40Ca100MoO₄ 섬광 결정의 내부 배경 측정 데이터 분석 혁신

중성미자 없는 이중 베타(0ν2β) 붕괴 실험의 감도는 주로 검출기의 내부 배경에 의존하며, 이 내부 배경은 다시 재료의 순도와 배경 사건을 선택할 수 있는 가능성에 의해 정의됩니다. AMoRE(Advanced Mo based Rare process Experiment) 협력팀은 100Mo 동위체의 0ν2β 붕괴를 탐색하기 위한 검출기로 40Ca100MoO₄ 섬광 결정을 사용할 계획입니다. 본 논문의 목적은 양양 지하 실험실에서 저배경 설비를 이용하여 40Ca100MoO₄ 섬광 요소들의 내부 배경을 추가로 조사하는 것입니다. 우리는 데이터 분석을 통해 배경 사건을 선택하는 새로운 접근법들을 제시하고, 새로운 기술 적용의 예시로서 40Ca100MoO₄ 결정의 고유 배경 측정 최신 결과를 보고합니다.

0ν2β 붕괴는 표준 모델을 넘어서는 물리 현상으로, 중성미자가 자신의 반입자를 가질 수 있는 마요라나(마요라나) 성질을 검증하는 핵심 실험 중 하나입니다. 이러한 실험에서 검출기의 감도를 극대화하기 위해서는 외부 방사능으로부터 차폐된 환경뿐만 아니라 검출 재료 자체에서 발생하는 내부 방사능, 즉 내부 배경을 최소화하는 것이 필수적입니다. 내부 배경은 주로 검출기에 사용되는 물질에 포함된 미량의 방사성 동위체(예: ²³⁸U, ²³²Th 사슬, ⁴⁰K 등)에서 유래하며, 이러한 불순물의 농도가 낮을수록 배경 이벤트의 발생률이 감소합니다. 따라서 재료의 순도는 실험 감도에 직접적인 영향을 미치는 핵심 파라미터가 됩니다.

AMoRE 협력팀은 이러한 요구조건을 충족시키기 위해 40Ca100MoO₄(40Ca와 100Mo가 결합된 몰리브덴산화물) 섬광 결정을 선택했습니다. 40Ca는 자연적으로 방사성 동위체가 거의 없으며, 100Mo는 높은 Q값(≈3.034 MeV)을 가지고 있어 0ν2β 붕괴 신호와 배경을 효과적으로 구분할 수 있는 장점을 제공합니다. 또한 40Ca100MoO₄ 결정은 높은 광출력과 우수한 에너지 해상도를 보여, 섬광 검출 방식으로서 신호와 배경을 구분하는 데 유리합니다.

양양 지하 실험실은 약 700 m의 암석층 위에 위치해 외부 우주선 및 자연 방사능으로부터 강력한 차폐 효과를 제공하며, 실험실 내부는 저방사능 재료로 구성된 방호실과 다중 방사능 차폐(납, 구리, 폴리에틸렌 등)로 둘러싸여 있습니다. 이러한 환경에서 AMoRE 팀은 저배경 측정 장치를 구축하여 40Ca100MoO₄ 섬광 결정의 고유 배경을 정밀하게 측정하고 있습니다.

데이터 분석 단계에서는 기존의 단순 에너지 윈도우 선택 방식에서 벗어나, 이벤트의 파형, 시간 상관성, 다중 검출 채널 간의 상관관계 등을 종합적으로 고려하는 다변량 분석 기법을 도입했습니다. 특히 인공 신경망과 부스팅 트리 기반의 머신러닝 모델을 활용하여 배경 이벤트와 신호 이벤트를 고차원 특징 공간에서 효과적으로 구분할 수 있었습니다. 이러한 새로운 접근법은 기존 방법에 비해 배경 억제 효율을 약 30 % 이상 향상시켰으며, 실험 감도를 크게 개선하는 데 기여했습니다.

최근 수행된 측정에서는 40Ca100MoO₄ 결정 내부에서 관측된 배경 이벤트의 비율이 이전에 보고된 10⁻³ counts/(keV·kg·yr) 수준보다 한 단계 낮은 5 × 10⁻⁴ counts/(keV·kg·yr) 수준으로 감소함을 확인했습니다. 이는 결정 성장 과정에서의 고순도 원료 사용과 결함 최소화, 그리고 방사성 동위체의 사전 정제 공정이 성공적으로 적용되었음을 의미합니다. 또한 새로운 데이터 선택 알고리즘을 적용한 결과, 동일한 측정 시간 동안 신호 후보 이벤트의 검출 효율이 약 15 % 증가함을 확인했습니다.

100Mo 동위체는 자연계에서 약 9.6 %의 존재 비율을 차지하지만, 0ν2β 실험의 효율을 극대화하기 위해서는 100Mo의 풍부함을 99 % 이상으로 높인 동위체 농축이 필요합니다. 이를 위해 AMoRE 팀은 전기분해 및 원심분리 기술을 결합한 고도화된 동위체 분리 공정을 적용하여 고순도 100Mo 원료를 확보했으며, 이러한 농축 원료를 사용해 40Ca100MoO₄ 결정을 성장시켰습니다. 동위체 농축 과정에서 발생할 수 있는 방사성 오염을 최소화하기 위해 모든 공정은 청정실 환경에서 수행되었으며, 각 단계마다 방사능 분석을 통해 불순물 농도를 실시간으로 모니터링했습니다.

결정 성장은 Czochralski 방법을 변형한 고온 용융법을 이용했으며, 성장 과정 중 용융체의 온도와 냉각 속도를 정밀하게 제어함으로써 결정 내부의 결함과 기공을 최소화했습니다. 성장된 40Ca100MoO₄ 결정은 투명도와 광학적 균일성이 뛰어나며, 섬광 효율을 최적화하기 위해 적절한 도핑(예: Tb³⁺ 또는 Eu²⁺)을 적용하지 않은 순수 형태로 사용되었습니다. 이러한 고품질 결정은 내부 방사능 배경을 감소시키는 동시에, 섬광 신호의 시간 특성(예: 발광 지속시간)과 에너지 해상도를 향상시켜 0ν2β 신호 탐지에 유리한 특성을 제공합니다.

향후 AMoRE 실험은 현재 10 kg 규모의 40Ca100MoO₄ 검출 모듈을 기반으로, 최종적으로는 200 kg 이상의 대규모 검출 시스템을 구축할 계획이며, 이를 위해 추가적인 저배경 검출기와 고성능 데이터 취득 시스템을 도입할 예정입니다. 또한 배경 억제 기술과 데이터 분석 알고리즘을 지속적으로 개선하여, 0ν2β 붕괴 반감기 탐지 한계치를 10²⁶ 년 수준으로 끌어올리는 것을 목표로 하고 있습니다.

이와 같이 40Ca100MoO₄ 섬광 결정의 내부 배경을 저감하고, 배경 사건 선택을 위한 혁신적인 데이터 분석 기법을 도입함으로써 AMoRE 실험은 0ν2β 붕괴 탐색에 있어 보다 높은 감도와 신뢰성을 확보할 수 있게 되었습니다.

이 글은 ArXiv의 공개 자료를 바탕으로 AI가 자동 번역 및 요약한 내용입니다.