MGDO 라이브러리: 게르마늄 중성미자 무중성베타 붕괴 실험을 위한 통합 데이터 분석 프레임워크

초록

GERDA와 Majorana 실험이 공동 개발한 C++ 기반 MGDO 라이브러리는 고순도 게르마늄 검출기와 시뮬레이션 데이터의 파형, 기하학, 이벤트 정보를 표준화된 객체 형태로 관리한다. 데이터 객체와 변환(Transform) 클래스를 제공해 파형 저장·전처리·특징 추출을 일관되게 수행하며, ROOT 및 FFTW3와 연동해 고성능 분석이 가능하도록 설계되었다.

상세 분석

MGDO는 객체지향 설계 원칙에 따라 데이터 객체와 변환 클래스를 명확히 구분한다. 핵심 데이터 객체인 MGWaveform 은 샘플 배열, 샘플링 주파수, 시작 시간, 파형 종류 등 메타데이터를 포함하며, 연산자 오버로드를 통해 파형‑파형, 파형‑스칼라 연산을 직관적으로 수행한다. ROOT 래퍼인 MGTWaveform 은 TH1 히스토그램, TF1 함수와의 상호 변환을 지원해 시각화와 피팅을 간편하게 만든다. 또 MGEvent 은 다중 채널 파형과 타임스탬프, DAQ 플래그 등을 한 객체에 묶어 이벤트 수준의 데이터 관리가 가능하도록 한다.

변환(Transform) 클래스는 MGWaveformTransformer 라는 추상 기반 클래스를 상속받아 구현된다. 베이스라인 제거, 다양한 차분(3‑point, 5‑point, RC) 알고리즘, 이동 평균·삼각형 스무딩, 트라페zoidal 필터 등 파형 전처리 기능을 제공한다. 또한 χ² 차이, 최대·최소값, 10‑90% 상승시간 등 스칼라 특성 추출도 지원한다. 이러한 변환은 파이프라인 형태로 연결될 수 있어 복잡한 신호 처리 흐름을 모듈식으로 구성한다.

MGDO는 CLHEP 단위·상수 체계와 호환되며, 필요에 따라 FFTW3를 이용한 빠른 푸리에 변환과 ROOT 기반 입출력을 선택적으로 사용한다. 이는 실험별 DAQ 포맷 차이를 추상화하고, Monte Carlo 시뮬레이션과 실제 측정 파형을 동일 객체로 다룰 수 있게 해 데이터 교환과 검증 비용을 크게 낮춘다.

GERDA의 Gelatio 와 Majorana의 GAT 분석 프레임워크는 모두 MGDO를 I/O와 기본 디지털 필터링 레이어로 채택하고 있다. 원시 바이너리 데이터를 MGWaveform 객체로 변환한 뒤 ROOT 파일에 저장함으로써, 검출기 종류(HPGe, 광다중검출기)와 실험 환경에 관계없이 동일한 분석 코드를 재사용한다. 이는 코드 중복을 최소화하고, 공동 검증 및 성능 최적화를 공동으로 진행할 수 있게 한다.

MGDO의 설계는 게르마늄 기반 0νββ 실험에 국한되지 않는다. 저배경, 저에너지 탐지를 필요로 하는 다른 실험에서도 파형 표준화와 변환 파이프라인을 그대로 적용할 수 있어, 향후 다중 실험 간 데이터 공유와 협업에 유용한 기반이 된다.