심층 매장형 뮤온 검출기 프로토타입 검증

초록

본 연구는 파리오 관측소의 AMIGA 확장 프로그램을 위해 3 m 깊이로 매장한 뮤온 카운터 프로토타입의 성능을 평가한다. 실험실 조건과 매장 후 전자·광학 시스템을 동일하게 유지한 채, 압력·전기적 오염 여부를 확인하기 위해 리드 컬럼과 토양을 이용한 네 가지 실험을 수행하였다. 전하 히스토그램을 단일 광자 전하(SPE) 기준으로 정규화한 결과, 매장 전후 및 스트레스 유무에 관계없이 평균 10.55 ± 2.19 pe를 기록, 설계가 안정적임을 입증하였다.

상세 분석

우선, 우주선 에너지 스펙트럼의 ‘두 번째 무릎’(~4 × 10¹⁷ eV) 이하까지 탐지 효율을 높이기 위해 기존 Auger 배열에 AMIGA라는 고밀도 표면 검출기와 뮤온 카운터를 추가한다. 뮤온 카운터는 대기 전자·광자 성분의 오염을 최소화하기 위해 3 m 깊이 매장하도록 설계되었으며, 각 모듈은 4 × 64개의 폴리스티렌 스트립(폭 4.1 cm, 길이 200 cm·400 cm)과 TiO₂ 코팅, 파장 이동 섬유(WLS) 및 64채널 Hamamatsu H8804‑200MOD 마이크로채널 플레이트 PMT로 구성된다. 전자 장비는 방수·방습 PVC 인클로저에 수용하고, 서비스 파이프를 통해 외부 전원·데이터 접근을 가능하게 하였다.

성능 검증은 두 가지 설정(A: 실험실, B: 매장)에서 수행되었다. 설정 A에서는 프로토타입 위에 45 cm 두께·540 g/cm²에 해당하는 리드 컬럼을 올려 토양 압력을 모사하고, 리드 차폐를 동일하게 적용한 상태에서 스트레스 유무를 비교했다. 설정 B에서는 동일한 장치를 3 m 깊이 토양에 매장하고, 토양 유무에 따라 네 가지 경우(스트레스·비스트레스 × 토양·무토양)를 측정하였다. 모든 경우에 대해 Tektronix TDS 3032 오실로스코프(300 MHz, 2.5 GS/s)로 PMT 출력 파형을 수집하고, 전하를 적분해 히스토그램을 작성하였다. 히스토그램은 단일 광자 전하(SPE) 단위로 정규화했으며, 뮤온 신호 영역을 가우시안 피팅한 결과 평균 전하가 10.55 ± 2.19 pe로 일관되었다. 이는 이전 MINOS 기반 설계와도 일치한다. 스트레스(리드 압력)와 토양 매장이 전자·광학 신호에 미치는 영향이 통계적으로 유의미하지 않음을 보여, 설계된 인클로저와 서비스 파이프가 외부 환경으로부터 충분히 차단됨을 확인하였다.