[논문 리뷰] Single Molecule Fluorescence Imaging as a Technique for Barium Tagging in Neutrinoless Double Beta Decay

B. J. P. Jones, A.D. McDonald외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 13.

Neutrino Physics Research참고 문헌 16인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 136Xe의 무이차베타붕괴에서 생성되는 바륨 이온을 탐지하기 위해 단일분자 형광 영상(SMFI)을 사용하는 것을 제안한다. 바륨에 민감한 염료를 사용한 섬유 결합 총내반사 형광(TIRF) 센서를 활용하며, 수용액 테스트에서 신호대배경비(S/B)가 85에 도달하여 단일 이온 감도를 입증하고, 향후 고압 헥사플로르화크세논 기반 탐지기에서 배경이 거의 없는 톤스케일 실험을 가능하게 할 것으로 기대된다.

ABSTRACT

Background rejection is key to success for future neutrinoless double beta decay experiments. To achieve sensitivity to effective Majorana lifetimes of $\sim10^{28}$ years, backgrounds must be controlled to better than 0.1 count per ton per year, beyond the reach of any present technology. In this paper we propose a new method to identify the birth of the barium daughter ion in the neutrinoless double beta decay of $^{136}$Xe. The method adapts Single Molecule Fluorescent Imaging, a technique from biochemistry research with demonstrated single ion sensitivity. We explore possible SMFI dyes suitable for the problem of barium ion detection in high pressure xenon gas, and develop a fiber-coupled sensing system with which we can detect the presence of bulk Ba$^{++}$ ions remotely. We show that our sensor produces signal-to-background ratios as high as 85 in response to Ba$^{++}$ ions when operated in aqueous solution. We then describe the next stage of this R\&D program, which will be to demonstrate chelation and fluorescence in xenon gas. If a successful barium ion tag can be developed using SMFI adapted for high pressure xenon gas detectors, the first essentially zero background, ton-scale neutrinoless double beta decay technology could be realized.

연구 동기 및 목표

• 톤스케일 무이차베타붕괴(0νββ) 실험에서 배경을 <1년당 톤당 0.1개 이하로 통제해야 하는 핵심 과제를 해결하기 위해
• 136Xe 붕괴에서 생성되는 바륨 이온을 식별할 수 있는 방법을 개발하여, 0νββ 사건에 대해 거의 배경이 없는 서명을 확보하기 위해
• 생물화학 분야에서 단일 이온 감도가 입증된 단일분자 형광 영상(SMFI) 기술을 고압 헥사플로르화크세논 기반 기반 탐지기에서 활용하기 위해
• 고압 헥사플로르화크세논(HPgXe) 기반 탐지기와 관련된 건조한 비수용성 환경에서 TIRF 기반 섬유 결합 광학 센서를 통한 바륨 이온 탐지의 가능성을 입증하기 위해

제안 방법

• 섬유 표면에 코팅된 바륨에 민감한 염료를 자극하기 위해 총내반사 형광(TIRF)을 사용하여, 근접장 영역에서의 비행파 자극 및 형광 탐지가 가능하도록 한다.
• 이중성 반사 필터를 활용한 섬유 결합 광학 시스템을 통해 TIRF에서 방출된 빛을 수집하고, 이를 분광계로 유도하여 신호 탐지한다.
• 생체세포 영상에서 사용된 SMFI 기술을 응용하여, 칼슘 이온에 대해 고특이성과 낮은 배경을 갖는 염료를 활용해 개별 Ba++ 이온을 탐지한다.
• 수용액에서 4 µL의 플루오레세인 용액을 사용해 TIRF 형광이 섬유로의 결합을 확인함으로써 광학 구성의 타당성을 검증한다.
• 염료의 형광 반응, Ba++ 흡착 효율, 이온 이동 특성을 고려해 고압 헥사플로르화크세논 기체로의 방법 확장을 계획한다.
• 이동 중인 Ba++ 이온을 섬유 뒤쪽에 있는 음극으로 집중시켜 탐지 효율을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비수용성 고압 헥사플로르화크세논 기체 환경에서 SMFI 염료를 바륨 이온 탐지에 효과적으로 활용할 수 있는가?
• RQ2 고압 헥사플로르화크세논 기체에서 바륨에 민감한 SMFI 염료의 형광 수율과 스펙트럼적 특성은 어떠한가?
• RQ3 실험 조건 하에서 헥사플로르화크세논 기체에서 염료 코팅 섬유의 바륨 흡착 효율은 얼마인가?
• RQ4 헥사플로르화크세논 기체에서 Ba++ 이온은 이동성, 확산성, 탐지 요소로 향하는 집중 효율 측면에서 어떻게 행동하는가?

주요 결과

• 수용액에서 일괄적인 Ba++ 이온에 대해 섬유 결합 TIRF 센서는 85의 S/B 비율을 달성하여 높은 감도와 낮은 배경을 입증하였다.
• 분광계를 통해 탐지된 형광 방출이 근접장 영역에서 TIRF 자극에 기인한 것으로 확인되어 광학 결합 메커니즘의 타당성이 검증되었다.
• 4 µL의 플루오레세인 용액에서 녹색 형광이 탐지되어 TIRF 방출이 섬유 모드로 효율적으로 전달됨을 확인하였다.
• 염료 코팅이 수용성이라 건조 환경에서의 적용 가능성이 확인되었으며, 향후 무수 헥사플로르화크세논 기체에서의 테스트가 필요하다.
• 결과는 SMFI를 고압 헥사플로르화크세논 기반 탐지기에서 바륨 태깅에 적용할 수 있음을 뒷받침하며, 거의 배경이 없는 0νββ 탐지의 가능성을 시사한다.
• 헥사플로르화크세논 기체에서의 양호한 결과는 10^28년 수명을 갖는 실험에서 요구되는 연간 톤당 0.1개 이하의 배경 기준을 달성하는 길을 확인할 수 있을 것이다.