JSNS², LSND 이상 현상 첫 검증: 2022년 데이터에서의 전자반중성미자 탐색 결과

초록

JSNS² 실험은 J‑PARC 스팔레션 중성자원에서 발생하는 μ⁺ 붕괴 정지(μ⁺→e⁺+νₑ+¯ν_μ) 중성미자를 이용해 LSND에서 보고된 전자반중성미자(¯νₑ) 과잉을 직접 검증한다. 2022년 수집된 0.82×10²² POT 데이터(10 % DIN 함유 Gd‑LS)에서 IBD(¯νₑ+p→e⁺+n) 후보를 엄격히 선별한 결과, 배경 예상 2.3 ± 0.4 사건에 비해 2건이 관측되었다. LSND 이상을 설명하는 기대 신호는 1.1 ± 0.5건이므로 현재 통계·시스템오차로는 결론을 내리기 어렵다. 향후 데이터 적립과 새 원거리 검출기(JSNS²‑II) 구축을 통해 감도 향상이 기대된다.

상세 분석

JSNS²는 LSND와 동일한 μ⁺ 붕괴 정지(Decay‑At‑Rest, DAR) 중성미자 원천을 사용하면서, 현대적인 검출 기술을 도입해 신호‑배경 비율을 크게 개선하였다. 핵심은 0.1 % 질량 비율의 Gd를 함유한 액체 섬광체(LAB 기반)와 10 % DIN을 첨가해 펄스 형태 구분(Pulse‑Shape Discrimination, PSD) 능력을 강화한 점이다. 500 MHz, 8‑bit 플래시 ADC를 이용한 고속 디지털 트리거는 빔 펄스(두 개의 100 ns 버스트, 600 ns 간격)와 동기화되어, IBD 프롬프트 신호를 2–10 µs 구간에 제한함으로써 빔‑유도 중성자와 코스믹 배경을 효과적으로 억제한다.

에너지 선택은 LSND와 동일하게 20–60 MeV(프롬프트)와 7–12 MeV(지연)로 설정했으며, PSD 효율은 에너지에 따라 87 %±9 % 수준을 유지한다. 지연 신호는 Gd‑중성자 포획에 의해 발생하는 ∼8 MeV γ‑캐스케이드이며, 평균 포획 시간은 30 µs이다. 공간 상관(ΔVTX OB‑d ≥ 110 cm)과 시간 상관(ΔT p‑d ≤ 100 µs)을 추가로 적용해 빔‑중성자 배경을 93 % 억제하였다. 전체 선택 효율은 12.4 %(+2.1/‑2.2)이며, 주요 불확실성은 피보볼륨(≈20 %)과 에너지 스케일(0.8 %)에 기인한다.

관측된 2건은 기대 배경 2.3 ± 0.4건과 일치한다. LSND에서 보고된 전자반중성미자 과잉을 그대로 적용하면 1.1 ± 0.5건의 신호가 예상되지만, 현재 통계적 한계와 배경 불확실성으로는 양측을 구분하기 어렵다. 데이터 적립량은 2021년부터 5.14×10²² POT(2025년까지)까지 확대될 예정이며, 2022년 데이터는 전체의 약 16 %에 해당한다. 또한, 원거리 검출기(JSNS²‑II)를 추가 구축함으로써 24 m 기준 장거리와 48 m 기준 장거리 두 지점에서 동시 측정이 가능해져, 진동 파라미터(Δm², sin²2θ) 공간을 크게 축소할 수 있다.

시스템적인 강점은 (1) 짧은 빔 펄스와 높은 전자기파(25 Hz) 반복 주기로 시간 기반 배경 억제, (2) Gd‑LS와 DIN을 이용한 높은 중성자 억제 효율, (3) 96개의 10‑inch PMT와 24개의 외부 VETO PMT를 통한 코스믹 레이뮤온 차폐, (4) 정밀한 캘리브레이션(252 Cf γ‑캡처, 코스믹 미셸 전자)이다. 반면, 현재 한계는 피보볼륨 불확실성(≈20 %)과 PSD 효율의 에너지 의존성, 그리고 빔‑중성자 배경 모델링의 통계적 오차이다. 향후 데이터와 JSNS²‑II의 도입으로 이러한 불확실성을 크게 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.