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자현 정
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and ultra-low thresholds in nuclear and particle physics.

The cryogenic detection technique has been adapted in rare-event searches and has become an important measurement tool in many other applications.

1 입자천체물리학극저온입자검출기 DOI: /PhiT 김용함 Low-temperature Detectors for Particle Astrophysics Yong-Hamb KIM Low temperature detectors (LTDs) have been developed in response to the need for detectors with superior energy resolution and ultra-low thresholds in nuclear and particle physics. Recent developments of these detectors have demonstrated performance levels for resolution and threshold that exceed the extreme limits of conventional semiconductorbased detectors. The cryogenic detection technique has been adapted in rare-event searches and has become an important measurement tool in many other applications. In this report, we review the general detection principle of LTDs. We also introduce the detectors that have been developed for the AMoRE and the KIMS-LT experiments. 저자약력 저온검출기란? 방사선과방사능의발견이후지난세기에개발된여러종류의방사선검출기는핵물리학과입자물리학의태동과비약적인발전에지대한역할을하였다. 이는방사선의종류와에너지의측정정확도를높임으로써물질의근본적인구조를예측가능하게하고, 새로운입자의발견도가능하게하였다. 이에정립된핵및소립자에대한이해를바탕으로 20세기후반부터는우주의생성과진화에대한구체적인연구가가능하게되었다. 위성을이용한우주선측정, 심층지하실험및여러 김용함교수는브라운대학교이학박사 (2003) 로서브라운대학교박사후연구원을거쳐, 현재한국표준과학연구원 (2005-) 양자측정센터책임연구원, 과학기술연합대학원대학교 (2011-) 나노계측과학교수, 기초과학연구원 (2013-) 종류의지상정밀측정은새로운검출기기술과해석기술을바탕으로획기적인발전을하였고, 핵및소립자물리학연구로우주와천체를이해하는입자천체물리학을태동하게하였다. 1987년독일테게른제 (Tegernsee) 의링베르그성 (Ringberg Castle) 에서는중성미자와암흑물질연구를위한저온검출기 (Low Temperature Detectors for Neutrinos and Dark Matter) 라는워크숍 [1] 이열렸다. 이름에서도나타나듯이이 LTD 워크숍은극저온에서일어나는물리현상을이용한측정기술을발전시켜중성미자연구와암흑물질탐색에활용한다는선구자적인내용의발표가있었다. 초전도성질같이저온에서나타나는양자역학적또는극한물성변화를정밀측정하여검출기에응용한다는개념으로시작되었고, 이분야에선구자적인융합기술을발전시키는계기가되었다. 현재이 LTD는상용화된반도체또는섬광검출기의이론적한계보다뛰어난에너지분해능과문턱에너지측정이가능하여, 현재입자천체물리학분야를비롯한많은기초및응용연구에사용되고있다. 우주배경복사를정밀측정하여우주론연구에지대한역할을하고있는 Planck [2] ( 유럽우주국미션 ) 실험은 LTD의일종인 neutron transmutation doped(ntd) germanium thermistor [3] 를핵심센서로사용하였다. 또한최근중력파에의한 B- mode polarization 을측정하였다고주장하는 BICEP2 [4] 실험은남극에위치하는지상실험이나측정감도를높이기위해서초전도상전이센서 (Transition edge sensor, TES) [2] 를사용하고있다. 지하실험으로는 WIMP(Weakly Interaction Massive Particle) 암흑물질을찾고있는 CDMS, [5] CRESST, [6] EDELWEISS [7] 실 [1] K. Pretzl, N. Schmitz and L. Stodolsky (ed.), Low Temperature Detectors (Springer-Verlag, 1987). [2] [3] C. Enss(ed.), Cryogenic Particle Detection (Springer, 2005). [4] [5] [6] [7] 14

2 험들이 LTD를사용한극저온입자검출기이다. 중성미자의절대질량측정및기본성질을결정할수있는중성미자미방출이중베타붕괴실험으로는 CUORE [8] 실험과 AMoRE [9] 실험등이있다. 일반적인입자검출기는검출기를구성하는물질 ( 흡수체 ) 이측정하려는입자와반응하여이온화되는현상을이용한다. 반도체흡수체인경우전기장을걸어주어하전입자 (charged particles) 인전자와양공으로발생하는전하를측정한다. 흡수체가섬광 (scintillation) 성질이있는경우발생하는빛을광배전관 (photomultiplier tubes) 이나광다이오드 (photo-diodes) 등으로측정한다. 하지만흡수체에전달된에너지의작은일부만전자양공쌍또는섬광으로변환되며, 대부분의에너지는격자진동인포논 (phonon) 형태로변환되어온도변화를유발한다. 금속흡수체인경우는격자진동과함께자유전자도온도변화에관여한다. 따라서온도변화를정밀측정하는것은전하또는섬광측정보다효율적인측정이가능하게한다. 반도체또는섬광결정을흡수체로사용하는경우엔전하또는섬광측정과동시에포논측정을같이할수있는장점이있다. 하지만에너지흡수에의해발생된포논을측정하는것은쉽지만은않다. 모든응집물질 (condensed matter) 에선온도에따르는통계적포논의분포가자연적으로존재한다. 흡수체가열용량이큰열저장고와연결되어있으면흡수체의열에너지가일정하지않고변하게되고, 포논의분포역시시간에따라변하게된다. 상온에서는이열적요동 (thermal fluctuations) 이입자검출에생기는포논보다더많은양일수있다. 그런데극저온에서는온도에따른열에너지의양 ( 열용량, heat capacity) 과열적요동역시아주작아질수있다. 게다가열용량이작아지므로같은에너지에대해변화되는온도가커지게되므로온도또는포논측정을위해서는낮은온도에서의측정이훨씬유리하다고볼수있다. 온도측정을통한검출기의분해능한계는열적요동의세기가중요역할을한다. 반도체또는섬광검출기에서는전자양공한쌍이나하나의섬광을만들기위해서는수 ev에서 10 ev 정도의에너지가필요하다. 하지만포논측정의경우에는어떤온도 ( ) 에서의평균포논에너지는약 B 로정해지고, 10 mk에서는이값은 10-6 ev에가깝다. 여기서 B 는볼츠만상수이다. 만약검출기의열용량이 이고전체열에너지를 로근사한다면, 평균에너지양자의개수는 B 가된다. 즉열적요동에기인하는통계적잡음또는검출기의분해능의한계는 rms B 1/2 B 2 1/2 로표현될수있다. 1 kg의 CaMoO 4 검출기를 10 mk에놓으면, 열적요동에의한분해능한계는 20 ev Full Width of Half Maximum(FWHM) 으로작아지게된다. Fig. 1. (A) A simplified concept for detection principle of low temperature detectors. (B) Heat flow diagram. (C) Temperature response caused by a particle detection. 측정원리와검출기성능 저온검출기에서는검출하는에너지를열에너지로변환하여수반된온도변화를측정하는개념인 calorimetric detection 을기본원리로한다. 에너지를측정하는의미로입자물리에일반적으로사용되는칼로리미터 (calorimeter) 의일종으로볼수도있다. 일반적으로저온검출기는그림 1(A) 와같이흡수체와온도계로구성되며 1 K 이하의저온환경에열접촉시킨다. 검출하고자하는입자 ( 엑스선, 감마선, 전자, 암흑물질등 ) 가흡수체와의반응으로에너지 ( ) 를전달하면순간적인온도변화가유발되고이를온도계로정밀측정한다 ( 그림 1(B)). 즉, 시간에따른온도변화 ( ) 를정밀측정함으로써전달된에너지를알아낼수있다. 여기서시상수 ( ) 는 / ( : 열용량, : 외부로의열전도도 ) 로결정된다 ( 그림 1(C)). 이때온도변화에민감한저항또는자화 (magnetization) 등의성질을갖는물질을온도계센서로사용한다. NTD 와 TES가저항온도계의대표적인예이고, 자기양자센서 (Metallic Magnetic Calorimeter, MMC) [2] 는자기적성질을이용한온도계이다. TES와 MMC는초전도양자간섭장치 (superconducting quantum interference device, [8] [9] html. 15

Fig. 3. Underground experiments in LTD measurement concept using light, charge and phonon measurement chains. Fig. 2. Energy spectrum of an 241 Am source measured with an MMC sensor at KRISS.

9 kev 엑스선에대해 1.6 ev FWHM 분해능이 TES와 MMC를사용하여측정되었다. 고분해능알파선분광역시 TES와 MMC를사용하여연구되고있고 5 MeV 영역에서약 1keV FWHM 분해능이보고되고있다. 그림 2는한국표준과학연구원 (KRISS) 에서제작된 MMC를사용하여 241 Am 선원의알파입자와낮은에너지방사선에대한측정결과이다.

3 Fig. 3. Underground experiments in LTD measurement concept using light, charge and phonon measurement chains. Fig. 2. Energy spectrum of an 241 Am source measured with an MMC sensor at KRISS. The detector resolution was 1.2 kev FWHM for 5.5 MeV alpha particles and 0.40 kev FWHM for 60 kev gamma-rays. [10] SQUID) 를이용하여신호측정의정밀도를향상시킨다. 정밀온도계역할을하는이 LTD 센서의성능은일반적으로금속박막을흡수체로사용하여측정한다. 현재 5.9 kev 엑스선에대해 1.6 ev FWHM 분해능이 TES와 MMC를사용하여측정되었다. 고분해능알파선분광역시 TES와 MMC를사용하여연구되고있고 5 MeV 영역에서약 1keV FWHM 분해능이보고되고있다. 그림 2는한국표준과학연구원 (KRISS) 에서제작된 MMC를사용하여 241 Am 선원의알파입자와낮은에너지방사선에대한측정결과이다. 수 kev에서부터수 MeV 영역까지한개의검출기를사용하여측정가능하고에너지분해능역시기존반도체검출기보다뛰어남을알수있다. 희귀반응측정지하실험 WIMP 신호측정과중성미자미방출이중베타붕괴측정같은매우드문반응을측정하기위해서는우주선으로부터의간섭이적은심층지하실험이필수적이다. 희귀신호의측정감도를높이기위해검출기의에너지분해능을극대화하고, 검출기내부와외부방사능에서의간섭을최소화하는노력역시필요하다. 극저온입자검출기는극한의에너지분해능을제공하고, 측정하려는신호와내외부간섭신호를효과적으로구별해내는방법도다음과같이제공한다. 반도체또는섬광결정을흡수체로사용하는경우, 전하및섬광측정과동시에온도변화까지측정할수있게된다. 여기서의온도는흡수체결정의포논분포로정의되고, 포논을측정하여흡수체에전달된열에너지를측정하게된다. 각각의측 정이벤트는섬광과포논신호또는전하와포논신호의 2개의측정수단 (measurement chain) 을사용할수있다. 측정입자의종류에따라측정수단의상대비율이다르게측정될수있는데이것은측정하고자하는신호와배경잡음신호를구별하는데도움이된다. WIMP 신호는흡수체의핵되튕김 (nuclear recoil) 신호를측정하는것으로전자되튕김이배경잡음을준다. 반면이중베타붕괴신호는전자신호를측정하는것으로, 여기서는전자신호를알파신호배경잡음에서구별해내야한다. 그림 3은가능한측정수단과실제사용하고있는지하실험의예를도식적으로보이고있다. CDMS 와 EDELWEISS 는 Si 과 Ge 반도체흡수체를사용하여, 전하와포논신호를동시측정한다. 전하 / 포논신호비율이전자되튕김이핵되튕김에비해상대적으로큰성질을이용하여각각의신호의종류를구별해내고있다. CRESST 는섬광결정인 CaWO 4 를흡수체로사용하고섬광과포논을동시에측정한다. 이실험에도전자되튕김신호가섬광 / 포논크기가 WIMP 가만들수있는핵되튕김신호보다더큰성질을이용하고있다. 중성미자미방출이중베타붕괴실험인 AMoRE 실험은 100 Mo의이중베타붕괴스펙트럼의끝점 (end point, Q value) 인 3.04 MeV 에중성미자에의한에너지감소없이두개전자의에너지가모두흡수체에전달되는신호측정을목표로 CaMoO 4 섬광결정을흡수체로사용한다. 즉, 전자신호가측정하고자하는신호이다. 이관심에너지영역 (Region of interest, ROI) 에서는자연방사능에의한전자배경잡음은거의없으나, 알파선에의한에너지는이영역에배경잡음으로신호를줄수있다. AMoRE 실험에서는전자신호를섬광과포논신호를동시측정하여내외부알파신호배경잡음을구별해내고있다. [11] [10] W. S. Yoon, et al., accepted in Nucl. Instr. Meth. A (2014). [11] Y. H. Kim, The AMoRE project, presented in TAUP

이탈리아 LNGS 지하실험실에건설되고있는 CUORE [8] 실험은 20년동안연구하고있는저온검출기를이용한중성미자미방출이중베타붕괴탐색연구이다. TeO 2 결정을이용하여 130 Te의중성미자미방출이중베타붕괴신호를측정하는것을목표로하고있고, 현재 760 kg 검출기가완성단계에있다. 앞으로수년동안이희귀반응측정의측정감도가가장높을것으로예상되고있다.

4 이탈리아 LNGS 지하실험실에건설되고있는 CUORE [8] 실험은 20년동안연구하고있는저온검출기를이용한중성미자미방출이중베타붕괴탐색연구이다. TeO 2 결정을이용하여 130 Te의중성미자미방출이중베타붕괴신호를측정하는것을목표로하고있고, 현재 760 kg 검출기가완성단계에있다. 앞으로수년동안이희귀반응측정의측정감도가가장높을것으로예상되고있다. 하지만, CUORE 검출기는포논만을측정하고있으므로알파배경잡음을구별하기어려운단점과 Q value 가상대적으로낮아자연방사능에의한전자배경잡음도무시할수없는단점이있다. AMoRE 검출기 CaMoO 4 결정에있는 100 Mo이이중베타붕괴또는중성미자미방출이중베타붕괴를하면전자두개의운동에너지가결정에흡수된다. 검출기자체가소스 (source) 를포함하고있어소스 검출기 (source detector) 검출개념으로도알려져있다. CaMoO 4 는섬광성질이있으므로흡수된일부에너지는섬광으로방출되고나머지는열에너지성격의포논으로변환된다. CaMoO 4 결정의 Debye 온도 ( D ) 가 430 K [12] 로 ( / D ) 3 비례하는열용량 ( ) 이낮은온도에서아주작아지게된다. 따라서에너지흡수에따른온도변화 ( ) 가커지게된다. 뿐만아니라, Mo를포함하는섬광결정중가장빛을많이내는결정으로알려져있어섬광측정에도효율적이다. 포논신호와섬광신호를동시측정한결과는그림 4(upper) 를통해확인할수있다. 두신호의비율을비교하면내외부방사성소스로부터기인하는전자신호와뮤온이결정을통과하며에너지를전달하는신호가같이전자신호밴드를구성하고있다. 한편결정내부에서알파붕괴에의한신호가전자신호밴드에서떨어져서분포하는것이보인다. 예측한대로알파흡수에대한빛신호가작게측정되었다. 두신호의구별정도는약 8 정도가측정되었다. 그림 4(lower) 에서보이듯이포논신호의시간특성이신호의종류 ( 전자또는알파 ) 에따라다르게측정되었다. [13] 전자신호가알파신호보다더느린 rise-time 과 decay-time 의특성을보여 mean-time을이용한 PSD parameter 로사용하였다. 포논신호하나만을이용하여도알파배경잡음이구별이가능하다는결과를보이고있다. 최근결과를보면 15 이상의신호구별능력을보여주고있다. PSD가포논센서하나로도잘될수있으므로, 이중베타붕괴연구를위해서는섬광을따로측정할필요가없을수있으나, 이검출기를사용해서낮은에너지 WIMP 신호측정에활용하기위해서는좋은성능의섬광검출기가필요하다. Fig. 4. Separation of alpha and electron events absorbed in a CaMoO 4 crystal. Light(photon)/Heat(phonon) ratio of the signal size provided clear separation for electron and alpha induced events (upper). Unambiguous pulse shape discrimination was demonstrated using pulse-shape parameter (mean-time) with phonon measurement only (lower). [13] These measurements were performed in an overground lab. 이결과들은뮤온신호가많은지상실험실에서측정된것으로전자와알파신호밴드밖의신호도줄수있다. 앞으로계획하고있는지하실험 ( 양양양수발전소내 ) 을수행하면더깨끗한신호구별이가능해질것으로기대한다. 에너지분해능측정은외부 208 Tl 소스를사용하였고, 2.6 MeV full peak 에대해약 8 kev FWHM 의분해능을나타내었다. 또한낮은에너지영역에선 8 kev Cu x-ray fluorescence 피크를확실히구별해내었다. 10 mk 측정에서의문턱에너지 (threshold) 는약 1keV 정도로측정되었다. 낮은에너지결과는 CaMoO 4 결정과 MMC를이용한 LTD 측정으로 WIMP 연구가가능하다는것을보여앞으로계획하는 KIMS-LT( 저온암흑물질탐색 ) 연구에중요한시작점이될수있다. [12] S. J. Lee et al., Astroparticle Physics 34, 732 (2011). [13] G. B. Kim et al., accepted in Adv. High Energy Phys. (2014). 17

맺음말 Fig. 5. LTD detector setup of an AMoRE detector cell and AMoRE-200. AMoRE 검출기는궁극적으로 200 kg의결정을사용할예정이다. 검출기타워의모식도가그림 5에나타나있다. 각각의검출기셀은포논센서 (MMC 와 phonon collector film) 와섬광검출기로구성된다.

5 맺음말 Fig. 5. LTD detector setup of an AMoRE detector cell and AMoRE-200. AMoRE 검출기는궁극적으로 200 kg의결정을사용할예정이다. 검출기타워의모식도가그림 5에나타나있다. 각각의검출기셀은포논센서 (MMC 와 phonon collector film) 와섬광검출기로구성된다. 섬광검출기역시 MMC 센서기반으로 Ge 웨이퍼를빛신호흡수체로사용하는 LTD 형식의검출기를사용할예정이다. 극저온입자검출기는극저온에서일어나는초전도현상을비롯한양자현상을이용하여신호를측정하는검출기로, 극한의에너지분해능이구현될수있다. 또한측정하려는신호와내외부간섭신호를매우효과적으로구별해내는성능도증명되었다. AMoRE 연구에서는극저온검출기를이용하여 ROI 영역에방해신호가전무한무배경잡음환경에서측정을수행하려한다. 200 kg 검출기가완성되는 2019년에는세계최고의측정감도를가진 AMoRE-200 검출기가구동될예정이다. 최초로중성미자미방출이중베타붕괴신호를측정하여현대물리의최대문제를해결하고새로운연구의장을여는때를예상해본다. 또한측정가능영역의한계를확장시키는검출기를개발하여암흑물질의가장강력한후보인 WIMP 탐색의세계최고감도의실험을구현하는것도기대해본다. 극한측정기술의발전은보지못한새로운현상을측정가능하게하여새로운과학의장을열게도해준다. 과학사에서새로운패러다임을만든과학과기술은측정기술의발전에의존해왔다. 극한온도에서초정밀측정을하는극저온입자검출기를발전시켜목표하는입자천체물리학의새로운발견과측정에이바지하고, 파급되는기술의발전으로과학의여러분야에미칠많은효과를기대해본다. 18

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KAERIAR hwp - i - - ii - - iii - - iv - - v - - vi - Photograph of miniature SiC p-n and Schottky diode detector Photograph SiC chip mounted on a standard electrical package Photograph of SiC neutron detector with