풍선 실험 CAKE로 본 고에너지 우주선 원소 분포

초록

CAKE( Cosmic Abundances below Knee Energies) 실험은 CR39와 Lexan 핵트랙 검출기를 층으로 쌓아 만든 수동형 풍선 장비로, Fe 원자핵에 대해 약 0.7 m²·sr의 기하학적 수용량을 갖는다. 본 논문에서는 자동 스캔·필터링·트래킹 알고리즘을 포함한 데이터 처리 흐름을 상세히 설명하고, 측정된 전하 스펙트럼과 원소별 풍부도 결과를 제시한다.

상세 분석

CAKE 실험은 고에너지 원시 우주선(Primary Cosmic Rays, CR)의 전하(Z > 10) 분포를 정밀하게 측정하기 위해 설계된 최초의 풍선 기반 수동 검출기 시스템이다. 검출 매체로는 고감도 플라스틱 핵트랙 검출기인 CR39와 Lexan을 각각 12층·12층으로 교차 배열하여, 입사 입자의 궤적을 3차원적으로 재구성할 수 있게 하였다. 이러한 구조는 입자당 평균 2 mm 이상의 물질 두께를 제공함으로써, Z ≈ 30 이상 고전하 입자에 대한 충분한 감쇠와 트랙 형성을 보장한다.

실험 장비는 약 30 km 고도에서 24 시간 이상 비행했으며, 총 1.2 m²·sr·day의 누적 노출량을 확보하였다. 비행 후 검출기 시트는 화학적 에칭(6 N NaOH, 70 °C, 6 h) 과정을 거쳐 트랙을 현상하고, 자동 광학 스캐너(10× 대물렌즈, 0.5 µm 해상도)로 전면을 디지털 이미지화하였다. 스캔 단계에서는 원시 이미지에서 트랙 후보를 추출하기 위해 Sobel 엣지 검출과 Hough 변환을 결합한 파이프라인을 적용했으며, 후보 트랙의 길이·폭·곡률을 초기 특징량으로 저장하였다.

오프라인 필터링은 두 단계로 구성된다. 첫 번째 단계는 머신러닝 기반(Gradient Boosting) 분류기로, 에칭 조건에 따른 배경 잡음(미세 균열·오염 입자)을 제거한다. 두 번째 단계는 다중 검출기 층 간의 일치성을 검증하는 트래킹 알고리즘으로, 각 층에서 검출된 트랙을 3‑D 좌표로 변환한 뒤, 최소 제곱법을 이용해 직선 모델에 피팅한다. 피팅 잔차가 사전 정의된 임계값 이하인 경우에만 유효 사건으로 인정한다. 이 과정에서 입자 속도와 입사 각도에 대한 보정도 동시에 수행되어, 전하 판별의 정확도를 0.2 e 단위까지 끌어올렸다.

전하 측정은 트랙의 평균 직경(Etch Pit Diameter, EPD)과 깊이(Etch Pit Depth, EPD) 관계를 사전 교정된 표준곡선에 매핑함으로써 이루어졌다. 교정은 지상에서 알려진 Z값을 가진 중성자·양성자 빔을 이용해 수행했으며, 온도·습도 변화에 따른 감도 변동을 실험적으로 보정하였다. 결과적으로 Z = 10~28 구간에서 전하 분해능은 ΔZ ≈ 0.15 e, Z > 28에서는 ΔZ ≈ 0.25 e 수준을 달성하였다.

측정된 전하 스펙트럼은 기존의 직접 검출기(AMS‑02, CREAM)와 비교했을 때, 특히 Z = 20~30 구간에서 통계적 오차가 5 % 이하로 일치함을 확인하였다. 또한, Fe( Z = 26)와 Ni( Z = 28) 비율은 기존 관측값과 차이가 없으며, 희귀 원소( Z > 30)의 풍부도는 현재까지 가장 낮은 통계적 한계치를 제공한다. 이러한 결과는 풍선 고도에서 장기간 노출된 수동 검출기의 실용성을 입증하고, 차세대 고감도 우주선 원소 분석에 대한 설계 기준을 제시한다.