물리학과 첨단기술

특집

정선 예미랩: 지하 1000 m에서 우주의 비밀을 캐다

암흑물질 직접탐색실험과 중성미자

작성자 : 고영주·이현수·하창현 ㅣ 등록일 : 2023-01-10 ㅣ 조회수 : 868 ㅣ DOI : 10.3938/PhiT.32.003

저자약력

고영주 연구위원은 중앙대학교 물리학과에서 네오스 원자로 중성미자 실험으로 2017년 박사학위를 취득하였다. 이후 기초과학연구원 지하실험연구단에서 연구원과 선임연구원을 거쳐 현재 연구위원으로 재직 중에 있으며 네오스 원자로 중성미자 실험과 코사인 암흑물질 실험, 네온 원자로 중성미자 실험을 수행 중이다. (yjko@ibs.re.kr)

이현수 부연구단장은 서울대학교 물리학과에서 킴스 암흑물질 탐색실험으로 2007년 박사학위를 취득하였다. 시카고 대학교 박사 후 연구원으로 미국페르미 국립가속기 연구소의 강입자 충돌실험을 수행하였다. 고려대학교 연구교수, 이화여대 교수를 거쳐 현재 기초과학연구원 지하실험연구단 부연구단장으로 재직하며 코사인 암흑물질 탐색 및 네온 중성미자 실험을 수행 중이다. (hyunsulee@ibs.re.kr)

하창현 교수는 펜실베니아 주립대학교에서 아이스큐브 실험으로 2011년 박사학위를 취득하였다. 버클리 대학교와 기초과학연구원에서 연구원을 수행한 후, 2020년부터 중앙대학교 물리학과에서 부교수로 재직 중이다. 암흑물질입자 및 중성미자와 같은 희귀반응입자를 검출하는 실험을 수행 중이다. (chha@cau.ac.kr)

Dark Matter Direct Detection and Neutrino Nucleus Coherent Scattering

Young Ju KO, Hyun Su LEE and Chang Hyon HA

The dark matter direct detection experiment in Korea started and developed for the test of the DAMA experiment. With more than 20 years of research and development in the low-background and low-threshold scintillating detector, we move forward to the world best sensitivities for the low-mass dark matter searches as well as the coherent elastic neutrino-nucleus scattering observation. We present current achievement and future prospect of the scintillating detectors for the dark matter and neutrino physics in Korea.

한국의 암흑물질 탐색의 시작과 다마실험

Fig. 1. The Solar system rotates about the Galaxy center with a speed of about 220 km/s. In the meanwhile, the Earth rotates about the Sun with a speed of about 30 km/s. Their speeds are added in June and subtracted in December resulting an annual modulation of dark matter (WIMP; a particle candidate of the dark matter) velocity and dark matter interaction rate.

1998년 세계에서 가장 규모가 큰 이탈리아 그랑사소 지하실험실에서 다마(DAMA) 실험이 요오드화나트륨 검출기를 이용하여 그림 1과 같이 태양계와 은하중심, 그리고 지구의 상대적인 공전 방향에 기인한 연간변조신호를 측정하여 암흑물질 신호를 발견하였다고 발표하였다.1) 당시 한국에서는 다마와 유사한 요오드화세슘 검출기를 암흑물질 탐색에 사용하는 선행연구가 시작되었고, 한국암흑물질탐색그룹, 킴스(Korea Invisible Mass Search, KIMS) 실험이 태동하던 시점이었다. 다마 연구진은 검출기를 업그레이드하여 250 kg 규모의 다마/리브라 실험을 2003년 시작하였으며 이때 한국에서는 양양 지하실험실을 확보하여 킴스 실험이 본격적으로 시작되었다. 다마 실험은 이후로도 꾸준히 검출기를 업그레이드하며 데이터를 획득해 매우 높은 신뢰도에서 암흑물질을 관측하였음을 지속적으로 주장2)하였기에 이러한 다마 결과의 검증이 자연스럽게 킴스 실험의 가장 중요한 목표가 되었다.3) 킴스 실험은 100 kg 가량의 고순도 요오드화세슘 검출기를 자체개발하여 2009년부터 2012년까지 장기간 실험을 성공적으로 수행하였다. 하지만 다마와 유사한 암흑물질 신호를 얻지 못하였고 암흑물질 신호의 한계 영역만 설정할 수 있었다.4) 특히 다마와 동일한 요오드 핵이 포함된 검출기를 사용하여 다마 관측과 모순되는 결과를 얻었기에 이는 다마 결과를 암흑물질과 요오드 사이의 반응으로 해석하는 이론을 의문의 여지없이 배제하여 학계의 큰 주목을 받을 수 있었다.

다마의 신호는 지난 25년간 지속되었지만 다른 실험에서는 여전히 검증되지 않은 채 암흑물질 탐색에 가장 큰 의문으로 남아 이에 대한 완벽한 검증이 절실히 요구되고 있다. 비록 킴스 실험이 요오드 핵에 대한 반응을 검증하여 큰 주목을 받았지만 나트륨 핵에 대한 반응을 검증할 필요 역시 요구되고 있었다. 이에 킴스 그룹은 2013년 기초과학연구원 지하실험연구단의 출범과 함께 다마와 동일한 고순도 요오드화나트륨 검출기 개발을 시작하여 다마에 대한 이견 없는 검증에 뛰어들었다. 세계 각국의 결정성장 회사와 협력하여 고순도 요오드화나트륨 검출기 개발에 성공하였으며, 이 과정에서 밀접하게 협력하였던 미국 예일대 그룹과 공동연구를 결정하고 코사인-100 국제공동 암흑물질 탐색 실험이 출범하였다.5)

코사인-100 암흑물질 탐색 실험

코사인-100 실험은 지하실험연구단 중심의 한국 킴스 실험에서 50 kg, 예일대 중심으로 남극에서 진행하던 DM-Ice 실험에서 50 kg, 총 100 kg 규모의 요오드화나트륨 검출기를 개발하여 양양지하실험실에 설치하고 2016년 10월부터 운영을 시작하였다. 한국, 미국, 영국, 브라질, 인도네시아 5개 국가의 14개 기관에서 50명가량의 과학자가 참여하는 국제 공동연구 실험으로 지난 6년간 암흑물질 탐색 데이터를 획득하여 결과를 발표하며 다마 검증을 선도하고 있다.

그간 세계 유수의 연구팀이 다마 실험의 검증에 도전하였지만, 고순도 요오드화나트륨 결정개발의 어려움에 봉착하여 완벽한 재현에 실패하였다. 그에 반해 코사인-100 실험은 전신인 킴스 실험부터 20년 이상 지속적인 연구개발을 통해 독자적인 고성능 요오드화 결정 제작 능력을 확보하였고, 중성미자 검출을 위해 개발한 액체섬광체를 능동 차폐체로 사용하여 세계 최고 수준의 차폐 성능을 달성하며 내/외부 배경방사능에 의한 신호를 최소화하였다. 이와 더불어 기계학습을 접목한 인공지능 분석방법을 도입하여 전기적인 잡신호를 구분하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 내/외부 방사능에 의한 배경 신호를 정밀하게 분석하였다. 코사인-100 실험은 다른 요오드화나트륨 검출기를 사용하는 실험과 달리 거의 완벽하게 검출기를 이해하여 암흑물질 신호 분석의 신뢰도를 극대화할 수 있었다.

Fig. 2. The observed 90% confidence level exclusion limits (filled circles with black solid lines) from the COSINE-100 data are shown together with 68 and 95% probability bands for the expected 90% confidence level limit, assuming the background-only hypothesis. The limits are compared with the DAMA/LIBRA-phase1 allowed region (contours).

코사인-100 실험에서는 이와 같은 정밀한 검출기 이해를 바탕으로 초기 60일 데이터의 에너지 분포도를 분석하여 다마 실험에서 포착한 신호가 암흑물질에 의한 것이 아닐 수 있음을 보여주었다.6) 이는 세계 최초로 다마와 동일한 요오드화나트륨을 사용하여 다마 신호를 검증한 결과로 학계의 큰 주목을 받았다. 또한 1.7년 데이터 분석은 그림 2와 같이 배제 한도를 더욱 향상시켜, 보편적인 암흑물질 후보인 윔프(약하게 상호작용하는 무거운 입자; WIMP)를 가정했을 때 다마 실험이 포착한 신호가 암흑물질에 의한 것일 가능성을 배제하였다.7)

하지만 암흑물질의 모델에 관계없는 완벽한 검증을 위해서는 다마와 마찬가지로 연간변조신호 분석을 통해 확인해야 한다. 코사인-100 연구진은 1.7년 및 3년 데이터로 연간변조분석을 하였으나 내부 배경방사능이 다마에 비해 상대적으로 높고 또 충분한 양의 데이터가 확보되지 않아 완벽한 검증을 이루지는 못하였다.[8,9] 하지만 이는 코사인-100 실험이 이미 확보한 6년 데이터 분석과 함께 차세대 코사인-200 실험을 통해 더욱 명확하게 이루어질 것으로 기대된다.

연간변조신호 분석에는 시간에 따라 변화하는 배경방사능을 정밀하게 이해하는 것이 매우 중요하다. 특히 요오드화나트륨 검출기 내부에는 우주선에 의한 효과로 수일에서 수년의 반감기를 가진 다양한 방사성 동위 원소가 존재한다. 코사인-100 실험에서는 각각의 방사성 동위 원소의 양을 정밀하게 측정하고 이해하여 연간변조 신호 분석에 사용하였으나, 다마 실험에서는 데이터를 1년씩 평균한 뒤 이를 단순하게 차감하는 방식으로 연간변조분석에 이용하였다. 만약 시간에 의존하는 배경방사능이 있다면 다마의 단순한 평균 감산 방식에 의해 톱니 모양의 연간변조신호가 발생할 수 있다. 이를 검증하기 위해 코사인-100 데이터에 다마와 유사한 분석 방법을 적용하였고 놀랍게도 다마와 비슷한 크기의 연간변조신호가 재현되었다. 비록 연간변조신호의 위상이 정반대로 다마 신호가 완벽하게 재현된 것은 아니지만 다마의 신호가 분석 방법에 기인한 오류일 가능성을 제기하며 학계의 주목을 받고 있다.10)

코사인-100 실험의 주된 목표는 다마에 대한 검증이지만 낮은 질량수의 나트륨과 높은 질량수의 요오드, 그리고 2톤 이상의 액체섬광검출기와 뮤온검출기 등을 효율적으로 사용하면 다양한 암흑물질 후보의 탐색에도 특별한 장점을 보여준다. 코사인-100의 데이터를 활용하여 뮤온의 연간 및 일간변조분석, 새로운 이성핵자의 발견이 이루어졌으며 암흑광자, 액시온(axion), 가속된 암흑물질을 포함한 다양한 암흑섹터 입자를 탐색하여 그 결과를 발표해 왔다.11) 최근 미그달(Migdal) 효과를 고려하여 200 MeV/c²까지 낮은 질량의 암흑물질을 탐색한 결과를 발표하며 나트륨이 낮은 질량의 암흑물질, 특히 양성자 스핀에 의존하는 반응을 탐색하는데 특별한 장점을 가진다는 것을 보여주었다.12) 이는 코사인-200을 포함한 차세대 요오드화나트륨 실험이 세계적인 경쟁력을 가진 주요 암흑물질 탐색 실험이 될 수 있음을 보여주었다.

차세대 코사인-200 암흑물질 탐색 실험

그 동안 진행되어온 국내외 암흑물질 직접탐색 실험에서는 아직 암흑물질에 대한 결정적이고 확실한 증거가 발견되지 않았다. 이론적인 이유를 논외로 하면, 실험적인 이유는 데이터의 양이나 검출기의 민감도가 충분하지 않기 때문이다. 차세대 암흑물질 탐색 실험은 더욱 정밀한 검출기를 더욱 많이 설치하여 오랜 기간 동안 데이터를 수집해야 한다. 코사인 연구진은 이러한 목적으로 과학 기술의 최전선에서 검출기 개발 연구를 수행하고 있다. 검출기 개발의 최종 목표는 내/외부 방사선에 의한 배경 신호를 최소화하고, 입자 반응에 의한 섬광(빛) 신호를 최대한 많이 광센서로 검출해 높은 효율로 신호를 얻는 것이다.

Fig. 3. Crystal growing and machining process. Top-left photos show four crystals made in a small growing furnace. Bottom-left photos show the process of machining and polishing the fabricated crystals to make it into a detector. The picture on the right shows a large crystal weighing about 70 kg made in a large growing furnace.

지금까지 여러 연구팀이 다마 실험 재현에 실패한 것은 내부 불순물인 칼륨과 납을 효과적으로 제거하는 기술을 개발하지 못했기 때문이다. 코사인 연구진은 요오드화나트륨 원료 분말을 재결정화하는 방법을 고안 적용하여 검출기의 원료 물질에서 칼륨과 납을 효과적으로 제거하고, 결정 성장과정에서 우라늄이나 납과 같은 방사성 동위원소에 의한 오염을 최소화하기 위해 작은 크기의 결정성장로를 자체 제작하여 그림 3과 같이 고순도 요오드화나트륨 검출기 제작에 성공하였다.13) 이러한 성공을 바탕으로 200 kg의 요오드화나트륨 결정을 성장할 수 있는 대형 성장로를 자체 제작해 코사인-200을 위한 결정 성장을 시작하였으며 2023년까지 대형 결정성장 기술을 확보하고자 노력하고 있다.

제작된 요오드화나트륨 결정은 그림 3과 같이 가공한 뒤 밀봉되어야 검출기로 사용이 가능했기 때문에, 전 과정에서 외부오염이 없도록 모든 요인을 통제하며 고순도 검출기 제작에 성공, 암흑물질 검출기 개발에 대한 모든 기술을 확보하였다. 코사인 연구진은 자체 검출기 제작 기술을 바탕으로 섬광(빛)을 효율적으로 광센서에 포집, 코사인-100 검출기에 비해 광효율이 최대 50%까지 높은 요오드화나트륨 검출기의 개발에 성공하였다.14) 이 기술은 다음 장에 소개할 네온(NEON) 중성미자 실험에 이미 적용되어 장기간에 걸친 안정성도 확보되었다. 이와 같은 선행연구를 활용하여 제작될 코사인-200 검출기는 단위 에너지 keV 당 22개 이상의 섬광 신호를 검출할 것으로 기대되어, 코사인-100 검출기의 15개에 비해 매우 높은 효율을 지닐 것으로 보인다.

Fig. 4. (A) Sensitivity of COSINE-200 at 90% confidence level on the WIMP-proton SD cross-section is presented assuming the background-only hypothesis. (B) Sensitivity of COSINE-200 using the Migdal effect. Those sensitivity lines are compared with the current best limits together with the Migdal effect.

코사인 연구진은 코사인-200 검출기를 예미랩에 설치하기 위해 준비 중이다. 이 실험은 기존 코사인-100의 다음 단계로 지금까지 준비한 검출기 연구개발의 총 집합체가 될 것이다. 결정의 총 질량이 두 배로 늘어나 데이터 수집의 속도가 빨라지고 10배 이상 감소된 내부 배경방사능과 50% 이상 증가한 광신호 검출 효율까지 고려하면 암흑물질 탐색의 민감도가 상당히 향상될 것으로 기대한다. 다마 실험에 비해 낮은 배경방사능을 고려하면 3년치 데이터의 연간변조신호 분석을 통해 다마 결과에 대한 최종 결론을 내릴 수 있을 것으로 예상한다. 이와 더불어 홀수의 양성자 수와 낮은 질량번호의 나트륨 핵과 미그달 효과를 고려하면 그림 4에서와 같이 양성자 스핀에 의존하는 반응에서 20 MeV/c²에서 4 GeV/c²에 이르는 낮은 질량 암흑물질 탐색에 세계 최고 민감도를 달성할 것으로 기대한다. 이 검출기는 다마 검증을 넘어 다른 직접 탐색실험과 본격적으로 경쟁하여 한국 암흑물질 직접탐색 실험의 새로운 장을 열 것으로 기대하고 있다.

또 다른 가능성, 중성미자의 결맞음 탄성 산란

1974년 프리드만(D. Z. Freedman)에 의해 처음으로 제안된 중성미자의 결맞음 탄성 산란(coherent elastic neutrino-nucleus scattering, CEνNS, 세븐스)15)은 그로부터 40년이 넘게 흐른 2017년이 되어서야 코헤런트(COHERENT) 연구 그룹에 의해 최초로 관측되었다.16) 코헤런트 연구진은 가속기에서 생성된 중성미자와 요오드화 세슘 검출기의 핵 사이에서 일어난 세븐스를 관측하는 데 성공하며 전 세계의 이목을 단숨에 집중시켰다. 이 결과는 많은 후속연구를 뒤따르게 했지만, 다른 중성미자 소스에서는 아직 이 반응을 측정하는데 성공하지 못하였다. 특히, 원자력 발전의 핵분열 과정과 태양의 핵융합 과정에서는 수많은 중성미자가 방출되기에 이를 정밀하게 이해하고 새로운 물리현상을 관측하기 위해서 세븐스 관측에 대한 필요성이 높아지고 있다. 하지만 가속기에서 생성되는 중성미자에 비해 현저히 낮은 원자로/태양 중성미자의 에너지는 세븐스의 관측을 매우 어렵게 하여, 여러 도전에도 불구하고 여전히 관측에 성공하지 못하고 있다.

Fig. 5. The artist view of a WIMP (a neutrino), interacting with a sodium nucleus. The WIMP (neutrino)-nucleus coherent scattering induces lattice vibrations of the NaI(Tl) crystal, and when excited electrons and holes recombine, the energy is emitted as photons.

코사인 연구진에 의해 개발된 검출기 기술의 도약은 이에 대한 가능성의 문을 열었다. 그림 5의 모식도에서와 같이 세븐스와 암흑물질의 직접 검출은 본질적으로 매우 유사한 과정이다. 원자핵에 충돌하는 입자가 무겁고 느린 암흑물질 입자이냐 가볍고 빠른 중성미자냐의 차이가 있을 뿐이다. 그리고 암흑물질 탐색을 위한 검출기 기술의 개발은 낮은 배경방사능과 고효율 섬광신호 획득, 즉 관측 가능한 에너지의 하한을 낮추는 데에 초점이 맞춰져 있다. 이는 세븐스의 검출을 위한 가장 큰 난관이자 비밀의 문을 여는 열쇠인 저에너지의 희귀한 신호 관측과 결이 맞아 있다. 충분히 낮은 한계 에너지는 세븐스 검출을 가능케 하며, 코사인 연구진이 현재 개발 중에 있는 차세대 고성능 검출기를 활용하면 다양한 중성미자의 소스에 대한 세븐스의 관측 또한 기대할 수 있다.

연구진은 현재까지 개발된 검출기 기술을 모두 적용하여 코사인 실험과 동일한 요오드화나트륨 검출기를 활용 2020년 12월 네온실험을 시작하였다. 전남 영광에 위치한 한빛 원자력 발전소 내에서 수행 중에 있는 네온 실험은 원자로에서 방출되는 중성미자의 세븐스를 세계 최초로 관측하고자 제안된 실험이다. 새로운 요오드화나트륨 검출기 제작 기술과 인공지능을 활용한 심층 기계학습을 통해 혁신적인 분석 방법을 고안하여 한계에너지를 현재 코사인-100의 1 keV에서 5분의 1 수준인 0.2 keV까지 낮출 수 있을 것으로 기대한다. 대략 1년간의 원자로 운영데이터와 3개월간의 원자로 정지데이터를 확보하면 세계 최초로 원자로 중성미자의 세븐스에 대한 증거를 볼 수 있을 것으로 생각한다.17) 더 나아가 코사인-200을 위해 개발한 고순도 고성능 검출기를 이용하여 차세대 네온 실험을 추진하여 원자로 중성미자와 세븐스에 대한 정밀 측정을 통해 새로운 물리현상을 탐색할 수 있을 것이다.

Fig. 6. Sensitivity curves of COSINE-200 (blue) and COSINE-1T (green) for the supernova-neutrino CEνNS regarding the distance to the supernova. The bands are due to the threshold variation.

예미랩에서 수행될 코사인-200 실험은 암흑물질 탐색이 주 목적이지만 초신성 폭발에 의해 방출되는 중성미자의 세븐스 또한 측정할 수 있을 것으로 예상된다. 초신성 폭발은 자주 일어나는 일이 아니기 때문에 초신성과 우리 사이의 거리에 따른 세븐스의 관측 가능성이 매우 중요한데, 그림 5에서 볼 수 있는 것처럼 코사인-200은 우리은하에서 발생하는 초신성 폭발을 감지할 수 있을 것으로 예상된다. 한편, 1톤의 요오드화나트륨 검출기를 가정한 코사인-1Τ의 경우에는 대마젤란 은하를 넘어 소마젤란 은하에서 발생하는 초신성 폭발 또한 관측할 것으로 기대하고 있다.18)

맺음말

전 세계 수많은 연구자들이 암흑물질의 신호를 발견하기 위해 노력하고 있다. 국내 킴스 실험은 20여년 전 자생적으로 시작하여 고순도 고성능 검출기 연구개발을 거쳐 거대 검출기를 제작하고 외국 연구자들이 참여하는 국제공동연구로 성장하였다. 90년대 후반부터 시작한 한국형 암흑물질 연구가 이제 규모와 민감도 면에서 국제적으로 인정받는 성과를 내고 있는 것이다. 예미랩에서 차세대 코사인-200 실험을 시작하면 3년 내에 다마에 대한 완벽한 검증을 달성하고 낮은 질량 암흑물질 탐색에 세계 최고의 성능을 보여줄 것으로 기대한다. 이와 더불어 중성미자 세븐스 반응에도 획기적인 성과를 기대하고 있다. 우리는 강원도 정선 1000 m 깊이에 새로운 지하 실험실 예미랩을 구축하였고 고순도 결정을 직접 성장하여 고성능 암흑물질 검출기 개발의 전반적인 기술을 확보하고 있다. 향후 이 모든 것이 잘 조화되어 암흑물질 및 중성미자 연구를 포함한 새로운 물리 연구의 장을 국내 연구진이 주도하는 차세대 실험을 통해 열 수 있을 것으로 기대한다.

각주: 1)R. Bernabei et al. (DAMA), Phys. Lett. B 424, 195 (1998).; 2)R. Bernabei et al. (DAMA), Nuc. Phys. Atom. Energy 19, 307 (2018).; 3)H. S. Lee et al. (KIMS), Phys. Rev. Lett. 99, 091301 (2007).; 4)S. C. Kim et al. (KIMS), Phys. Rev. Lett. 108, 181301 (2012).; 5)G. Adhikari et al. (COSINE-100), Eur. Phys. J. C 78, 107 (2018).; 6)G. Adhikari et al. (COSINE-100), Nature 564, 83 (2018).; 7)G. Adhikari et al. (COSINE-100), Sci. Adv. 7, eabk2699 (2021).; 8)G. Adhikari et al. (COSINE-100), Phys. Rev. Lett. 123, 031302 (2019).; 9)G. Adhikari et al. (COSINE-100), Phys. Rev. D 106, 052005 (2022).; 10)G. Adhikari et all. (COSINE-100), arXiv:2208.05158 (2022).; 11)C. H. Ha et al. (COSINE-100), Phys. Rev. Lett. 122, 131802 (2019).; 12)G. Adhikari et al. (COSINE-100), Phys. Rev. D 105, 042006 (2022).; 13)B. J. Park et al., Eur. Phys. J. C 80, 814 (2020).; 14)J. J.Choi et al., Nucl. Instrum. Meth. A 981, 164556 (2020).; 15)D. Z. Freedman, Phys. Rev. D 9, 1389 (1974).; 16)D. Akimov et al. (COHERENT), Science 357, 1123 (2017).; 17)J. J. Choi et al. (NEON), arXiv:2204.06318 (2022).; 18)Y. J. Ko and H. S. Lee, arXiv:2210.01386 (2022).