Development and Initial Performance of an Upgraded NaI(Tl) Crystal Encapsulation for COSINE-100U

우주가 거대하고 어두운 대양이라고 상상해 보세요. 그 바닷물의 대부분은 우리가 볼 수도, 만질 수도, 냄새를 맡을 수도 없는 무언가로 이루어져 있습니다. 과학자들은 이 보이지 않는 물질을 "암흑 물질(dark matter)"이라고 부릅니다. 우리는 암흑 물질이 별과 은하를 끌어당기는 숨겨진 중력처럼 작용한다는 점을 통해 그것이 존재한다는 것을 알고 있지만, 아직 단 하나의 입자도 직접 잡아내지 못했습니다. 이는 마치 발소리만 듣고 유령이 나오는 집에서 특정 유령을 찾아내려는 것과 같습니다. DAMA/LIBRA라고 불리는 유명한 실험은 그 발소리를 들었다고 주장했습니다. 그들은 지구가 암흑 물질 구름을 통과하며 움직이는 것과 정확히 일치하게 매년 위아래로 흔들리는 신호를 포착했습니다. 하지만 다른 과학자들은 회의적이었습니다. 그들은 그것이 단순히 삐걱거리는 바닥판이나 창문 사이로 들어오는 외풍이 아님을 확신하기 위해, 똑같은 종류의 "귀"를 사용하여 같은 소리를 들어보고 싶어 했습니다.

이 논쟁을 해결하기 위해, 한 팀은 입자가 부딪힐 때 빛을 내는 특수 결정(crystal)을 이용한 새로운 형태의 귀를 만들었습니다. 이 결정들은 나트륨 아이오다이드(sodium iodide)로 만들어졌으며, 암흑 물질 입자(또는 일반 배경 입자)가 부딪힐 때마다 번쩍이는 아주 작은, 초민감한 손전등과 같습니다. 문제는 이 결정들이 매우 까다롭다는 점입니다. 건조하게 유지해야 하며, 발생하는 빛을 완벽하게 포착하여 셀 수 있어야 합니다. 만약 빛을 놓치거나 결정이 더러워지면, 신호가 잡음 속에 묻혀버립니다. 이 논문은 한 팀이 이 오래된 결정 귀들을 어떻게 대대적으로 수리하고, 더 잘 들을 수 있는 새로운 지하 집으로 옮겨 암흑 물질의 속삭임을 더 잘 들을 수 있는지에 대한 이야기를 담고 있습니다.

결정의 변신: 뿌연 창문에서 투명한 수정으로

COSINE-100 실험을 진행하는 과학자들은 자신들의 검출기를 업그레이드하여 COSINE-100U라는 새로운 버전을 만들기로 했습니다. 그들의 예전 설정을 렌즈 앞에 두꺼운 안개가 낀 유리창이 있는 카메라라고 생각해보세요. 빛의 입자(광자)가 결정에서 센서로 이동하려고 할 때마다, 이 창문을 통과해야 했고 그 과정에서 밝기를 잃었습니다. 기존 설계에서는 이 "창문"이 결정과 빛 센서 사이에 놓인 두꺼운 석영 블록이었습니다.

업그레이드를 위해 팀은 이 뿌연 창문들을 없애기로 했습니다. 그들은 석영을 완전히 제거하고, 얇고 투명한 실리콘 패드를 사용하여 빛 센서를 결정에 직접 붙였습니다. 이는 카메라 렌즈를 필름에 직접 테이프로 붙여 유리 자체를 건너뛰는 것과 같습니다. 또한 측면으로 빛이 새나가지 않도록 결정의 가장자리를 45도 각도로 깎아, 길을 잃은 빛을 센서 쪽으로 다시 튕겨내는 거울 역할을 하게 했습니다. 그 후 전체를 거울처럼 빛을 반사하는 반짝이는 흰색 물질(PTFE)로 감싸고, 결정을 망칠 수 있는 액체를 차단하기 위해 구리 상자 안에 밀봉했습니다.

결과: 더 밝은 번쩍임과 더 조용한 방

새로운 시스템을 구축한 후, 팀은 한국의 Yemilab 시설에 있는 상온 실험실에서 이 장치를 테스트했습니다. 그들은 검출기를 2462시간(약 102.6일) 동안 가동했으며, 그 결과를 기존 검출기의 마지막 698시간(29.1일) 데이터와 비교했습니다.

결과는 엄청난 성공이었습니다. 새로운 설계는 결정을 훨씬 더 밝게 만들었습니다. 예전 설정에서 결정은 에너지 1킬로전자볼트(keV)당 평균 약 15 광전자(tiny flashes of light)를 생성했습니다. 하지만 새로운 설정에서는 이 숫자가 급증했습니다. 이제 결정은 15.8에서 27.7 p.e./keV 사이의 빛을 생성합니다. 8개의 결정 중 6개가 20 p.e./keV를 돌파했습니다. 특히 한 결정은 희미했던 15.5에서 찬란한 27.7까지 밝아졌습니다.

더욱 좋은 것은, 이번 업그레이드가 이전에는 너무 어두워서 사용할 수 없었던 두 개의 결정을 살려냈다는 점입니다. 예전 실험에서 결정 5번과 8번은 너무 뿌예서 무시되어야 했습니다. 하지만 변신을 마친 후, 결정 5번은 약했던 7.3에서 강한 17.8로, 결정 8번은 매우 희미했던 3.5에서 사용 가능한 15.8로 변했습니다. 이들은 죽음에서 돌아온 것입니다!

잡음 제거하기

결정을 밝게 만드는 것은 절반의 성공일 뿐입니다. 또한 방을 더 조용하게 만들어야 합니다. 결정은 결정 내부나 표면에 존재하는 미세한 천연 방사능에서 오는 "배경 잡음"에 의해 방해를 받을 수 있습니다. 팀은 두 가지 유형의 잡음을 측정했습니다:

1. 벌크 알파(Bulk Alpha): 결정 깊은 곳에서 발생하는 잡음.
2. 표면 알파(Surface Alpha): 결정의 맨 바깥쪽 피부에서 발생하는 잡음.

측정 결과, "벌크" 잡음(깊은 곳의 것)은 내부의 천연 방사성 물질이 시간이 지남에 따라 서서히 사라짐에 따라 예상대로 약간 감소했습니다. 그러나 "표면" 잡음은 극적으로 줄어들었습니다. 팀이 결정을 밀봉하기 전 세척하고 연마할 때 매우 주의를 기울였기 때문에, 표면 잡음은 엄청난 양으로 줄어들었습니다. 일부 결정의 경우 표면 잡음이 거의 10배 가까이 감소했습니다.

최종 그림

팀이 에너지 스펙트럼(다양한 에너지 수준에서 얼마나 많은 사건이 발생했는지 보여주는 차트)을 살펴보았을 때, 새로운 검출기는 저에너지 영역에서 "가짜 경보"가 더 적게 나타났습니다. 이는 매우 중요한데, 암흑 물질의 신호는 매우 희미하고 낮은 에너지에서 나타날 것으로 예상되기 때문입니다. 결정을 더 밝게 만들고 배경 잡음을 더 낮춤으로써, COSINE-100U 검출기는 이제 훨씬 더 민감해졌습니다.

이 논문은 이 새로운 설계가 계획대로 작동한다고 결론짓습니다. 결정은 더 밝아졌고, 잡음은 더 낮아졌으며, 검출기는 다음 단계인 -30 °C의 차가운 환경에서 가동될 준비를 마쳤습니다. 과학자들은 결정을 냉각하면 암흑 물질의 희미한 속삭임을 포착하는 데 훨씬 더 유리해질 것이라고 믿습니다. 이 논문이 아직 암흑 물질을 발견했다고 주장하는 것은 아니지만, 암흑 물질의 속삭임을 듣기 위한 훨씬 더 날카로운 귀를 성공적으로 만들어냈습니다.