대규모 중성미자 실험 원천 될 새로운 결정 개발

대규모 중성미자 실험 원천 될 새로운 결정 개발

- 잡음 적은 결정 만들고 시험... 100배 높은 민감도로 중성미자 질량 예측 기대 -

대규모 중성미자 실험의 원천이 될 새로운 결정이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 지하실험 연구단 김영덕 단장과 경북대학교 김홍주 교수를 비롯한 국제공동연구진은 중성미자를 방출하는 결정들을 4년 간 개발·시험한 끝에 다이소듐몰리브데이트(Na2Mo2O7) 등 4개를 1차 선정했다. 최종 선정된 결정은 향후 200kg 이상 만들어져, 현재 10kg 가량의 결정을 사용하는 전 세계 경쟁그룹 중 가장 큰 규모의 중성미자 실험이 될 것으로 예상된다.

중성미자는 우주를 이루는 기본입자들 중 가장 가벼운 입자로 다른 물질과 거의 반응하지 않는다. 매초 700억 개의 중성미자가 엄지손가락을 뚫고 지나가지만 우리는 전혀 느낄 수 없다. 이처럼 관측이 힘들기 때문에 ‘유령입자’로 불리며 입자물리학의 수수께끼로 남아있다. 중성미자의 성질과 질량을 측정하기 위해 미국 샌포드 지하연구시설, 일본 카미오카 우주관측소, 이탈리아 그랑사소 연구소 등 세계 곳곳에서 대규모 실험들이 진행되고 있다.

지하실험 연구단이 이끄는 AMoRE1)연구진은 앞서 2015년부터 2018년까지 무게 1.9kg의 칼슘몰리브데이트(CaMoO4)결정으로 강원도 양양에서 파일럿 실험을 진행했다. 중성미자를 얻기 위해서는 결정 속 100Mo2)가 다른 원자로 변하면서 전자와 중성미자를 방출하는 ‘이중베타붕괴3)’ 현상을 이용한다. 이 때 실험에 사용하는 몰리브데이트 결정이 내뿜는 빛 특성이 중요하며, 결정의 총량이 많을수록 이중베타붕괴가 더 많이 발생한다. 이 때문에 전세계 중성미자 연구들이 더 좋은 결정을 찾고 그 무게를 늘리는 방향으로 실험을 갱신하고 있다.

이번 연구에서는 먼저 기존 칼슘몰리브데이트(CaMoO4) 결정의 문제점을 해결할 여러 결정들을 성장시켰다. 칼슘몰리브데이트 결정은 방출하는 빛이 많아 데이터를 얻는 데 유리하지만, 칼슘(Ca) 중 0.18% 비율로 존재하는 48Ca이 또다른 이중베타붕괴를 일으켜 잡음이 발생한다. 연구진은 기존에 연구되지 않았던 결정들의 여러 화학적 단계를 연구해 리튬, 세슘, 나트륨이 든 새로운 몰리브데이트 결정 8개를 성장시키고, 기존 국제공동연구로 성장시켰던 아연, 납 함유 결정 4개와 함께 테스트를 진행했다.

연구진은 12개의 후보 결정들이 방출하는 빛과 파장 특성 등을 상온에서부터 약 10 켈빈(섭씨 -263도)의 저온까지 연구하고, 이를 기존의 칼슘몰리브데이트(CaMoO4) 결정과 비교했다. 방출하는 빛의 양과 시간 등을 측정한 결과 후보 결정 중 다이소듐몰리브데이트(Na2Mo2O7)가 가장 적합함을 확인하고, 이를 비롯한 4개 결정을 1차 후보로 선정했다. 결정을 연구, 개발 및 성장하는 데 2년, 특성 시험에 2년이 걸렸다.

실험에 사용할 결정은 극저온 시험을 거쳐 앞으로 1-2년 후에 최종 선정될 것으로 예상된다. 이중베타붕괴를 다른 배경 신호와 구분하기 위해 약 수십 밀리켈빈(mK)4)의 극저온환경이 필요한데, 결정이 이 온도에서 어떻게 작동하는지 보는 과정이다. 최종 실험에는 다이소듐몰리브데이트(Na2Mo2O7), 다이리튬몰리브데이트(Li2MoO4), 레드몰리브데이트(PbMoO4)와 기존의 칼슘몰리브데이트(CaMoO4)를 비교할 예정이다.

AMoRE 국제 연구진은 현재 6kg의 결정으로 1단계 실험을 준비 중이며, 향후 선택된 결정 200kg는 강원도 정선에서 2021년 착수할 2단계 실험에 약 5년 동안 사용된다.공동교신저자인 이무현 연구위원은 “최근의 1.9kg 결정 실험으로는 중성미자 질량이 수소원자 질량의 10억분의 1보다 더 작다는 정보를 얻었다”며 “향후에 결정 200kg로 실험하면 민감도가 100배 더 좋아져, 수소원자 질량의 1000억분의 1 수준과 중성미자 질량을 비교할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 결정 연구와 기술에 관한 전문학술지 크리스탈 리서치 앤 테크놀로지(Crystal Research and Technology)에 11월 13일(한국시간) 게재됐으며, 이 달의 표지논문으로 채택되었다.

그림설명

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▲ 그림 1. 이번 논문에 사용된 12종 결정섬광체의 샘플 사진윗줄 왼쪽부터 CaMoO4(칼슘몰리브데이트, 우크라이나), ZnMoO4(징크몰리브데이트, 러시아 니콜라예프 무기화학연구원), ZnMoO4(징크몰리브데이트, 우크라이나 Institute for Scintillating MAterials), PbMoO4(레드몰리브데이트, 러시아 니콜라예프 무기화학연구원), Li2MoO4(다이리튬몰리브데이트) Pb2MoO5 (다이레드몰리브데이트, 러시아 니콜라예프 무기화학연구원), 아랫줄 왼쪽부터 Li4Mo5O17(쿼드리튬몰리브데이트), Cs2MoO4(다이세슘몰리브데이트), Cs2Mo2O7(다이세슘몰리브데이트), Cs2Mo3O10(다이세슘몰리브데이트), Na2Mo2O7(다이소듐몰리브데이트), Na6Mo11O36(헥사소듐몰리브데이트)이다. 다섯 개를 제외하고 모두 경북대에서 성장시킨 결정들이다.

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▲ 온도에 따른 몰리브데이트 결정들의 발광효율280-nm의 빛을 방출하는 LED 소스를 사용하여 측정했다. CaMoO4(칼슘몰리브데이트, 검정색)를 제외하면 Na2Mo2O7(다이소듐몰리브데이트, 빨간색)가 250K 보다 낮은 온도에서는 가장 센 빛을 방출하는 것을 볼 수 있다.

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▲ 그림 3. 아모레 파일럿 실험과 1단계, 2단계 실험 규모 비교왼쪽은 6개 결정을 사용한 아모레 파일럿 실험의 검출기 사진, 중앙은 아모레 1단계 실험에 사용될 18개 결정 검출기, 오른쪽은 아모레 2단계 실험에 사용될 약 200개의 결정 검출기의 예상도이다.

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▲ 그림 3. 1차 후보로 선정된 결정섬광체 4종사진은 실제 실험에 사용되는 크기로, 결정 한 개는 300~500g 가량이다. 왼쪽부터 칼슘몰리브데이트(CaMoO4), 다이리튬몰리브데이트(Li2MoO4), 레드몰리브데이트(PbMoO4), 비닐에 싸인 다이소듐몰리브데이트(Na2Mo2O7) 이다. 파일럿 실험에는 칼슘몰리브데이트가 사용되었고, 1단계 실험에는 칼슘몰리브데이트와 다이리튬몰리브데이트가 함께 사용될 예정이다.


1) 중성미자 국제공동연구 프로젝트 이름으로 ‘Advanced Molybdenum-based Rare process Experiment’의 약자다. 전세계 8개국 104명 입자물리학자와 기술자가 참여하고 있다.

2) 동위원소 : 원자 속 양성자 수는 같으나, 중성자 수가 달라 무게와 성질이 다른 원자들을 가리킨다. 몰리브데넘의 경우 양성자와 중성자를 합친 갯수가 92인 92Mo 부터 100인 100Mo 까지 자연에 존재하고, 이 중 100Mo는 전체의 9.6%를 차지한다.

3) 이중베타붕괴 : 이중베타붕괴는 어떤 동위원소의 핵이 두 개의 전자와 중성미자를 방출하며 다른 원자로 바뀌는 현상이다. 예를 들면 100Mo(몰리브데넘)에서 중성자 2개가 양성자 2개로 바뀌며 100Ru(루테늄)이 된다.

4) 수십 밀리켈빈(mK) : 절대0도인 -273도씨에서 0.01~0.09도씨 높은 온도다.



첨부

191212_[IBS_보도자료]_대규모 중성미자 실험 원천 될 새로운 결정 개발_(지하실험 연구단 Cryst Res Technol) (1)

191212_[IBS] 그림 및 사진(지하실험 연구단 Cryst Res Technol) (1)