ANAIS-112

ANAIS-112 실험
법적 지위2017년 8월 3일부터 데이터 수집 중
목적DAMA/LIBRA에서 보고된 양의 연간 변조 신호 검증
본부스페인, 칸프랑크 지하 실험실
분야암흑물질 탐색, 우주입자물리학
웹사이트https://gifna.unizar.es/anais/

ANAIS(영어: Annual modulation with NaI Scintillators, NaI 섬광체를 이용한 연간 변조)는 스페인 칸프랑크 지하 실험실(LSC)에 위치한 암흑물질 직접 탐색 실험으로, 사라고사 대학교 CAPA 연구팀이 운영하고 있다.

ANAIS의 목표는 DAMA/LIBRA 실험의 양의 결과를 모델 독립적인 방식으로 확인하거나 반증하는 것이다. 이 결과는 표준적인 은하 헤일로 내의 약하게 상호작용하는 무거운 입자(WIMP)에 의해 유도되는 신호에서 예상되는 모든 특징을 갖춘 저에너지 탐지율의 연간 변조 현상이다. 이 변조는 지구가 태양 주위를 공전함에 따라 발생한다. DAMA/LIBRA에 의해 약 20년간 암흑물질(DM) 신호의 모든 특징을 가진 변조가 관측되었으나, 이는 다른 암흑물질 직접 탐색 실험들의 음의 결과와 강한 긴장 관계에 있다. 대부분의 전통적인 WIMP-DM 시나리오에서 서로 다른 실험 결과들 간의 양립 가능성은 실제로 지지받지 못하고 있으나, 이는 고려되는 DM 입자 및 헤일로 모델에 크게 의존한다. 동일한 타겟 물질인 NaI(Tl)을 사용하는 비교는 더욱 직접적이며 거의 모델 독립적이다.

실험 장치 및 성능

출처:

ANAIS-112 실험 장치는 112.5 kg의 NaI(Tl)로 구성되며, 이는 각각 12.5 kg인 9개의 원통형 모듈에 분산되어 3 × 3 배열로 구성된다.

ANAIS-112 모듈의 가장 중요한 특징 중 하나는 뛰어난 광학 품질을 꼽을 수 있는데, 이는 높은 양자효율의 하마마츠 광전 증폭관(PMT)을 결합하여 9개 모듈 모두에서 keV당 15개의 광전자(phe) 수준이라는 매우 높은 광 수집 효율을 보인다는 점이다. 각 모듈에 결합된 2개의 PMT로부터 나오는 신호는 1.2 μs 윈도우에서 2 GS/s로 디지털화되며 높은 해상도(14 비트)를 가진다. 트리거는 200 ns 윈도우에서 두 PMT 트리거 신호의 일치를 요구하며, PMT 개별 트리거는 단일 광전자 수준으로 설정된다.

또 다른 흥미로운 특징은 검출기 측면 중 하나의 중앙에 있는 마일러 창으로, 이를 통해 라돈이 없는 환경에서 10 keV까지 외부 엑스선/감마선원으로 9개 모듈을 동시에 보정할 수 있다. 관심 영역(ROI)인 1~6 keV에 대한 정밀한 저에너지 보정은 외부 보정과 배경 데이터의 정보를 결합하여 수행된다. 109Cd 선원을 이용한 외부 보정은 2주마다 수행되며, 1.5개월마다 한 ANAIS 모듈 내의 40K 및 22Na 내부 오염으로부터 발생하는 3.2 및 0.87 keV의 에너지 증착을 두 번째 모듈에서의 고에너지 감마선과의 일치를 이용해 선택한다.

ANAIS-112 실험은 10 cm의 고고학적 납 내부 층과 20 cm의 저방사능 납 외부 층으로 구성된 차폐 장치 내부에 설치된다. 이 납 차폐는 밀폐된 라돈 차단 상자 안에 있으며, 라돈이 없는 질소 가스로 양압 상태를 유지한다. 차폐 장치의 가장 바깥층(중성자 차폐)은 물 탱크와 폴리에틸렌 벽돌의 조합으로 40 cm 두께로 구성된다. 16개의 플라스틱 섬광체로 구성된 능동형 베토(Active veto)가 라돈 차단 상자와 중성자 차폐 사이에 배치되어, ANAIS-112 데이터 수집 과정에서 현장의 잔류 뮤온 플럭스를 효과적으로 감지한다.

ANAIS-112는 2017년 봄에 시운전되었으며, 2450 m.w.e.의 암반 하부인 LSC의 홀 B에서 2017년 8월 3일에 데이터 수집 단계를 시작했다. 분석에 유용한 실험의 "실시간" 비율은 95% 이상으로, 높은 듀티 사이클을 달성했다. 가동 중단 시간은 주로 모듈의 주기적인 보정으로 인한 것이다.

LSC에서의 ANAIS-112 설치 모습

[1-2] keV 에너지 영역을 제외하고는 배경 데이터에 대한 이해가 이루어졌는데, 해당 영역에서는 배경 모델이 측정된 이벤트 비율을 과소평가하고 있다. 결정 내부의 오염이 주요 배경 원인이며, 관심 영역에서 210Pb, 40K, 22Na, 3H 기여가 가장 관련이 깊다. 9개의 ANAIS-112 모듈을 모두 고려했을 때, 3년의 데이터 수집 후 ROI에서의 평균 배경은 3.6 cpd/kg/keV이다. 반면 DAMA/LIBRA phase2의 배경은 [1-2] keV 에너지 간격에서 0.80 cpd/kg/keV 미만, [2-3] keV 간격에서 0.24 cpd/kg/keV 미만, [3-4] keV 간격에서 0.12 cpd/kg/keV 미만이다.

연간 변조 분석 및 결과

ROI에서의 트리거 비율이 비결정(non-bulk) 섬광 이벤트에 의해 지배되기 때문에, 펄스 모양과 두 PMT 간의 광 공유를 기반으로 하는 필터링 프로토콜의 개발은 ANAIS-112의 목표를 달성하는 데 결정적이었다. 해당 효율의 결정은 매우 중요하며, 이는 109Cd, 40K 및 22Na 이벤트를 사용하여 계산된다. 이 효율은 2 keV까지는 거의 100%에 가깝지만, 분석 임계값이 설정된 1 keV에서는 약 15%로 급격히 감소한다.

ANAIS-112 데이터의 연간 변조 분석에는 맹검법 프로토콜이 적용되었다. ROI에서의 단일 히트 이벤트는 이벤트 선택 과정 동안 블라인드 처리된다. 현재까지 1.5년, 2년, 3년의 세 번에 걸쳐 블라인드 해제가 수행되었으며, 이는 각각 157.55, 220.69, 313.95 kg×y의 노출에 해당한다. ANAIS-112 연간 변조 탐색은 DAMA/LIBRA 협력단이 탐구한 것과 동일한 영역인 [1-6] keV 및 [2-6] keV에서 수행되며, 주기를 1년으로 고정하고 변조의 최대치를 6월 2일로 설정한다.

ANAIS-112 데이터에서 가능한 변조의 통계적 유의성을 평가하기 위해 9개 검출기의 이벤트 비율을 10일 단위로 계산하고, χ2 = Σi (ni − μi)2/σ2i를 최소화한다. 여기서 ni는 해당 시간 빈 ti에서의 이벤트 수(실시간 및 검출기 효율로 보정됨), σi는 그에 상응하는 보정된 푸아송 불확실성, μi는 해당 시간 빈에서의 기대 이벤트 수이며, 이는 배경 모델에 의존하고 다음과 같이 쓸 수 있다: μi = [R0φbkg(ti) + Smcos(ω(ti − t0))]M∆E∆t.

여기서 R0는 실험의 비변조 비율, 는 비변조 성분의 시간 확률 분포 함수(PDF), Sm은 변조 진폭, ω는 2π/365 d = 0.01721 rad d-1로 고정, t0는 -62.2 d로 고정(시간 원점은 8월 3일로 설정되었으므로 코사인 최대값은 6월 2일), M은 총 검출기 질량, ∆E는 에너지 간격 폭, ∆t는 시간 빈 폭이다. R0는 자유 매개변수이며, Sm은 0으로 고정되거나(귀무 가설), 긍정적 혹은 부정적으로 제약 없이 설정된다(변조 가설).

귀무 가설은 두 에너지 영역 모두에서 3년치 데이터에 대해 잘 뒷받침되며, 두 배경 모델(단일 지수 모델 또는 몬테카를로 배경 모델 기반 PDF)에 대한 결과는 호환된다. 표준 편차 σ(Sm)는 검출기를 독립적으로 고려할 때 선험적 감도 분석에 따라 예상되는 바와 같이 약간 낮아진다. 따라서 이 적합(fit) 결과가 3년 노출에 대한 ANAIS-112 연간 변조 최종 결과 및 감도로 제시된다. 최적합 값은 [1-6] keV 및 [2-6] keV 에너지 영역에서 DAMA/LIBRA 결과와 각각 3.3σ 및 2.6σ 수준에서 호환되지 않으며, 감도는 [1-6] keV에서 2.5σ, [2-6] keV에서 2.7σ이다. 1.5년, 2년, 3년의 데이터 수집에 대한 ANAIS-112 결과는 이러한 감도 예측을 완전히 확인한다.

ANAIS-112 3년 데이터의 연간 변조 결과. DAMA/LIBRA 및 COSINE-100 결과도 함께 표시됨.
Sm (cpd/kg/keV)
에너지 영역 ANAIS-112 DAMA/LIBRA COSINE-100
[1-6] keV -0.0034 ± 0.0042 0.0105 ± 0.0011 -
[2-6] keV 0.0003 ± 0.0037 0.0102 ± 0.0008 0.0092 ± 0.0067

ANAIS-112 결과는 예정된 5년간의 데이터 수집 기간 내인 2022년에 3σ 이상의 감도에 도달할 전망을 뒷받침한다.

수많은 일관성 검사가 수행되었으며(적합에 들어가는 검출기 수 변경, 처음 2년 또는 마지막 2년만 고려, 시간 빈 크기 변경 등), 결과에 영향을 줄 만한 유의미한 계통 오차를 뒷받침하는 징후는 없다는 결론을 내렸다. 배경 모델에서 샘플링된 대규모 몬테카를로 가상 실험은 이 적합 결과가 편향되지 않았음을 보장한다. 주파수 분석 또한 수행되었으며, ANAIS-112 데이터에서 탐색된 주파수 범위 내에 통계적으로 유의미한 변조는 없다는 결론이 도출되었다.

향후 전망

ANAIS-112의 감도 제한은 주로 ROI, 특히 1~2 keV 영역에서의 높은 배경 데이터 때문이다. 이러한 맥락에서 현재 개발 중인 기계 학습 기반의 부스팅 결정 트리(BDT) 기법을 적용하면 이러한 비결정 섬광 이벤트의 제거 능력을 향상시킬 수 있다. 예비 결과는 감도의 유의미한 개선을 시사한다. 데이터 수집을 몇 년 더 연장하면 5σ 수준에서 DAMA/LIBRA를 테스트할 수 있을 것이다. 칸프랑크 지하 실험실에서의 운영은 2025년 말까지 승인되었다.

DAMA/LIBRA와 ANAIS 결과 간의 비교에 영향을 미치는 한 가지 가능한 계통 오차는 핵 반동에 대한 검출기 응답의 차이일 수 있는데, 두 실험 모두 엑스선/감마선을 사용하여 보정되기 때문이다. 섬광은 전자에 의해 증착된 동일한 에너지와 비교하여 핵 반동에 의해 증착된 에너지에 대해 강하게 억제된다는 점은 잘 알려져 있다. NaI 섬광체의 소광 계수(QF) 측정은 큰 불일치를 보인다. ANAIS-112 검출기 QF는 TUNL에서의 측정 후 결정되고 있다. 또한 현장에서 중성자원을 사용하는 완전한 보정 프로그램이 개발되고 있다.

ANAIS-112의 발표된 결과는 Dark Matter Data Center 웹페이지에서 오픈 액세스로 이용할 수 있다: https://www.origins-cluster.de/odsl/dark-matter-data-center/available-datasets/anais

데이터는 요청 시 제공 가능하다.

자금 지원 기관

ANAIS 실험 운영은 현재 MICIU/AEI/10.13039/501100011033 (과제 번호 PID2022-138357NB-C21 및 PID2019-104374GB-I00), 유럽 연합 NextGenerationEU/PRTR (AstroHEP) 및 아라곤 정부의 재정 지원을 받고 있다. 과제 번호 FPA2017-83133-P, Consolider-Ingenio 2010 프로그램(과제 번호 MULTIDARK CSD2009-00064 및 CPAN CSD2007-00042), 아라곤 정부 및 LSC 컨소시엄의 지원은 검출기 설치를 가능하게 했다. LSC와 GIFNA 직원 및 사라고사 대학교 연구 지원 서비스(SAIs)의 기술적 지원에 큰 도움이 있었다.

각주

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