Center for Precision Neutrino Research

Kyung-Kwang JOO, Sunkyu LEE and Sunwoo KWON

Center for Precision Neutrino Research(CPNR) conducts precision measurements of neutrinos, a key element in the weak interaction involved in nuclear decay, a fundamental interaction in nature. Through this, CPNR will establish a domestic base for particle physics research exploring new physical phenomena beyond the Standard Model and lay the foundation for developing into a world-leading research group. Furthermore, the center will cultivate future young leaders in this field with creative and convergent thinking. The previous RENO experiment, conducted domestically and led by CPNR researchers, demonstrated world-class competitiveness. In addition, we are participating in international collaborations (SK, HK and JSNS²) to conduct data analysis and detector development. Building on this capability, CPNR plans to conduct various R&D and perform the Reactor Experiment for Neutrinos and Exotics(RENE). Ultimately, we aim to lay the foundation for a next-generation massive neutrino experiment led by domestic researchers.

들어가며

본 특집호에서는 국내 최대 중성미자 관련 전용 연구 기구인 전남대 중성미자 정밀 연구센터에서 진행하고 있는 최신 연구 결과와 연구 동향을 서술하였다. 첫 번째 원고는 선도연구센터(SRC)인 “중성미자 정밀 연구센터”라는 제목으로 간략히 전체적인 센터의 개요와 세부 연구를 소개하였다. 센터는 경북대, 경희대, 광주과학기술원, 서울대, 세종대, 전남대, 전북대를 포함한 7개 대학으로 구성되어 있다. 두 번째 원고는 “비활성중성미자 및 새로운 물리탐색을 위한 원자로 중성미자 실험의 새로운 도약”이라는 제목으로 국내 한빛원자력발전소(한빛 원전)를 이용한 비활성 중성미자(sterile neutrino) 탐색 실험인 RENE 실험을 소개하고 이제까지의 과정 및 탐색 방법을 서술하였다. 세 번째 원고는 일본에서 진행되고 있는 비활성 중성미자 탐색 실험인 JSNS²를 소개하고 “JSNS² 실험을 통한 LSND 이상 현상의 직접 검증 및 단일 에너지 중성미자 핵반응 연구”라는 제목으로 한국 그룹과 선도연구센터의 역할 및 기여와 데이터 분석 관련 최신 연구 결과에 대해 고찰하였다. 네 번째 원고는 “대형 물 체렌코프 검출기를 이용한 중성미자 연구”라는 제목으로 일본에서 진행되고 있는 차세대 중성미자 실험인 하이퍼 카미오칸데(Hyper-Kamiokande, HK) 실험과 이 실험을 가능하게 했던 선행 연구인 슈퍼 카미오칸데(Super-Kamiokande, SK) 실험에 대해 최신 동향을 서술하였다.

본 선도연구센터는 약한 상호작용의 핵심이자 표준모형 너머(Beyond the Standard Model, BSM) 물리학의 가장 확실한 증거인 중성미자 관련 다양한 연구를 하고 있다. 이를 통해 표준모형을 뛰어넘는 새로운 현상을 탐색하는 중성미자 물리 연구의 국내 거점을 마련하고 이 분야를 이끌 핵심 인력 양성 및 노하우 축적에 노력하고 있다. 최종적으로는 국내 연구진 주도의 국내 차세대 거대 중성미자 실험을 위한 기반 마련을 하고자 한다.

서 론

중성미자 연구는 현재 입자물리학에서 가장 중요한 연구 분야이다. 현대 입자물리학의 가장 큰 목표는 지배적인 패러다임을 형성하는 표준모형의 검증과 함께 표준모형 너머의 물리학을 찾는 것에 중점을 두고 있다. 표준모형에서는 존재할 수 없는 중성미자의 질량을 실험적으로 확증함으로써, 가장 확실한 BSM의 증거가 중성미자 연구를 통해 확인되었다. 본 연구단은 이러한 중성미자 연구에 주안점을 두고 기존의 연구보다 더 높은 정밀성을 추구하여, 현재 지배적인 중성미자 3세대 패러다임의 검증 및 질량 파라미터(질량차, 섞임각, CP 페이즈) 측정과 더 나아가 이를 벗어나는 새로운 패러다임의 탐색을 추구한다.

중성미자 진동 현상은 중성미자의 질량 항이 존재해야만 나타날 수 있다. 표준모형에서는 게이지 대칭성에 의해 재규격화 가능한(renormalizable) 수준에서는 중성미자의 질량이 나타날 수 없으나, 질량-5차원의 와인버그(Weinberg) 연산자를 도입하여 질량을 기술할 수 있다. 이는 표준모형의 3세대 중성미자 패러다임을 유지하면서 중성미자의 질량을 도입할 수 있는 가장 간단한 방법이다. 이때 나타나는 와인버그 연산자는 고에너지 이론의 유효연산자로 나타나며, 중성미자의 질량 파라미터의 정밀측정은 이러한 고에너지 이론의 단서를 제공한다. 본 연구단은 SK 및 HK 거대 규모 국제 공동 실험에 참여함과 동시에 국내의 원자로 중성미자 연구인 RENO 실험의 지속 연구를 통해 중성미자 질량 차와 섞임 각 측정의 정밀도를 높인다. 또한 지속적인 연구를 통해 CP 페이즈를 측정한다. 정밀 측정된 중성미자 질량 파라미터들을 통해 중성미자 질량의 위계, 질량 항의 대칭구조, 중성미자-반중성미자 대칭성 등 중성미자의 특성을 결정한다. 더 나아가 질량 항을 생성하는 고에너지 이론의 단서를 제공하고, 측정된 질량 파라미터들 사이의 정합성 검증(유니터리티 분석 등)을 통해 3세대 패러다임의 유효성을 검증한다.

중성미자 질량의 존재는 강력한 BSM의 증거이다. 이것을 더 확장하면 표준모형의 3세대 중성미자뿐만 아니라 새로운 중성미자가 존재할 가능성이 있다. 표준모형의 게이지 전하는 띠지 않으면서 활성 중성미자(즉, 표준모형의 3세대 중성미자들)와 질량 항을 공유하는 형태로 상호작용하는 입자가 존재할 수 있다. 이러한 중성미자를 비활성 중성미자라 부른다. 비활성 중성미자는 일반적으로 활성 중성미자보다 큰 질량을 가지므로, 비활성 중성미자를 통한 중성미자 진동 현상은 활성 중성미자 사이의 섞임에 의한 진동보다 가까운 거리에서 관찰할 수 있다. 본 연구단은 원자로 중성미자 실험인 RENO 실험을 발전시킨 RENE 실험과 일본의 J-PARC 가속기 시설을 활용한 JSNS² 실험을 통해서 비활성 중성미자를 탐색한다.

국내의 중성미자 실험 연구는 2009년부터 시작되었다. 한빛원자력발전소 중성미자 측정 실험인 RENO를 수행하여, 중성미자 섞임 각 중 미측정 상태였던 \(\small\theta_{13}\)를 최초로 측정하는 성과를 거두었다. 이 연구의 수행 과정에서 얻은 노하우를 이용하여 정밀측정 연구에 활용하고, 향후 국제 규모 공동 연구 시설을 국내에 설립하고 주도적인 연구를 수행할 후속세대를 양성한다. 이를 위해 본 선도연구센터는 RENO 연구를 확장하여 더 높은 성능(에너지 분해능, 향상된 분석 방법, DAQ 등)의 RENE 관측 장치를 제작하고,1) 국제 공동 연구인 SK/HK와 JSNS²의 데이터 분석, 차세대 검출기 개발 및 검증 연구를 수행하고 있다.

중성미자 정밀 실험 및 검출기 개발

1. RENO와 RENE 실험

Reactor Experiment for Neutrino Oscillation (RENO) 실험은 영광 한빛 원전에서 발생한 중성미자(\(\small\bar{\nu}_e\))를 지난 15여 년간의 실험 수행을 통해 3,800일간의 데이터를 수집하였다(그림 1). 높은 검출 효율과 개선된 계통오차를 기반으로 중성미자 질량항(\(\small\Delta m_{ee}\)), 진동변환 섞임각(\(\small\theta_{13}\)) 등을 정밀 측정하였다.2) 이 결과는 입자물리 교과서에 실릴 정도의 매우 중요한 입자 물리의 기본상수 측정 결과이다. 2023년 유럽물리학회 고에너지 및 입자물리학상을 수상하였다.

Fig. 1. Layout of the RENO and RENE experimental site at Hanbit Nuclear Power Plant. Six reactors are equally spaced in a 1280 m span. RENE will be located in the underground tendon gallery of reactor #5.

Reactor Experiment for Neutrinos and Exotics (RENE) 실험은 기존의 RENO와 NEOS 실험 결과를 합한 데이터 분석에서 새롭게 발견된 제4의 중성미자인 비활성 중성미자(sterile neutrino)에 대한 흥미로운 힌트를 바탕으로, 이를 검증하고자 제안되었다(그림 2). 한편, 20년 전 Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) 실험에서는 기존의 3세대 중성미자 진동 변환 시나리오를 가지고는 설명이 되지 않는 이벤트 초과(excess) 현상을 보고하였다. 그 후 이 LSND 이상 현상을 확인하기 위해 여러 실험들이 다른 채널, 검출기 등을 사용하여 검증하려고 하였으나, 확고한 결과를 내지 못하였다. 그리하여 일본의 JSNS² 실험이 LSND와 동일한 검출 방식으로 사용하되, 개선된 검출기와 빔을 사용하여 검증하려고 데이터를 수집하고 있다. 본 연구센터의 RENE 실험은 과학적 난제를 집단 연구를 통해 풀어가고, 비활성 중성미자에 대한 결과를 상호 교차 검증하고자 한다.

Fig. 2. Exclusion limits and allowed regions for sterile neutrino oscillations. The black curve represents the 95% C.L. exclusion contour obtained from the RENO and NEOS combined search using the Feldman–Cousins (FC) method, whereas the cyan-filled area denotes the 68% C.L. allowed region. In this figure, RS refers to raster scan and DB represents Daya Bay experiment.

2. JSNS² 실험

Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) Materials and Life Science Experimental Facility (MLF)에서 가속된 3 GeV 양성자 빔을 수은(Hg) 표적에 충돌시켜 발생하는 다량의 정지한 뮤온 붕괴에서 생성된 중성미자를 이용한 실험으로 비활성 중성미자의 진동 변환을 탐색한다. 특히, LSND 실험에서 제기된 이상 현상을 이론적 설명 모델에 관계없이 직접적으로 검증하고자 한다. 4개국 국제공동연구로 건설된 근거리 JSNS² 검출기에서 한국그룹은 36톤의 섬광 용액을 제조하고 60%에 해당하는 10인치 PMT를 제공하였고, 기타 여러 검출기 핵심 장치 구축에 참여했다(그림 3).

Fig. 3. JSNS² collaboration meeting at Chonnam National University during 2025.07.24.~25. Korean group researchers account for ~40% of all collaborators.

또한, 2025년에는 정밀도를 높이기 위해 표적에서 약 48 m 떨어진 곳에 두 번째 원거리 검출기를 설치하였다(그림 4). 한국그룹과 SRC는 검출기 조립, 액체섬광체 채우기, 데이터 수집 장치(DAQ) 개발, 전자 보드 테스트, 모니터링 장치, 누유 방지시스템, 철 블록 구입 등 검출기 업그레이드에 기여를 하였다. 현재는 물리 분석을 포함한 여러 영역에서 임무 수행을 하고 있다.

Fig. 4. JSNS² near and far site detectors. Two detectors are located ~24 m and ~48 m from the Hg target.

3. SK와 HK 실험

SK 실험은 5만 톤의 초순수를 사용한 물 체렌코프(water-Cherenkov) 검출기로서 한국 그룹은 다양한 연구 주제뿐만 아니라, 물 체렌코프 검출기에서 매우 중요한 물의 투명도를 측정하는 레이저 캘리브레이션 시스템을 개발, 설치하고 지속적인 모니터링 관련 작업을 리딩하고 있다. 물 투명도는 검출된 입자를 재구성(reconstruction) 하는데 직접적인 영향을 미치므로 절대적인 값뿐만 아니라 데이터를 획득하는 기간 동안의 변화량 및 위치에 따른 투명도 역시 측정되어야 한다. SK 실험은 차세대 초대형 검출기들의 등장을 가속화하였으며 중성미자 진동 변환 관측을 통해 경입자 섹터에서의 CP 위반(violation)을 확인하고 중성미자 종류에 따른 질량 순서를 결정할 수 있을 것으로 기대한다. 더불어 양성자 붕괴를 탐색하는 기회를 제공한다(그림 5).

Fig. 5. Kamiokande, SK and HK detector size comparison. The SK experiment uses 50 kton of ultrapure water, and the HK experiment uses 260 kton of ultrapure water.

한편, HK 실험은 차세대 초대형 물 체렌코프 검출기를 사용하는 실험으로, 우주의 근본적인 존재 이유인 물질과 반물질 간의 비대칭, 중성미자 성질, 양성자 붕괴 등을 탐구하기 위해 구축 중인 세계 최대 규모의 중성미자 관측 장치이다. 2028년 데이터 획득을 목표로 일본 카미오카 광산에 터널 굴착을 마쳤고, 검출기를 건설 중이다. 본 선도연구센터는 HK 실험을 위해 4가지 역할을 맡아 연구를 진행하고 있다. 첫 번째는 HK의 전신인 SK에서의 연구 경험을 바탕으로 레이저를 이용한 물의 감쇠계수(attenuation parameter)를 측정하는 캘리브레이션 시스템을 개발하였다. 본 레이저 시스템은 체렌코프 광과 비슷한 파장 영역의 레이저를 이용하고 위치에 따라 다를 수 있는 물의 투명도 측정을 위해 검출기 여러 곳에 설치할 예정이다(그림 6). 두 번째는 HK용 20인치 광전자증배관(PMT) 성능 테스트를 맡았고, 이를 위한 정밀 교정 시스템을 개발․구축하였고 지구자기장에 의한 영향을 조사하기 위한 몬테카를로 연구를 진행하였다(그림 6). 세 번째는 피드쓰루(feedthrough) 대량 생산에 들어갈 예정이다. 피드쓰루는 외곽검출기(outer detector, OD) 물속에 설치되는 광전자증배관으로부터의 케이블과 용기(underwater vessel) 내부에 설치되는 신호처리장치를 연결하는 부품이다. 그동안 디가싱(degassing)을 최소화하기 위한 연구가 진행되었고, 최종 설계가 확정이 되었다(그림 6). 마지막 기여는 OD 전자모듈(electronics) 설계 및 국내 제작이다(그림 6). HK 실험 OD에는 약 4,000개의 3인치 광센서, 파장변환판, 그리고 전자모듈 장치로 구성된다. OD 전자장치의 핵심 구성 요소는 디지타이저(digitizer)와 스플리터(splitter)이다. 디지타이저는 광센서로부터의 펄스 신호를 디지털 신호로 변환하는 장치이며, 스플리터는 광센서에 인가되는 직류 고전압과 광센서 펄스 신호를 분리하는 장치이다. HK 실험 성능 요구사항을 충족하는 선행 모듈들을 제작하여 HK 실험 공동 연구기관에 제공하여 테스트를 마쳤고, 본격적인 국내 대량 생산에 돌입할 예정이다.

Fig. 6. HK laser system for water transparency measurement, PMT calibration system, feedthrough, and 16-inch signal distributor developed by Korean and SRC group.

4. 국내 차세대 거대 중성미자 실험과 검출기 개발

(1) 국내 차세대 거대 중성미자 실험

한국형 차세대 거대 중성미자 관측소(Korea Neutrino Observatory, KNO)는 10 MeV~100 GeV를 커버하는 다목적 검출시설로서 저에너지/고에너지, 작은 질량, 미약한 상호작용 등을 탐구할 수 있다(그림 7). KNO 구축 계획은 지난 20년간 추진되어 왔고, 국내 RENO 실험에서 측정한 중성미자 섞임각(\(\small\theta_{13}\))이 상당히 큰 것으로 드러나고 세계적인 이목이 집중되면서 HK (일본) 및 DUNE (미국) 실험이 본격적으로 구축되기 시작하였고 다시금 KNO의 중요성이 부각되고 있다. 중성미자 천문학 분야와 중성미자-반중성미자 CP 대칭성 깨짐 연구는 향후 30년간 입자물리학에서 가장 중요한 flagship research를 담당할 것이다. 21세기 10대 과학 난제 중 하나이며 금세기 최대의 과학적 성과가 될 것이다. 현재 10개 기관, 50여 명의 연구원이 활동 중에 있다. 본 선도연구센터 연구진은 국회 포럼, KNO 국제 워크숍, 노벨상 수상자(동경대 카지타 교수) 초빙 강연 등을 통해 KNO 구축을 위한 활동을 이어가고 있고, 최근 정부에서 추진하는 R&D 사업 선진화와 맞물려서 가속도를 내고 있다.

Fig. 7. KNO detector and reconstructed Cherenkov image.

(2) 이동형 검출기 개발

본 선도연구센터는 기존 고정형 검출기의 한계를 보완할 수 있는 ‘이동형 중성미자 검출기(Movable Detector, MD)’의 개발을 새롭게 추진하고 있다(그림 8). 이 프로젝트의 1차적인 목표는 장소를 이동하면서도 안정적으로 중성미자를 검출할 수 있는 이동형 시스템을 성공적으로 설계하고 구동하는 것이다. 기존의 검출기들은 고정된 위치에서 데이터를 수집해 왔으나, 검출기를 원자로 등 중성미자 선원으로부터 다양한 거리로 이동시키며 측정할 수 있다면 거리 변화에 따른 중성미자 선속 및 배경 방사능 변화를 직접 측정하고 교차 검증할 수 있는 장점이 있다.

Fig. 8. Schematic of movable detector and PMT based on a more advanced optical model for next-generation neutrino experiment.

하지만 중성미자 검출기를 이동형으로 제작하고 운영하는 것은 기술적으로 많은 도전 과제를 수반한다. 무엇보다 잦은 이동 환경에서도 내부 물질과 PMT 배열 등의 물리적, 광학적 안정성이 철저히 유지되어야 한다. 이를 위해 연구진은 이동 시 발생할 수 있는 충격과 진동에 대비한 유연하면서도 견고한 검출기 디자인을 설계하는 데 주력하고 있다. 성공적인 1차 검출을 위해 캘리브레이션 시스템과 DAQ 환경 또한 이동성에 최적화된 형태로 구축 중에 있다.

이러한 이동형 중성미자 검출기의 1차 구동과 중성미자 검출이 성공적으로 달성된다면, 이 시스템은 향후 비활성 중성미자 탐색을 위한 매우 강력한 도구로 확장될 수 있다. 검출기를 이동시키며 연속적으로 데이터를 수집함으로써 원자로 자체의 불확실성으로 인한 계통 오차를 크게 줄일 수 있기 때문이다. 궁극적으로 이 연구는 기존의 RENE 실험 등과 시너지를 내며 향후 중성미자 연구의 폭을 넓히는 한편, 국내 주도의 차세대 중성미자 검출 하드웨어 기술력을 축적하는 중요한 토대가 될 것이다.

(3) 차세대 실험용 광전자증배관 시뮬레이션

중성미자 실험에서 시뮬레이션은 검출기 디자인의 실험 계획 단계에서부터 데이터 분석 및 실험의 최종결과 도출 등 실험 전반적인 과정에 사용된다. 시뮬레이션 도구로는 중성미자 및 입자 실험에 널리 사용되는 Geant41)2)3)를 사용한다. Geant4는 몬테카를로(Monte Carlo) 기반으로 다양한 물질을 지나는 입자의 특성을 정확히 시뮬레이션할 수 있다. 더욱이 Geant4는 빛의 광학적 특성도 다루는데, 원자 수준의 크기에 비해 상대적으로 매우 긴 파장의 광자를 optical photon으로 분류하여 섬광, 체렌코프 현상 및 빛의 광학 특성을 시뮬레이션 상에서 구현한다. 광범위한 광학 현상을 지원하기에 프로그램 사용에 세심한 주의를 요구한다.4)

중성미자 신호는 PMT를 통해 검출되며 검출기의 성능은 PMT에 의해 대부분 결정된다. 따라서 PMT 신호 반응을 시뮬레이션 상에서 상세히 구현하는 것이 중요하다. 현재 Geant4를 기반으로 중성미자 실험 분석에 널리 사용되는 패키지인 RATPAC-Two와 GLG4Sim은 공통적인 PMT 광학 모델을 사용하고 있다.5) 이는 크게 PMT의 제조회사에서 제공되거나 측정된 양자효율(quantum efficiency)에 광학 모델의 보정을 더해주는 것으로 이루어져 있다. 그러나 해당 광학 모델의 한계가 있으며 다음의 과정을 통해 더 나은 광학 모델을 만들 수 있다.6)

(1) 전단행렬방법(Transfer Matrix Method)으로 PMT의 광학적 특성 계산
(2) PMT 내외부 구조 Geant4 시뮬레이션 정밀 구현
(3) 파장대(400‒800nm)의 빛을 PMT에 다양한 입사각으로 조사 후 PMT 반응 측정

광자 측정 효율을 보다 PMT의 신호 반응과 가깝도록 정확히 추정하여 시뮬레이션의 정밀도를 개선하는 것이 목적이다(그림 8). 실제 에너지 캘리브레이션 등의 검출기 신호 반응과 비교하고, 실험 전반에 걸쳐 시뮬레이션 향상을 확인할 수 있을 것으로 기대한다.

맺음말

본 선도연구센터는 국내에서 가장 큰 중성미자 연구 기구로서, 다양한 프로그램을 통해 국내외 연구자들의 상호 교류와 개인 연구자로서는 할 수 없는 국내외 공동 연구 기회 제공 및 협력 허브 구축에 많은 기여를 하였다. 순수 국내 연구진에 의한 RENO 결과는 독일 함부르크 대학에서 진행된 유럽 고에너지학회 입자물리분과상(EPP HEPP Award)이 수여될 만큼 큰 업적이고, 20년간 받은 3,800일 데이터 최근 결과는 입자물리학 교과서에 실릴 정도의 매우 중요한 기본상수 측정 결과이고, 입자물리학 역사에 길이 남을 것이다.

일본 국제공동연구인 JSNS²(근거리)/JSNS²–II(원거리) 검출기 제작에 SRC는 많은 기여를 했다. 2025년 말에 검출기가 완성되어서, 2026년부터 2기의 검출기로 동시에 본격적인 데이터를 수집하고 있다. 좋은 결과를 얻기 위해 SRC는 인적․물적 자원을 계속 투입할 것이다. 현재 비활성 중성미자 탐색은 세계 여러 나라와 경쟁 중으로서, SRC의 핵심적인 기여를 통해 결과를 먼저 얻을 수 있게 최선의 노력을 경주할 것이다.

또한, 국제공동연구인 SK 실험을 비롯해 차세대 대형 물 체렌코프 검출기 HK 실험에 SRC는 많은 기여(OD electronics 개발 담당, light laser injector 개발 담당, PMT pre-calibration 담당, feedthrough 제작 담당)를 하고 있다. HK 검출기가 완성되는 2027년 말까지 지속적인 SRC의 역할을 할 것이고, 그 후에는 획득된 데이터를 가지고 좋은 물리 분석 결과를 얻는데, 지원을 아끼지 않을 것이다.

마지막으로 RENE 검출기 완성 후, 영광 한빛 원전 텐더 갤러리에 설치하여 데이터 수집을 할 것이다. RENE 실험은 국제적으로도 알려져 있으며, 국내외 유명 학회에서 꾸준히 발표와 연사 초청을 받고 있다. 좋은 연구 결과를 창출해 비활성 중성미자 존재 유무에 대한 힌트를 제공하기를 기대한다.

감사의 글

본 연구는 정부(과학기술정보통신부, 교육부) 재원의 한국연구재단 선도연구센터 및 기초연구사업의 지원을 받아 수행되었습니다. 본 실험을 위해 적극적으로 협조해 주신 한빛 원자력본부 및 관련 기관 관계자분들께 깊은 감사를 표합니다.