새로운 SENSEI 실험 단일 전자 이벤트율 사상 최저 기록

초록

SENSEI는 2023년 5월 대규모 업그레이드 후 SNOLAB에서 16개의 새로운 Skipper‑CCD 센서를 사용해 하루당 픽셀당 1.39 × 10⁻⁵ 전자(≈ 40 전자/그램/일)의 단일 전자 이벤트율을 측정하였다. 이는 기존 실리콘 검출기보다 10배 이상 낮은 수치이며, 90 % 신뢰수준에서 1.53 × 10⁻⁵ 전자/픽셀/일의 상한을 설정했다. 빛 누출을 억제한 새로운 트레이 설계가 배경 감소에 핵심이며, 이를 바탕으로 서브 GeV 암흑 물질에 대한 새로운 제한을 제시한다.

상세 분석

본 논문은 2023년 5월에 수행된 SENSEI 실험의 두 번째 과학 운용을 상세히 보고한다. 주요 변화는 16개의 추가 Skipper‑CCD 센서와 기존 구리 트레이를 완전 밀폐형 설계로 교체한 점이다. 이러한 구조적 개선은 외부 적외선·가시광선이 CCD에 직접 도달하는 경로를 차단해, 이전 운용에서 관측된 높은 단일 전자 이벤트율을 크게 낮추었다. 실험은 0 h, 2 h, 6 h, 20 h 노출 시간을 갖는 이미지 시리즈를 수집했으며, 총 101장의 ‘commissioning’ 이미지와 77장의 ‘hidden’ 데이터를 확보하였다. 데이터 처리 단계에서는 기존 분석 파이프라인에 추가 마스크를 적용해 저에너지 클러스터, 직렬 레지스터 히트, 전체 웰 이벤트 등을 제외하고, 직렬 레지스터 방향으로 200픽셀까지 ‘bleeding zone’를 확장해 긴 전하 트레일을 제거하였다. 이후 슈퍼픽셀(32행을 합친 단위) 단위의 전하 히스토그램을 이중 가우시안 모델로 피팅해 0 e⁻와 1 e⁻ 피크를 구분하고, 각 이미지의 노이즈 수준을 검증해 ‘noisy‑image’ 마스크를 적용하였다.

특히, ‘Golden Quadrant’라 명명한 최적 화질 구역과 두 개의 ‘Witness Quadrant’를 선정해, 각각의 1 e⁻ 발생률을 독립적으로 측정하였다. Golden Quadrant에서 얻은 노출 의존적 1 e⁻ 비율은 (1.39 ± 0.11) × 10⁻⁵ e⁻/픽셀/일이며, 90 % 신뢰수준 상한은 1.53 × 10⁻⁵ e⁻/픽셀/일이다. 이는 이전에 보고된 (1.59 ± 0.16) × 10⁻⁴ e⁻/픽셀/일보다 한 차례 정도 낮은 값이다. 노출 독립적 배경은 슈퍼픽셀당 약 4 × 10⁻⁴ e⁻/이미지 수준으로, 이는 CCD 자체의 전하 전송 손실이나 증폭기 광 방출에 기인한다.

배경 원인 분석에서는 Cherenkov 복사와 같은 고에너지 입자에 의한 전하 생성이 현재 관측된 노출 의존적 비율을 설명하기에 충분치 않음을 강조한다. 대신, 트레이 설계에 존재하던 미세한 틈새를 통한 블랙바디 적외선 누출이 주요 원인일 가능성을 제시한다. 이를 검증하기 위해 Fermilab MINOS 캐버닛에서 동일한 CCD를 사용한 실험 결과와 비교했으며, 빛이 직접 닿는 영역에서 1 e⁻ 비율이 현저히 높다는 사실을 재현하였다. 이러한 증거는 SNOLAB 첫 번째 운용 시 트레이 설계가 빛 누출을 충분히 차단하지 못했음을 뒷받침한다.

마지막으로, 측정된 1 e⁻ 상한을 이용해 서브 GeV 질량 범위(≈ MeV–GeV)의 전자-암흑 물질 스캐터링 및 흡수 모델에 대한 제한을 도출하였다. 특히, 전자와 직접 상호작용하는 ‘dark photon’ 혹은 ‘millicharged’ 입자 모델에 대해 기존 실험보다 약 1–2 배 더 강력한 제약을 제공한다.

이와 같이, 트레이 설계 개선과 정밀 데이터 처리 기법을 결합한 이번 결과는 실리콘 기반 저에너지 입자 탐지기의 배경 억제 한계를 크게 확장했으며, 향후 더 큰 질량의 CCD 어레이를 이용한 암흑 물질 탐색에 중요한 기반을 제공한다.