2019년도 (중견) 연차실적‧계획서(협약용)

※ 과제 기본정보는 eRND를 통해 입력, 작성요령은 제출 시 삭제하기 바람.

Ⅰ. 연차실적(4페이지 내외로 작성)

1. 연구 개발 목표 및 결과

1-1. 최종 목표

변경사항 없음

1-2. 주요 연구 변경사항

변경사항 없음

1-3. 당해 연도 개발 목표 및 결과

◈ 당해 연도 개발 목표 : 데이터 취득 및 분석, MPPC 설치 및 하전 입자 검출기의 제작 및 설치

◈ 연구 결과 : 데이터 취득 및 분석

그림1. 현재까지의 데이터 취득 이력

◦  그림1은 KOTO 실험이 취득한 데이터의 이력을 보여주고 있다. 본 연구 년도에는 6월1일부터 6월29일까지의 한 달간 데이터 취득을 수행하였다

◦  2018년 6월　빔타임의 마지막 1일간 KL 붕괴영역의 진공도를 10Pa 정도로 나쁘게 만든 상태에서 데이터 취득을 수행하였다. [eqn: K _{L} `` -> ` pi ^{0} nu bar { nu }] 붕괴 탐색 데이터 취득시의 106배 많은 공기 분자가 존재하는 상태에서 취득한 데이터를 통하여, 중성자가 공기 분자와의 상호작용을 하여 생성하는 배경사상의 연구를 수행하는 것이 그 목적이다.

◦  그림 2는 중성자 상호 작용을 연구하기 위한 데이터를 취득한 때의 붕괴 영역의 진공도를 보여주고 있다. 왼쪽 그림은 높은 진공도에서 작동하는 Cold Cathode Gauge의 데이터이며, 오른 쪽은 나쁜 진공도에서 작동하는 Convection Gauge의 결과이다. 왼쪽 그림의 처음부분에 보여주고 있는 10-5 Pa 이 정상 데이터를 취득하는 때의 붕괴 영역의 진공도이며, 붕괴 영역에 건조 공기를 서서히 주입하여 10 Pa의 상태를 만든다. 왼쪽 그림에서 보는 바와 같이 붕괴 영역에 주입된 공기는 서서히 검출기 영역(10-2 Pa) 으로 빠져나감으로 인하여 서서히 줄어들게 된다. 21시간동안의 데이터 취득 기간중에 세 번에 걸친 공기 주입을 통하여 평균 약 8 Pa의 데이터를 취득하였다. 이는 현재의 진공도에서 공기와 중성자의 상호 작용에 의한 배경 사상이 KOTO 실험의 최종 결과에 있어서 중요한 문제가 되는 지 아닌 지를 판단하기에 충분한 양의 데이터이다.

그림 2 KL 봉괴 영역의 진공도 (Cold Cathode Gauge (왼쪽)와 Convection Gauge (오른쪽) 의 결과)

그림 3 2015년 취득한 데이터의 최종 결과

◦  취득 데이터의 분석에 있어서는, 2015년 취득한 데이터의 최종 결과를 완성하였으며, 그림 3이 보여주고 있는 최종 결과가 2018년 6월에 개최된 KOTO collaboration Meeting에서 승인되었다. 데이터 분석은 blind analysis 기법을 사용하기 때문에, 모든 collaborator가 다 같이 이 결과를 처음으로 보았다. 이 결과는 [eqn: K _{L} `` -> ` pi ^{0} nu bar { nu }] 붕괴의 갈래비가  [eqn: 3.0 TIMES 10 ^{-9}] 보다 작다는 것을 90%의 신뢰도를 가지고 결정한 것이 되며, Physics Review Letters에 투고하여 게재가 결정된 상태이다.

◦  2016년에서 2018년까지 취득한 데이터의 분석은 현재 검출기의 응답특성에 대한 분석을 마치고 본격적인 [eqn: K _{L} `` -> ` pi ^{0} nu bar { nu }]붕괴 현상의 분석에 착수하고자 하는 단계에 있다.

◈ 연구 결과 : MPPC 성능 평가 및 설치

◦  3차원 열량계의 제작을 위한 MPPC설치를 위한 첫 번째 작업으로서, 전북대학교 설치한 항온조를 이용하여 성능 평가를 수행하였다. 그림 4의 왼쪽 그림은 각각의 MPPC에 인가 전압을 변화시켜 가면서 전류를 측정한 결과이다. 이 결과는 MPPC의 개별적인 항복전압을 구할 수 있으며, 이로부터 실제 실험에서 사용할 작동 전압을 결정하게 된다. 본 성능 평가 실험은 각 MPPC의 기초 데이터를 얻는 것 이외에도, 정상적으로 작동하지 않는 MPPC를 선별해 내는 성과를 얻었다.

그림 4. 개별 MPPC의 인가 전압과 전류값의 서로 다른 온도에서 구한 상관관계 (왼쪽) 와 3000여개의 MPPC의 제조사에서 제공한 작동 전압과 본 실험에서 얻은 결과의 차이(오른쪽). 0.6V의 차이는 항복 전압을 구하는 방법이 본 실험과 제조사 간에 차이가 있기 때문이다.

그림 5 CsI 표면에 일정한 힘을 가하여 MPPC를 접착하는 모습

◦  CsI 결정에 MPPC를 접착하는 작업은 10월에 시작하였다. 9월에 시작할 계획이었지만, MPPC의 대량 생산에 관한 일정 조정에 어려움이 있었다. 그러나, 작업 일정에는 한 달간의 여유기간을 두었기 때문에, 2019년 빔 타임까지 MPPC 접착을 완성하여 검출기가 데이터를 취득할 수 있는 상태를 만들 수 있었다. 그림 5는 표면 상태가 각각의 결정이 서로 다른 경우에도 일정한 힘을 가하여 MPPC가 일정한 상태로 접착이 되도록 고안한 장치를 보여준다. 면밀한 작업 스케쥴 관리를 통하여, 12월 중순에는 모든 CsI에 MPPC를 접착할 수 있었다.

◦ MPPC를 접착하는 도중에는, 정기적으로 우주선을 이용한 성능 평가 실험을 수행하였다. 취득한 데이터를 분석하여, 제대로 성능을 발휘하지 못하는 MPPC는 교체를 해 가면서 작업을 진행하였다. 그림 6은 우주선 데이터를 이용하여 구한 시간 분해능의 분포이다. 작은 결정들은 획득하는 광량의 부족 등의 이유로 큰 결정에 비하여 약간 나쁜 분해능을 보여주고 있으나, 이는 예상하고 있던 내용이다. 이러한 시간 분해능을 가지고 우리는 중성자가 만드는 신호와 광자가 만드는 신호를 구분할 수 있으며, 현재의 중성자에 의한 배경사상을 현재의 20분의 1로 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

그림 6 우주선을 이용하여 취득한 CsI 결정의 시간 분해능(왼쪽)과 그 결과를 이용하여 광자와 중성자의 신호가 만드는 사간차이 분포(오른쪽)

◈ 연구 결과 : 하전 입자 검출기의 제작

◦ 하전 입자 검출기 (DCV:Downstream Charged Veto : 본 연구를 시작할 때는 하전 입자 검출기의 이름은 BePiCV로 하였으나, 어감이 좋지 않고 불편한 점이 있어서 DCV로 바꾸었음)의 최종 디자인은 고진공을 만들기 위한 얇은 진공막 안에 집어 넣을 수 있는 사각형 파이프 형태의 섬광 검출기로 결정하였다. 그림 7은 DCV와 기존의 KOTO 검출기와의 위치관계를 보여주고 있다. 가능한 한 CsI 열량계와 가까운 거리에 위치하며, 빔 파이프 전체를 안에서 감싸는 구조를 갖는다. 또한, 빔 입자가 직접 입사하지 않도록 빔 중심에서 일정한 간격을 가지고 떨어져 있도록 설계하였다.

그림 7 DCV와 기존 검출기의 위치 관계.

◦  섬광 검출기의 신호를 읽어내기 위한 공간이 없는 상태에서, 하전 입자의 입사 위치를 결정하기 위하여 양 쪽에서 읽어내는 검출기를 MPPC를 사용하여 실현하였다. [eqn: 6 mm TIMES 6mm]의 작은 단면적을 갖는 MPPC가 170mm의 넓은 폭을 가진 섬광 검출기의 신호를 읽어내기 위하여, 섬광 검출기에 홈을 만들어 파장 변환 파이버를 집어넣는다. 일반적으로는 이 파이버를 직접 MPPC의 감광면에 입사하도록 하지만, 본 연구에서 제작하는 DCV는 MPPC를 파이버의 진행방향의 수직면에 위치하게 하는 새로운 시도를 하였다. 이는 DCV가 진공 박막 안에서 거의 빈틈이 없이 위치할 수 있도록 하기 위함이다. 그림 8은 DCV를 구성하는 섬광 검출기의 완성 사진(왼쪽)과 파장 변환 파이버와 MPPC의 배치를 보여주는 도면(오른쪽)이다.

그림 8 왼쪽:완성한 섬광 검출기의 사진. 이 검출기 4장을 사각형 파이프로 결함하여 DCV를 완성함. 오른쪽: 섬광 검출기의 양 쪽에 MPPC를 수직으로 부착하여 신호를 읽어 냄.

◦  완성된 DCV를 우주선을 이용하여 성능 평가를 수행하였다. 그림 9는 성능 평가 실험을 수행하는 모습을 보여주는 사진(왼쪽)과 그 결과(오른쪽)를 보여주고 있다. 검출기의 성능을 보여주는 광전자(photo-electron)의 획득률이 1 MeV 에너지 천이에 대하여 40개에서 90개 사이에 존재하고 있음을 알 수 있다. 광전자의 획득률은 우주선이 통과하는 지점이 MPPC로부터 멀어지면 작게 되는 데, 이는 파장 변환 파이버안에서 생성된 광자가 MPPC에 도달하게 전에 소멸되기 때문이다. 본 검출기의 설계단계에서 요구한 광전자의 획득량의 조건이 최소한 10개를 넘기는 것이었는데, 실제로 제작한 검출기의 성능은 이 요구 조건을 충분히 만족하고 있다.

그림 9 완성된 DCV용 섬광 검출기의 성능평가를 위한 실험상황을 보여주는 사진(왼쪽)과 획득한 광전자 수와 우주선이 통과한 위치의 상관 관계. 가장 작은 광전자 수가 40개로서 이는 목표치인 10개를 훨씬 넘어서는 결과이다.

◦ 하전 입자 검출기 (DCV1 과 DCV2) 의 제작은 2019년 1월 14일에 성공적으로 완수 하였고, 현재는 J-PARC에서 KOTO 검출기 내부에 설치를 진행중에 있다. 그림 10은 완성된 DCV의 마지막 조정 작업을 하고 있는 모습을 보여주는 사진이다.

그림  완성된 DCV를 마지막으로 조정하고 있는 모습

2. 연구 성과

※ 해당 시 전산입력 후 작성

※ 당해 연도에 발생한 연구성과가 있을 경우 연구사업통합시스템(http://ernd.nrf.re.kr)의 성과부분에 논문, 특허 등의 성과를 입력한 후 한글파일로 다운받아 글자크기 등을 편집하여 첨부함. 지표별 건수를 확인 가능한 총괄표는 삭제하고 세부리스트만 제출

예시표) 전문학술지 논문게재 성과정보 및 지식재산권 성과정보

전문학술지 논문게재 성과정보
과제번호	게재연월	논문제목	총저자명	출처	학술지명	권(호)	학술지구분	sci 여부	impact Factor	국제공동 연구논문	기여도

지식재산권 성과정보
과제번호	출원등록연월	재산권구분	출원등록 구분	발명제목	출원등록인	출원등록국	발명자명	출원등록번호	활용형태	기여도

- 성과발생 시마다 지속적으로 성과관리시스템에 입력 요망(추후 조분평 또는 기타 연구보고서 제출 자료로 활용 가능)

- 모든 연구성과는 연구개시일 이후에 이루어진 것만 입력하며 공동연구 유형은 공동연구원 성과를 포함하여 작성

- 논문은 acknowledgement에 사업명과 과제번호가 기재된 실적만 입력

※ accepted/in press인 논문은 필요하다고 판단되면 추가로 작성가능

3. 연구 수행에 따른 문제점 및 개선 방향

◦  금년도의 연구 목적인 CsI 열량계의 MPPC 설치 작업 및 하전 입자 검출기의 제작, 설치 작업이 예정대로 진행되었으므로, 문제점으로 고려해야할 사항이 없음. 작년도와 마찬가지로, J-PARC 빔 타임 일정이 당초 계획과 다르게 조정되는 점이 있으므로, KEK 연구자들 및 KOTO 실험 공동연구자들과의 긴밀한 연락을 통해서 데이터 취득 및 분석 등 전체 연구일정에 차질 없이 참여할 수 있도록 주의를 기울이고 있다.

Ⅱ. 차년도 연구개발 계획(1페이지 내외로 작성)

◈ 차년도 연구개발 목표 : 데이터 취득 및 분석을 통하여, 검출기의 개선 작업의 성과 확인

◈ 연구개발 계획 : 데이터 취득 및 분석

◦  2019년 2월 초부터 4월 말까지 약 두달 반의 긴 빔 타임이 예정되어 있다. 이 기간 동안 MPPC를 설치함으로써 3차원 열량계로 거듭 난 CsI 열량계의 성능 평가를 수행한다. 특히 중성자가 열량계에서 두 개의 샤워를 만드는 배경사상의 제거 능력의 확인하고자 한다. 이러한 검증을 위해서는 본 연구팀이 제작 설치한 Z0 Target (검출기 앞에 원격 조정을 통하여 빔 라인에 넣을 수 있게 제작하였음)을 이용한 데이터 취득이 필요하다.

◦  DCV의 성능 평가 또한 이번 빔 타임의 주된 목적의 하나이다. 우주선 및 빔 입자를 이용한 에너지 및 시간 정보의 교정 방법의 확립이 시급한 목표이다. 궁극적으로는 DCV가 [eqn: K _{L} `` -> ` pi ^{+} pi ^{-}pi ^{0}] 붕괴로 기인한 배경사상을 얼마나 효율적으로 제거할 수 있는 가를 확인한다.

◦　3차원화 된 CsI 열량계와 새롭게 설치된 DCV를 가지고, [eqn: K _{L} `` -> ` pi ^{0} nu bar { nu }] 붕괴 탐색의 데이터를 효율적으로 취득하여 실험 감도를 지속적으로 높여 갈 예정이다. 특히, 본 빔 타임의 데이터를 이용하여 기존의 배경사상에 대한 이해를 깊이 하면서, 새로운 배경사상의 존재를 확인하고자 한다.

◦ 이번에 취득한 데이터를 사용하여 acceptance loss를 줄여나가는 연구를 수행할 예정이다. acceptance loss는 관측하고자 하는 KL 붕괴와는 관계없는 입자가 검출기에 신호를 남기는 경우에 발생한다. 두 개의 광자 이외의 어떠한 신호도 존재하지 말아야 한다는 조건을 가지고 있는 KOTO의 데이터 분석에 있어서, 이러한 acceptance loss는 어쩔 수 없이 존재하게 되지만 이를 최소화 시키는 노력이 필요하다. 이를 위하여, 관측 하고자 하는 KL 붕괴와 관계없는 입자들의 생성 원인과 그 양을 이해하고자 한다. 특히 DCV는 빔 중심에서 가장 가까운 곳에 설치된 검출기이므로, 취득한 데이터와 시뮬레이션 계산을 사용하여 신뢰할 수 있는 결론을 만들고자 한다.

◈ 연구개발 계획 : DCV의 활용 방안 모색 및 심화 연구

◦  DCV는 공간을 최대한 활용하는 새로운 개념의 검출기이다. 또한, MPPC, 인가 전압 장치, 신호 증폭 장치 등을 작고 간결하게 만들 수 있는 부분이다. 이러한 모든 요소를 섬광 검출기와 결합하면, 검출기를 작동시키기 위한 도구들이 필요없는 간결한 검출기를 완성할 수 있다. 이는 검출기 성능 평가 실험등에서 필수적으로 사용하는 트리거 카운터로서의 역할을 하는 검출기를, 누구나 쉽게 사용할 수 있도록 할 것이다. 이와같은 범용 검출기로의 발전을 모색하고자 한다.

◦  본 연구로 제작한 DCV는 파장 변환 파이버의 경로가 복잡하게 되어있다. 이로 인하여, 하전 입자에 대한 검출기의 응답특성이 입사 위치에 따라서 다르게 나타나게 된다. 이러한 점은 검출기로써 매우 나쁜 특성이 되지만, KOTO 실험에서 사용하기에 문제가 있는 정도의 위치 의존성이 아님을 확인할 수 있었다. 그러나, 검출기 개발 연구의 관점에서, 이러한 위치 의존성을 정밀하게 조사하고자 한다. 필요에 따라서는, DCV 모듈을 다시금 제작하는 방안도 고려하고 있다.