이 글은 세계 지하 연구소의 현황을 서술한다. 암흑물질 탐색 및 중성미자 이중 베타 붕괴에 대한 실험은 지속적으로 실험의 다양성과 규모를 확대하고 있다. 또한 대형 물 체렌코프 검출기와 액체 섬광 검출기를 활용한 중성미자 진동 실험은 새로운 세대의 단계로 진입하고 있다. 따라서 지하 연구소는 총 면적과 공간 측면에서 빠르게 확장되고 있다. 동시에 배경 수준에 대한 요구 사항은 더욱 엄격해지고 있으며, 극저방사능의 측정(assay) 및 저감(mitigation)을 위한 기술이 발전하고 있다. 천체물리학 프로그램 외에도, 지하 연구소에서 최근 수행된 다학제적 연구를 간략히 소개하였다.

2022년 9월, 새로운 지하 연구시설인 Yemilab이 대한민국 강원도 정선에 마침내 완공되었다. 수심 1000 m에 위치하며, 전용 실험 구역은 3000 m 2 이다. 현재는 중성미자 없는 이중 베타 붕괴를 연구하고자 하는 AMoRE-II 실험과, 직접 암흑물질 탐지 실험인 COSINE-100 업그레이드(COSINE-100U)를 위한 준비가 진행 중이다. 두 실험 모두 Yemilab에서 2024년 2분기에 시작될 예정이다. 또한 이 시설에는 약 6300 m 3의 부피를 갖는 원통형 피트가 포함되어 있으며, 다목적 연구실로 사용되도록 설계되었다. 이 연구실은 중성미자, 암흑물질 및 관련 연구 분야에 초점을 둔 차세대 실험을 가능하게 할 것이다. 본 논문은 Yemilab의 건설, 기반 인프라 및 핵심 물리 프로그램에 대한 상세한 개요를 제시한다.

AMoRE 협업은 실험의 두 번째 단계인 AMoRE-II를 준비하고 있으며, 100 Mo 동위원소 100 kg을 활용하여 동위원소로부터 중성미자 없는 이중 베타 붕괴를 탐색할 예정이다. 100 Mo 동위원소의 대부분은 리튬 몰리브데이트(lithium molybdate, Li 2 MoO 4 ) 결정에 포함되며, 이들은 MMC(metallic magnetic calorimeter) 센서와 결합된 극저온 칼로리미터의 흡수체 역할을 한다. 검출기 어레이는 수백 개의 검출기 모듈을 포함하여 총 질량이 약 200 kg이 될 것이다. 따라서 검출기 성능을 저해하지 않으면서 합리적인 일정 내에 다수의 검출기 모듈을 제작하기 위해, 검출기 성능과 준비 절차 측면에서 리튬 몰리브데이트 결정 검출기를 최적화하는 데 상당한 노력을 기울였다. 우리는 일련의 시험 실험을 통해 에너지 분해능을 향상시키는 몇 가지 핵심적인 실험 조건을 확인하였다. 본 논문에서는 표면 처리 및 열적 링크 연결이 에너지 분해능을 14–15 keV에서 2.615 MeV의 208 Tl 감마선(붕괴 Q-값에 근접한 100 Mo의 3.034 MeV)에 대해 7 keV 이하로 개선하는 데 미치는 영향을 논의한다. 또한 극저온 무냉각(dilution-free) 희석 냉동기에서 수행한 시험을 통해, 동시 섬광(섬광) 빛 검출(simultaneous scintillation light detection)을 이용하여 알파 입자를 분리하는 데 있어 높은 식별력을 보고한다.

어두운 광자(dark photons)는 표준 모형으로는 설명할 수 없는 관측들을 설명할 수 있을 것으로 기대되는 동기 부여가 잘 된 가상의 암흑 부문 입자이다. 한국의 새로운 지하 연구시설인 예밀랩(Yemilab)에서, 두꺼운 텅스텐 텍스트일을 전자 빔이 타격하여 생성된 어두운 광자를 3 킬로톤 규모의 중성미자 검출기에서 이후 상호작용시키는 어두운 광자 탐색을 제안한다. 어두운 광자는 텅스텐 표적에서 생성된 통상적 광자(ordinary photons)로부터의 “다크스트레럴레이션(darkstrahlung)” 또는 진동(oscillations)으로 생성될 수 있으며, 또한 그 가시적 붕괴(visible decays)로 검출되거나, “흡수(absorption)” 또는 통상적 광자로의 진동에 의해 생성될 수 있다. 흡수 과정 또는 진동으로 생성된 광자를 검출함으로써, 어두운 광자의 운동 혼합 파라미터(kinetic mixing parameter) ϵ 2 > 1 . 5 × 10 − 13 (6 . 1 × 10 − 13 )에 대한 세계 최고 수준의 민감도를 95% 신뢰수준(C.L.)에서 80 eV부터 1 MeV까지의 어두운 광자 질량 범위에 대해, 100 MeV–100 kW 전자 빔에 1년 동안 노출하고 배경 사건 수를 0 (10 3 )으로 했을 때 얻을 수 있을 것이다. 동시에, 질량이 1 MeV부터 ∼86 MeV까지인 어두운 광자의 붕괴로부터 e + e − 쌍을 검출하면, 95% C.L.에서 배경 사건 수가 0 (10 3 )일 때 ϵ 2 > $\mathcal{O}\left({10}^{-17}\right)\left(\mathcal{O}\left({10}^{-16}\right)\right)$ $O{10}^{-17}O{10}^{-16}$ 수준의 민감도를 가질 것이다. 이는 동일한 0 배경 가정을 전제로 할 때 Super-K 실험의 민감도와 견줄 만하다.

이 글은 세계 지하 연구소의 현황을 서술한다. 암흑물질 탐색 및 중성미자 이중 베타 붕괴에 대한 실험은 지속적으로 실험의 다양성과 규모를 확대하고 있다. 또한 대형 물 체렌코프 검출기와 액체 섬광 검출기를 활용한 중성미자 진동 실험은 새로운 세대의 단계로 진입하고 있다. 따라서 지하 연구소는 총 면적과 공간 측면에서 빠르게 확장되고 있다. 동시에 배경 수준에 대한 요구 사항은 더욱 엄격해지고 있으며, 극저방사능의 측정(assay) 및 저감(mitigation)을 위한 기술이 발전하고 있다. 천체물리학 프로그램 외에도, 지하 연구소에서 최근 수행된 다학제적 연구를 간략히 소개하였다.

2022년 9월, 새로운 지하 연구시설인 Yemilab이 대한민국 강원도 정선에 마침내 완공되었다. 수심 1000 m에 위치하며, 전용 실험 구역은 3000 m 2 이다. 현재는 중성미자 없는 이중 베타 붕괴를 연구하고자 하는 AMoRE-II 실험과, 직접 암흑물질 탐지 실험인 COSINE-100 업그레이드(COSINE-100U)를 위한 준비가 진행 중이다. 두 실험 모두 Yemilab에서 2024년 2분기에 시작될 예정이다. 또한 이 시설에는 약 6300 m 3의 부피를 갖는 원통형 피트가 포함되어 있으며, 다목적 연구실로 사용되도록 설계되었다. 이 연구실은 중성미자, 암흑물질 및 관련 연구 분야에 초점을 둔 차세대 실험을 가능하게 할 것이다. 본 논문은 Yemilab의 건설, 기반 인프라 및 핵심 물리 프로그램에 대한 상세한 개요를 제시한다.

AMoRE 협업은 실험의 두 번째 단계인 AMoRE-II를 준비하고 있으며, 100 Mo 동위원소 100 kg을 활용하여 동위원소로부터 중성미자 없는 이중 베타 붕괴를 탐색할 예정이다. 100 Mo 동위원소의 대부분은 리튬 몰리브데이트(lithium molybdate, Li 2 MoO 4 ) 결정에 포함되며, 이들은 MMC(metallic magnetic calorimeter) 센서와 결합된 극저온 칼로리미터의 흡수체 역할을 한다. 검출기 어레이는 수백 개의 검출기 모듈을 포함하여 총 질량이 약 200 kg이 될 것이다. 따라서 검출기 성능을 저해하지 않으면서 합리적인 일정 내에 다수의 검출기 모듈을 제작하기 위해, 검출기 성능과 준비 절차 측면에서 리튬 몰리브데이트 결정 검출기를 최적화하는 데 상당한 노력을 기울였다. 우리는 일련의 시험 실험을 통해 에너지 분해능을 향상시키는 몇 가지 핵심적인 실험 조건을 확인하였다. 본 논문에서는 표면 처리 및 열적 링크 연결이 에너지 분해능을 14–15 keV에서 2.615 MeV의 208 Tl 감마선(붕괴 Q-값에 근접한 100 Mo의 3.034 MeV)에 대해 7 keV 이하로 개선하는 데 미치는 영향을 논의한다. 또한 극저온 무냉각(dilution-free) 희석 냉동기에서 수행한 시험을 통해, 동시 섬광(섬광) 빛 검출(simultaneous scintillation light detection)을 이용하여 알파 입자를 분리하는 데 있어 높은 식별력을 보고한다.

어두운 광자(dark photons)는 표준 모형으로는 설명할 수 없는 관측들을 설명할 수 있을 것으로 기대되는 동기 부여가 잘 된 가상의 암흑 부문 입자이다. 한국의 새로운 지하 연구시설인 예밀랩(Yemilab)에서, 두꺼운 텅스텐 텍스트일을 전자 빔이 타격하여 생성된 어두운 광자를 3 킬로톤 규모의 중성미자 검출기에서 이후 상호작용시키는 어두운 광자 탐색을 제안한다. 어두운 광자는 텅스텐 표적에서 생성된 통상적 광자(ordinary photons)로부터의 “다크스트레럴레이션(darkstrahlung)” 또는 진동(oscillations)으로 생성될 수 있으며, 또한 그 가시적 붕괴(visible decays)로 검출되거나, “흡수(absorption)” 또는 통상적 광자로의 진동에 의해 생성될 수 있다. 흡수 과정 또는 진동으로 생성된 광자를 검출함으로써, 어두운 광자의 운동 혼합 파라미터(kinetic mixing parameter) ϵ 2 > 1 . 5 × 10 − 13 (6 . 1 × 10 − 13 )에 대한 세계 최고 수준의 민감도를 95% 신뢰수준(C.L.)에서 80 eV부터 1 MeV까지의 어두운 광자 질량 범위에 대해, 100 MeV–100 kW 전자 빔에 1년 동안 노출하고 배경 사건 수를 0 (10 3 )으로 했을 때 얻을 수 있을 것이다. 동시에, 질량이 1 MeV부터 ∼86 MeV까지인 어두운 광자의 붕괴로부터 e + e − 쌍을 검출하면, 95% C.L.에서 배경 사건 수가 0 (10 3 )일 때 ϵ 2 > $\mathcal{O}\left({10}^{-17}\right)\left(\mathcal{O}\left({10}^{-16}\right)\right)$ $O{10}^{-17}O{10}^{-16}$ 수준의 민감도를 가질 것이다. 이는 동일한 0 배경 가정을 전제로 할 때 Super-K 실험의 민감도와 견줄 만하다.

고대 납(Pb)과 엄격히 정제된 상용 MoO3 분말로부터 습식 화학(wet chemistry) 기법을 사용하여 PbMoO4(PMO)를 분말 합성하였으며, 100Mo에서의 중성미자 없는 이중 베타 붕괴 탐색을 위한 저방사능 섬광체를 구현하고자 하였다. 합성된 분말은 Ar 환경에서 초크랄스키(Czochralski) 기법으로 PbMoO4 단결정을 성장시키는 데 사용되었다. 발광 및 섬광 특성은 10–300 K의 온도 범위에서 UV, X- 및 γ-선을 이용한 여기(excitation)로 측정하였다. 공기 분위기에서 성장된 PMO 결정의 어닐링은 어닐링 전 측정에 비해 섬광 발광량(scintillation light yield)을 유의하게 향상시켰다. 10 K에서의 성장 PMO 결정의 섬광 발광량은 137Cs 선원에서 662 keV γ-선 여기 하에서 측정된 기준 PMO 결정 대비 127%로 나타났다. 50 K에서 수행된 성장 결정의 배경 측정 결과, 기준 PMO(현대 납으로부터 성장) 결정에 비해 210Pb로부터의 내부 활성(internal activity)이 더 낮았다. 이러한 예비 성능 결과는 고대 납과 깊은 수준으로 정제된 MoO3 분말로부터 성장된 PMO 결정이 100Mo에서의 중성미자 없는 이중 베타 붕괴 탐색을 위한 냉동(cryogenic) 섬광체로 사용될 큰 잠재력이 있음을 시사한다.

본 연구는 발광 파장 변환(wavelength-shifting) 첨가제인 4-메틸움벨리페론(4-MU)으로 초순수 물을 도핑하여 물 체렌코프 검출기의 광자 검출 효율을 향상시키기 위한 R&D 연구 결과를 보고한다. 우주선 뮤온으로부터 생성되는 체렌코프 광을 여러 농도의 4-MU에 대해 측정하고, 이를 순수 물에서의 결과와 비교하였다. 1 ppm의 농도에서 검출된 광량은 약 세 배 증가하였다. 이러한 향상은 파장 변환 및 향상된 광자 수집 효율에 기인할 수 있다. 0.5 및 1 ppm의 시험 농도에서, 서로 다른 에탄올 농도를 사용했음에도 광학적 투명성의 뚜렷한 저하는 관찰되지 않았다. 본 결과는 4-MU가 물 체렌코프 검출기의 성능을 개선하기 위한 유망한 첨가제임을 시사한다.

AMoRE-II는 무중성미자 이중 베타 붕괴(neutrinoless double beta decay, $0\nu \beta \beta$ $0\nu \beta \beta$ )를 탐색하는 것을 목표로 하며, 이는 Advanced Molybdenum-based Rare process Experiment (AMoRE)의 주요 단계로서 극저온 시스템에서 작동하는 423개의 $ \hbox {Li}_2^{100}\hbox {MoO}_4$<math><mrow><msubsup><mtext>Li</mtext><mn>2</mn><mn>100</mn></msubsup><msub><mtext>MoO</mtext><mn>4</mn></msub></mrow></math>결정배열을이용한다.AMoRE는3단계(AMoRE-pilot,AMoRE-I,AMoRE-II)로운영될계획이다.AMoRE-II는현재한국정선에위치한약1000m깊이의예미지하연구소(YemiUndergroundLaboratory)에설치중이다.이실험의목표는$0\nu \beta \beta$<math><mrow><mn>0</mn><mi>\nu </mi><mi>\beta </mi><mi>\beta </mi></mrow></math>에대한배제반감기민감도(exclusionhalf-lifesensitivity)를$^{100}$<math><mmultiscripts><mrow></mrow><mrow></mrow><mn>100</mn></mmultiscripts></math>Mo에서$T^{0\nu \beta \beta }_{1/2} > 6 \times 10^{26} <math> <mrow> <msubsup> <mi>T</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> <mrow> <mn>0</mn> <mi>ν</mi> <mi>β</mi> <mi>β</mi> </mrow> </msubsup> <mo>&gt;</mo> <mn>6</mn> <mo>×</mo> <msup> <mn>10</mn> <mn>26</mn> </msup> </mrow> </math> 년 수준으로 달성하여, (15–46) meV 범위에 해당하는 역(逆) 마요라나 중성미자 질량 계층(inverted Majorana neutrino mass hierarchy) 전 영역을 완전히 포괄하는 것이다. 이를 위해 실험 구성의 배경 수준과 감마 및 베타 사건의 가능한 배경원들을 충분히 이해해야 한다. 우리는 잠재적 배경원을 포함한 모든 실험 구성에 대해 GEANT4 도구킷을 사용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 집중적으로 수행하였다. 그 결과, 관심영역(Region Of Interest; ROI)에서 AMoRE-II에 대해 요구되는 10^{-4}$<math><msup><mn>10</mn><mrow><mo>-</mo><mn>4</mn></mrow></msup></math>counts/(keV$2$<math><mo>\cdot </mo></math>kg$2$ $·$ year) 조건을 만족하는 것으로 추정되는 배경 수준을 보고하며, 또한 시뮬레이션 연구에 근거한 예측 반감기 민감도를 제시한다.