬광 결정을 배열하여 새로운 검출기를 제작하고자 협력했다. 2016년 9월, 100kg의 COSINE-100 실험이 Y2L에 설치되어 물리 데이터 수집이 시작되었고,[7][8] COSINE 검출기의 차기 버전인 COSINE-200은 정선군 예미랩에 건설될 예정이다.

COSINE-100은 2018년 12월 5일 ''네이처''에 첫 번째 결과를 발표했으며, "DAMA 협력 연구진이 관찰한 연간 변동의 원인으로서 WIMP-핵자 상호작용을 배제한다"고 결론 내렸다.[9] 이 배제는 표준 암흑 물질 헤일로 모델에서, 나트륨 또는 요오드 핵자와 스핀 무관 상호작용을 하는 18개의 테스트된 질량 중 하나를 가진 WIMP에만 적용된다.

2021년 11월, 1.7년간의 데이터 수집 결과 COSINE-100 실험은 DAMA의 신호를 재현하는 데 실패했고,[10][11] 2022년 8월에는 DAMA/LIBRA와 유사한 분석 방법을 적용하여 비슷한 연간 변동을 발견했다. 이는 신호가 통계적 오류일 수 있다는 2020년의 가설을 뒷받침한다.[12][13][14]

3. 1. COSINE 실험으로의 확장 (2016년 ~ 현재)

KIMS와 DM-Ice는 DAMA/LIBRA의 결과를 확인하거나 반증하기 위해 NaI(Tl) 섬광 결정을 이용한 새로운 검출기 제작에 협력했다. 2016년에 100kg의 COSINE-100 실험이 Y2L에 설치되었고,[7] 이후 COSINE-200 실험이 예미랩에 건설될 예정이다.

3. 1. 1. COSINE-100 실험 결과 (2018년 ~ 2022년)

KIMS와 DM-Ice 그룹은 DAMA/LIBRA의 결과를 확인하거나 반증하기 위해 NaI(Tl) 섬광 결정을 배열하여 새로운 검출기를 제작하고자 협력했다. 2016년 9월, Y2L에서 100kg의 COSINE-100 실험이 시작되어 물리 데이터 수집을 시작했다.[7][8]

2018년 12월 5일, COSINE-100은 ''네이처''에 첫 번째 결과를 발표했다. 이들은 "DAMA 협력 연구진이 관찰한 연간 변동의 원인으로서 WIMP-핵자 상호작용을 배제한다"고 결론 내렸다.[9] 이 배제는 표준 암흑 물질 헤일로 모델의 맥락에서, 나트륨 또는 요오드 핵자와 스핀 무관 상호작용을 나타내는 18개의 테스트된 질량 중 하나를 가진 WIMP에만 적용된다.

2021년 11월, 1.7년간의 데이터 수집을 통해 얻은 COSINE-100 실험의 새로운 결과는 DAMA의 신호를 재현하는 데 실패했다.[10][11]

2022년 8월, COSINE-100은 DAMA/LIBRA가 사용한 것과 유사한 분석 방법을 적용하여 비슷한 연간 변동을 발견했다. 이는 신호가 단지 통계적 오류일 수 있음을 시사하며, 2020년에 처음 제시된 가설을 뒷받침한다.[12][13][14]

참조

[1] 서적 The Journal of the Korean Physical Society https://books.google[...] Korean Physical Society 2005
[2] 서적 Particles, Strings and Cosmology: 11th International Symposium on Particles, Strings and Cosmology; PASCOS 2005 https://books.google[...] Springer 2005-12-12
[3] 서적 Symmetry: Dimensions of Particle Physics https://books.google[...] Fermi National Accelerator Lab. 2006
[4] 학술지 First limit on WIMP cross section with low background CsI(Tℓ) crystal detector 2006-02-09
[5] 학술지 New Limits on Interactions between Weakly Interacting Massive Particles and Nucleons Obtained with CsI(Tl) Crystal Detectors 2012-04-30
[6] 학술지 Search for low-mass dark matter with CsI(Tl) crystal detectors 2014-09-23
[7] 컨퍼런스 Status of the COSINE experiment https://idm2016.shef[...] 2016-07-20
[8] 웹사이트 COSINE-100 Experiment https://cosine.yale.[...] Yale 2018-10-29
[9] 학술지 An experiment to search for dark-matter interactions using sodium iodide detectors 2018-12-05
[10] 학술지 Strong constraints from COSINE-100 on the DAMA dark matter results using the same sodium iodide target 2021-11-12
[11] 웹사이트 Is the end in sight for famous dark matter claim? https://www.science.[...] 2021-12-29
[12] 학술지 An induced annual modulation signature in COSINE-100 data by DAMA/LIBRA's analysis method 2023
[13] 학술지 Notorious dark-matter signal could be due to analysis error https://www.nature.c[...] 2022-08-16
[14] 학술지 Annual modulations from secular variations: relaxing DAMA?
[15] 웹인용 서울대 김선기 교수는 누구인가 http://weekly.chosun[...] 2020
[16] 서적 The Journal of the Korean Physical Society http://books.google.[...] 한국물리학회 2005
[17] 서적 Particles, Strings and Cosmology: 11th International Symposium on Particles, Strings and Cosmology; PASCOS 2005 http://books.google.[...] Springer 2005-12-12
[18] 서적 Symmetry: Dimensions of Particle Physics http://books.google.[...] Fermi National Accelerator Lab. 2006


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