액체신틸레이션 검출기 공간분해능과 각도계산 방법에 따른 중성미자 지향성

이운상, 박명렬, 최준호, 여인성, 주경광, New Physics: Sae Mulli 72, 663 (2022).

고에너지 물리실험에서 사용되는 입자 검출장비들은 입자들의 상호작용에서 발생하는 여러 물리량을 측정하기 위해 특별한 목적을 갖는 여러 시스템들로 구성되어 있다. 반응에서 발생한 입자의 종류를 파악하기 위하여 입자들의 궤도를 추적하는 트랙커(tracker), 입자들의 에너지를 측정하는 칼로리미터(calorimeter)가 있으며, 때로는 입자들의 종류를 파악하기 위하여 높은 세기의 자기장을 걸어 주기도 한다. 또한 특별한 조건을 만족시키는 반응을 데이터로 저장하라는 신호를 발생시키는 트리거(trigger) 장비까지 서로 이름을 달리 하지만 이 범주에 모두 포함된다. 이 장비들은 실험의 조건에 따라 때로는 특별한 조건을 만족시켜야 하며 이를 위한 연구들은 꾸준히 진행되고 있다.

하지만 중성미자를 검출해야 하는 경우에는 일반적인 검출기로 접근하기에 한계가 있다. 중성미자가 물질과 거의 상호작용하지 않기 때문에 사용되는 중성미자 검출기는 거대한 규모를 갖는 경우가 많다. 현재 건설이 진행 중인 일본의 Hyper-Kamiokande 검출기는 물 25만 여 톤을 채운 거대한 탱크 내에 광전자 증배관을 4만 개 이상 설치하는 구조로 되어 있다. 막대한 예산이 필요한 이같은 거대 검출기는 중성미자와 관련된 거의 대부분의 상수를 정밀 측정하고, 중성미자 망원경으로써 다중 신호(multi-messenger) 천문학에서 이용할 수 있다.

반면 소규모 중성미자 검출기도 있으며, 이 경우는 원자로처럼 막대한 양의 중성미자를 발생시키는 선원을 이용하여 중성미자의 특정 상수를 정밀 측정하는 것을 목적으로 하는 경우가 많다. 대표적인 경우가 영광 한빛 발전소 근방에 설치된 RENO 검출기이다. 이 검출기는 높이 10 m이고 지름이 10 m인 구멍을 터널 내에 파고 그 안에 검출기를 설치할 수 있을 정도로 작다. 지금까지는 RENO와 같은 소규모 중성미자 검출기에서 중성미자의 입사 방향을 측정하는 것에 대해서는 관심을 가지지 않았다. 중성미자 발생원의 위치를 이미 정확하게 알고 있기 때문에 굳이 관심을 가질 이유가 없었다.

중성미자는 여러 과학적 가설을 증명할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 그 중에는 지금까지 알려진 것보다 훨씬 신뢰도가 높은 초신성의 폭발 과정에 대한 이해가 있으며, 지구의 핵에서 발생하는 막대한 에너지의 발생원인을 파악하는 것을 포함한다. 이 경우에는 중성미자의 비행 방향이 매우 중요하다. 즉 어떤 중성미자의 데이터가 어디에서 유래하는지를 알아내는 것이 연구의 선행조건이다.

막대한 예산 때문에 그 수가 작을 수밖에 없는 거대 중성미자 검출기보다는 이미 여러 곳에 설치되어 있는 중소형 중성미자 검출기를 이용한다면 오히려 손쉽게 중성미자의 비행방향에 대한 정보를 초기에 확인할 수 있는 잠재력이 있다. 이 논문에서는 중소형 중성미자 검출기를 이용한 중성미자 입사 방향(지향성, directionality)을 확인할 수 있는 방법을 살펴보았다.

대부분의 중소형 중성미자 검출기는 액체신틸레이터를 기반으로 하고 있으며, 역베타붕괴(inverse beta decay)를 이용하여 중성미자를 검출하는 방법을 취하고 있다. 역베타붕괴에서 발생하는 양전자 (positron)와 중성자를 이용하면 중성미자의 입사방향을 가늠할 수 있다. 양전자는 발생 즉시 주변의 전자와 쌍소멸되기 때문에 역베타붕괴가 발생한 지점에 대한 정보를 줄 것이다. 또한 중성자는 중성미자의 비행방향으로 대부분 부스트(boost)되기 때문에 중성자가 액체 신틸레이터를 구성하는 수소원자핵이나 또는 가돌리늄과 같은 무거운 원자핵에 흡수되어 일정한 시간이 지난 후 붕괴할 때 발생하는 광자들을 통해 중성자의 흡수 지점을 재구성할 수 있다. 따라서 양전자를 통해 얻은 역베타붕괴가 일어난 지점과 중성자가 원자핵에 흡수된 지점을 이용하여, 통계적으로 중성미자 지향성을 가늠할 수 있는 가능성을 연구하였다.

이 연구를 통하여 가장 우려되었던 중성미자 검출기의 공간분해능은 중성미자 지향성에 대한 결과에 큰 영향을 미치지 않음을 확인하였으며, 중성미자 지향성에 대한 각도 계산 방법이 오히려 큰 영향을 미치는 것을 알게 되었다. 이후의 연구는 데이터의 양이 중성미자가 중소형 중성미자 검출기에 입사하는 양에 따라 중성미자 지향성을 결정하는 신뢰도를 연구할 예정이다.

NIH/3T3 세포를 이용한 임피던스 바이오센서의 패턴 너비와 간격에 따른 주파수 의존도 연구

김예은, 최지수, 강다현, 김용준, 나지균, 권정민, 정지용, 정재훈, 이가영, 장문규, New Physics: Sae Mulli 72, 717 (2022).

인간 수명 100세 시대와 코로나19 사태의 장기화로 인해 인간의 질병 진단과 개인 건강관리에 대한 관심이 증대함에 따라 웨어러블 기기의 헬스케어 분야, 식중독균 검출을 위한 식품 분야 등 다양한 분야에서 바이오센서의 연구가 이루어지고 있다. 높은 관심도만큼 바이오센서의 성능 향상을 위해 더욱 정밀한 기술과, 정확한 데이터를 얻을 수 있는 고감도 측정이 필요하다. 특히, 나노기술과 바이오기술을 접목하여 기존 바이오센서의 성능을 향상시키기 위해 노력하고 있다. 본 연구도 NIH/3T3 세포를 이용하여 바이오센서의 고감도 측정 및 패턴 너비와 간격에 따른 주파수 의존도를 알아보기 위하여 진행되었다. 반도체 공정을 이용하여 임피던스 바이오센서를 제작하였으며, 163, 211, 300, 518 mm의 너비와 간격을 갖는 교차 전극으로 제작하였다. 임피던스는 주파수에 의존하기 때문에 측정 주파수의 범위를 선정하는 것이 매우 중요하다. 따라서 바이오센서의 민감한 주파수 영역대를 찾기 위하여 1 kHz~1 MHz 사이에서 주파수 스윕을 통하여 Frequency-Capacitance 데이터를 측정하였다. 163, 211 mm의 센서에서는 441‒489 kHz, 300 mm는 367‒441 kHz, 518 mm는 221‒274 kHz에서 가장 민감한 주파수 영역대로 관찰하였다. 즉, 패턴의 너비와 간격이 증가할수록 낮은 주파수 영역대에서 민감하다는 것을 알 수 있었다. 이후 특정 주파수 별 Time-Capacitance 데이터를 측정하여 세포의 성장과 약물반응에 따른 정전용량 변화량이 다른 주파수 영역대보다 민감한 주파수 영역대에서 가장 정확하게 반영되는 것을 확인하였다. 이는 ECIS (Electric Cell-substrate Impedance Sensing) 기법을 기반으로 임피던스 바이오센서를 측정할 때 주파수 선정의 중요성과 전극의 너비/간격과 주파수와의 상호 관계를 제시하였다.