- JUNO 프로젝트, 스펙트럼의 디지타이저로 중성미자 연구 가속화
오랫동안 질량이 없는 것으로 여겨진 중성미자가 최근 연구에 따라 미세한 질량을 가지고 있으며, 세 가지 서로 다른 '요소'(flavour)로 존재할 수 있다는 이론이 제기되고 있다. 다만, 흔히 '유령 입자'라고 불리는 중성미자는 대부분의 물질을 통과할 때 거의 저항을 받지 않기 때문에 연구가 매우 어렵다.
이러한 중성미자를 탐지하기 위해선 특별한 탐지기가 필요하며, 이를 위해 디지타이저 및 제너레이터 전문 기업 스펙트럼 인스트루먼트)의 초고속 디지타이저가 최신 탐지기인 JUNO의 핵심 부품, 액체 신틸레이터 개발에 사용되었다고 밝혔다.
JUNO는 중국 장먼 지하 750m에 위치한 대형 중성미자 탐지기로, 17개국의 730명의 과학자들이 참여하여 4억 유로의 예산으로 진행되는 프로젝트다. JUNO는 중성미자를 발생시키는 8개의 원자로 사이에 정밀하게 위치해 있으며, 탐지기의 중심에는 내경 34.5m의 거대한 고투명 아크릴 구가 설치되어 있다.
이 구는 2만 톤의 특수 오일 유사 물질로 채워져 있으며, 중성미자가 이 액체 신틸레이터와 상호작용할 때 광자를 생성하게 된다. 이 광자는 4만5천 개의 광증배관(PMT) 배열로 감지된다. JUNO 탐지기가 2024년 말에 가동되면, 인류 역사상 가장 큰 액체 중성미자 탐지기로서, 중성미자 연구에 큰 획을 그을 것으로 기대된다.
JUNO의 중심에 위치한 아크릴 구는 액체 신틸레이터로 채워져 있으며, 물층으로 둘러싸여 외부 방사선으로부터 보호된다. 이 물질들은 극도로 순수해야 하며, 지문에서 나오는 땀 한 방울도 전체 프로젝트를 오염시킬 수 있어 건설 과정에서 작업자들은 두 겹의 장갑을 착용해야 했다. 탐지기는 주변 방사선으로부터 보호하기 위해 지하 750m 깊이의 공간에 설치되었다.
뮌헨 공과대학(TUM)과 마인츠의 요하네스 구텐베르크 대학 연구팀은 실험실 규모의 정밀 실험에서 스펙트럼의 M4i.2212 디지타이저 카드를 사용해 액체 신틸레이터의 특성을 분석하고 있다. 본 실험은 고급 데이터 수집 능력이 요구돼 카드들이 매우 중요한 역할을 한다.
중성미자가 액체 신틸레이터와 상호작용할 때 에너지를 전달하며, 이를 통해 생성된 빛의 양을 측정하여 중성미자의 에너지를 알 수 있다. 또한 체렌코프 빛과 신틸레이션 빛을 활용해 중성미자의 입사 방향을 재구성하는 것도 가능하다. 뮌헨과 마인츠 연구팀의 목표는 체렌코프 빛과 신틸레이션 빛을 구분하여 중성미자의 에너지와 방향을 동시에 파악하는 것이다. 이를 위해 향상된 빛 수집 기능과 시간 해상도를 갖춘 정밀 실험이 진행되고 있다.
한스 슈타이거(Hans Steiger) 박사는 "스펙트럼의 디지타이저 카드는 최첨단 성능을 제공하면서도 경제적인 솔루션이다. 스펙트럼의 모듈형 설계 덕분에 필요 없는 기능에 비용을 낭비하지 않고, 필요한 기능만 선택할 수 있었다"고 설명하고, "PCIe 표준 제품으로 쉽게 시스템을 확장할 수 있는 것도 큰 이점이며, 5년 보증을 제공하여 신뢰할 수 있는 부품임을 보장해 주는 것도 매우 만족스럽다"고 밝혔다.
JUNO는 중성미자 탐지를 통해 천문학 연구에도 새로운 가능성을 열고 있다. 예를 들어, 죽어가는 별이나 초신성이 대량의 중성미자를 방출할 때, 이 탐지기를 통해 중성미자의 출처와 폭발 지점을 정밀하게 재구성할 수 있다. 이는 과거에는 불가능했던 일로, 체렌코프 빛과 신틸레이션 신호를 결합하여 중성미자의 에너지와 방향을 분석함으로써 가능해졌다.
뮌헨 공과대학 연구원 메이슈 루(Meishu Lu)는 "초고속 디지타이저 카드는 피코초 (Pico second) 단위의 시간 프레임 작업을 지원한다. 또한, 5V의 다이내믹 레인지를 통해 3V 펄스를 쉽게 관리할 수 있었다"고 설명하고 “스펙트럼 인스트로먼트사의 지원으로 JUNO 팀은 프로젝트의 성공을 위한 최적의 솔루션을 찾을 수 있었다. 마인츠에서 일하는 마누엘 뵈흘레스는 "스펙트럼은 우리 프로젝트를 위한 최고의 솔루션을 제공했으며, 문제 발생시 엔지니어와 직접 문제를 해결할 수 있도록 지원했다"고 밝혔다.
한스 슈타이거 박사는 "중성미자 탐지기를 통해 중성미자, 중력파, 전자기 복사를 함께 탐지하여 우주의 다양한 현상을 더욱 깊이 이해할 수 있게 되었으며, 이는 멀티 메신저 천문학의 새로운 시대를 여는 중요한 성과"라고 강조했다.
JUNO는 중성미자 연구뿐 아니라 천문학 연구에도 중요한 기여를 할 것으로 기대되며, 과학자들이 우주의 비밀을 풀어가는 데 중요한 역할을 할 것이다.
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