| 초록 |
□ 연구 목표 및 내용 ○ 최종 목표 본 연구과제는 일본 KEK J-PARC 3 GeV의 1 MW 양성자 빔을 수은 표적에 입사하여 나온 중성미자 데이터 분석을 통해 비활성 중성미자가 존재하게 된다면 반뮤온 중성미자가 24m의 짧은 거리에서 반전자 중성미자로 진동변환 할 수 있고 이는 검출기 안에서 역베타 붕괴과정을 통해 검출하는 실험이다. 대략 20년 전부터 중성미자 결과 값들이 설명하기가 힘든 실험들이 등장했고 비활성 중성미자의 존재 가능성에 대한 첫 번째 실험적 결과는 1998년에 LSND 실험에 의해 보고되었다. 가속기 중성미자 실험인 JSNS^2 실험은 기존의 LSND 실험과 MiniBooNE 실험을 검증하고 더욱 정밀하고 향상된 빔을 이용하여 비활성 중성미자에 대한 탐색 영역을 측정하고자 한다. 또한 중성미자-원자핵 산란단면적 측정 관련 코어 붕괴 초신성 연구와 235.5 MeV 단일 중성미자 빔을 이용한 KDAR (kaon decay at rest) 연구를 통해 기존의 결과를 검증 및 향상시켜 암흑물질 탐색을 목표로 한다. ○ 전체 내용 암흑물질은 암흑에너지와 함께 우주의 잃어버린 질량과 관련된 수수께끼를 풀 수 있는 단서이지만 아직 실험을 통해 직접적으로 확인된 바는 없다. 중성미자 진동실험을 통해 중성미자가 중력과도 상호작용한다는 사실이 알려졌다. 여러 실험에서 세 종류의 중성미자만으로 설명할 수 없는 중성미자 진동 변칙(anomaly)이 보고되고 있다. 이는 암흑물질에서 중성미자의 역할이 중요하다는 것을 의미하고 있으며, 표준모형이 확장될 수밖에 없다는 숙제를 과학자들에게 준 것이다. 그중 JSNS^2 실험은 3 GeV의 1 MW 양성자 빔을 수은 표적에 입사하여 표적 안에서 생성된 파이온이 뮤온으로 붕괴하고 이 뮤온이 정지붕괴 하면서 반뮤온 중성미자를 방출하게 된다. 비활성 중성미자가 존재하게 된다면 반뮤온 중성미자가 24m의 짧은 거리에서 진동변환 할 수 있고 검출기 안에서 역베타 붕괴과정을 통해 검출하게 된다. (1)검출기 시뮬레이션 및 RAT & JADE를 활용한 분석 프로그램 개발 RAT은 보다 정확한 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 사용자 지정 가능한 신틸레이터 물리 정보 및 사실적인 PMT 모델을 제공한다. JADE는 펄스 재구성, 이벤트 구축을 제공한다. (2) 중성미자 실험에서 배경사건 연구 JSNS^2 실험에서 IBD 상호작용의 측정된 배경사건은 cosmic-muon, Michel electron, fast neutron, cosmic-gamma가 있다. 각각의 배경사건은 특정한 조건을 통해 선별하여 구할 수 있다. (3) 비활성 중성미자 데이터 획득 및 연구 기존의 세 가지 활성 중성미자에 추가로 비활성 중성미자를 도입하여 질량 고유상태를 통해 PMNS 행렬계산을 한다. 확률 진동 및 중성미자의 이론적인 에너지 스펙트럼을 계산한다. 최종적으로 chi-square distribution을 계산하여 활성 중성미자 세 개와 비활성 중성미자가 한 개인 모델에서 비활성 중성미자가 존재 가능한 영역을 측정한다. (4)중성미자-원자핵 산란 단면적 연구 및 KDAR (kaon decay at rest) 연구 ○ 1단계 ◎ 연구 목표 JSNS^2 실험에서 사용되는 Reactor Analysis Tool (RAT) 또는 RAT-PAC (RAT, Plus 추가 코드)는 GLG4sim 시뮬레이션 패키지를 기반으로 하는 시뮬레이션 프레임이다. RAT은 보다 정확한 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 사용자 지정 가능한 신틸레이터 물리 정보 및 사실적인 PMT 모델을 제공한다. RAT을 활용하여 JSNS^2의 검출기 시뮬레이션과 물리 물질 정보를 업데이트할 예정이다. 또한 JSNS^2 JADE를 이용하여 데이터 처리(data processing)를 하는데 여기에는 두 가지 주요 부분이 있다. ① 펄스 재구성(Pulse reconstruction) ② 이벤트 구축(Event building) 먼저 검출기 시뮬레이션 관련하여 작년에 테스트 데이터 획득 작업을 통해 신틸레이터 정보, PMT 정보, 온도 및 습도에 따른 변화 정보, 가속기 파워 및 트리거 관련 정보 등을 토대로 업데이트 중이며 RAT또한 보다 정확한 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 사용자 지정 가능한 신틸레이터 물리 정보 및 사실적인 PMT 모델 및 환경에 따른 요인들을 업데이트를 목표로 한다. ◎ 연구 내용 본 연구의 1년차에 해당하는 올해는 검출기 시뮬레이션 및 RAT & JADE를 활용한 분석 프로그램 개발에 대해 연구를 진행하였다. RAT뿐만 아니라 이와 병행하여 JADE를 이용하여 데이터 처리(data processing)도 마찬가지로 펄스 재구성과 이벤트 구축에 영향을 주는 부분을 체크하며 실제 데이터와 비교하면서 업데이트를 진행하고 있다. KDAR 중성미자는 빔 타켓에서 생성되며 우리는 핵 또는 핵자와 중성미자 상호작용에 의해 생성된 뮤온을 검출하는 것을 목표로 한다. JSNS^2 검출기에서 위와 같이 prompt와 delayed의 coincidence로 KDAR 중성미자 상호작용 후보로 검출된다. 여기서 예상되는 백그라운드는 가장 지배적은 배경인 우주선이 포함된 백그라운드와 빔관련 백그라운드이다. 검출기 반응 효과를 이해하기 위해 KDAR 상호작용을 이용하여 시뮬레이션 하였다. KDAR visible energy spectrum은 여러 복잡하고 다양한 nuclear effects 로 인한 다양한 모델이 예측되고 있다. 이와 같은 이유로, 현재 어떠한 실험도 KDAR primary energy spectrum을 확인 하지 못 하였다. 이 연구의 목표 중 하나인 KDAR prompt event의 visible energy spectrum을 측정하여 많은 KDAR의 physics 모델을 비교 분석하였다. ○ 2단계 ◎ 연구 목표 LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) 실험은 Los Alamos National Laboratory에서 가속기 중성미자 소스에서 생성되는 중성미자 수를 측정하는 신틸레이션 계수기(scintillation counter)이다. 본 연구인 JSNS^2 (J-PARC Sterile Neutrino Search at J-PARC Spallation Neutron Source)실험은 LSND 실험의 검증을 일차적인 목표로 하고 있으며, LSND 실험과 뮤온 붕괴에서 발생하는 중성미자 소스, 액체섬광검출용액을 사용한 타켓 물질, 역베타 붕괴 (IBD:Inverse Beta Decay)과정을 이용한 검출 방법, 선원으로부터 가까운 거리(24m)로 같지만 가돌리늄을 용해한 액체섬광검출용액을 사용하기 때문에 보다 향상된 signal/noise ratio 값을 기대한다. JSNS^2 검출기는 J-PARC MLF (Materials and Life science experimental Facility) 안에 중성미자 선원으로부터 24m의 가까운 거리에 설치되어 있으며 본 연구는 양성자 빔을 이용하여 큰 값의 Δm<sup>2</sup>영역에서 배경사건의 획기적인 감소를 통해(가돌리늄이 용해된 액체섬광검출용액을 사용 및 고성능의 빔 사용) 향상된 signal/noise ratio와 systematics를 이용하여 Δm<sup>2</sup> ~eV<sup>2</sup> 영역에서 비활성 중성미자를 탐색하고자 한다. ◎ 연구 내용 중성미자 실험에서 중성미자 데이터만큼이나 배경사건을 연구하는 것은 매우 중요하다. 실제로 중성미자 데이터를 받으면 얼마만큼 배경사건을 아는지에 따라 그 실험의 정확도가 올라가기 때문에 이를 연구하고자 한다. 가속기 중성미자 실험에서 역베타 붕괴과정을 통해 측정된 배경사건은 cosmic-muon, Michel electron, fast neutron, cosmic-gamma가 있다. cosmic-muon의 경우 검출기 외부 영역에서 charge를 이용한 muon cut 조건을 사용하여 선별할 수 있다. 이때 검출기 외부 영역에서 charge 스펙트럼을 확인하고 E > 200MeV보다 큰 부분을 선택하여 뮤온검출 효율을 계산할 수 있다. 이를 통해 외부 검출기의 윗부분과 아랫부분의 charge 분포에 각각 조건을 주어 cosmic-muon의 이벤트를 계산할 수 있다. 배경사건의 선별 |
