[논문 리뷰] Snowmass 2021 White Paper: The Selena Neutrino Experiment

Á. Chavarría, C. Galbiati외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 16.

Particle Detector Development and Performance인용 수 4

한 줄 요약

셀레나 실험은 비정질 셀레늄(aSe)에 고순도 82Se를 사용한 10톤의 중성미자 탐지기를 제안하며, CMOS 활성 픽셀 센서와 결합하여 배경이 없는 무중성미자 이중베타 붕괴 및 태양 중성미자 스펙트로스코피를 실현한다. 이 기술은 이온화 궤적의 고해상도 영상 촬영을 가능하게 하여 이벤트별 배경 감소를 실현하며, 100kg 시범 장치로 1년간 운영한 후 82Se 무중성미자 이중베타 붕괴의 수명 하한이 τ₁/₂ > 2×10²⁶년으로 예측된다.

ABSTRACT

Imaging devices made from an ionization target layer of amorphous selenium (aSe) coupled to a silicon complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) active pixel array for charge readout are a promising technology for neutrino physics. The high spatial resolution in a solid-state target provides unparalleled rejection of backgrounds from natural radioactivity in the search for neutrinoless $ββ$ decay and for electron neutrino ($ν_e$) spectroscopy with $^{82}$Se. In this white paper, we summarize the broad scientific program of a large imaging detector with a 10-ton target of $^{82}$Se. We review the detector technology, and outline the ongoing research program to realize this experiment.

연구 동기 및 목표

• 무중성미자 이중베타 붕괴의 82Se에 대해 사상 이상의 민감도로 탐색하여 중성미자의 마요라나 성질을 조사한다.
• 태양 중성미자 연구를 위해 82Se에서 전자 중성미자(νₑ)의 포획을 통해 배경이 없는 전자 중성미자 스펙트로스코피를 실현한다.
• 고해상도 영상 촬영을 통해 고체 상태의 aSe 타겟과 CMOS 리드아웃을 사용한 확장 가능하고 낮은 배경의 탐지 기술을 구현한다.
• 100kg의 지하 시범 장치에서 aSe/CMOS 기술을 검증하여 대규모 실험에 대한 확장성과 배경 감소 능력을 입증한다.
• 82Se에서 νₑ 포획을 통한 휘성 중성미자 탐색을 통해 이중베타 붕괴를 초월한 물리적 탐색 범위를 확장한다.

제안 방법

• 이sovolumetrically enriched 82Se를 비정질 셀레늄(aSe)에 증착한 10톤의 타겟을 사용하여 CMOS 활성 픽셀 센서(Aps)로 전하를 읽어낸다.
• 이온화 전자를 aSe 층을 통과시켜 고전압을 가해 이동시키며, CMOS 픽셀에 의해 고해상도 2차원 영상으로 이온화 궤적을 형성한다.
• 공간-시간 상관 분석을 적용하여 방사성 붕괴 연쇄(예: β-붕괴 연쇄)를 식별함으로써 배경 감소를 실현한다.
• 통과-실리콘 비아(TSVs)를 사용해 CMOS 웨이퍼의 뒷면으로 전원과 신호를 전달하여 간섭을 최소화하고 대면적 픽셀 어레이를 가능하게 한다.
• 카프톤 개구부를 가진 도전성 프레임과 고전압 링을 사용해 aSe 층에 고전압을 가하며, 전기장 왜곡과 오염을 최소화한다.
• 상용 CMOS 공정과 산업 규모의 aSe 증착을 사용해 실온에서 운영함으로써 비용 효율성과 확장성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 aSe/CMOS 탐지기가 100톤년 노출 조건에서 82Se의 무중성미자 이중베타 붕괴에 대해 배경이 없는 탐지가 가능한가?
• RQ2 셀레나 탐지기가 82Se에서 전자 포획을 통해 태양 중성미자 플럭스에 대해 어떤 민감도를 가지며, 영구적 배경이 없는 스펙트로스코피를 실현할 수 있는가?
• RQ3 붕괴 연쇄의 공간-시간 상관 분석이 탐지기 내 자연 방사능으로 인한 배경을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 고해상도 전하 영상 촬영을 통해 ββ 붕괴 및 νₑ 포획 이벤트의 에너지 해상도와 이벤트 식별 능력은 어느 정도 실현 가능한가?
• RQ5 LSC와 같은 지하 현장에서 운영되는 100kg 시범 장치가 10톤짜리 대규모 실험에 대한 aSe/CMOS 기술의 배경 감소 능력과 확장성을 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 100kg의 셀레나 시범 장치는 1년간 운영 후 82Se의 무중성미자 이중베타 붕괴에 대해 90% 신뢰수준에서 τ₁/₂ > 2×10²⁶년의 수명 하한을 설정할 것으로 예측된다.
• 효율적인 배경 감소 덕분에 시범 장치는 1년간 약 5개의 pp(peV) 태양 중성미자를 배경 없이 탐지할 것으로 기대된다.
• aSe/CMOS 영상 기술은 궤적의 형상과 브라그 피크 위치 분석을 통해 전자, 알파 입자 등 입자 종류의 이벤트별 식별이 가능하다.
• 배경 추정은 기존의 kg 규모의 고체 상태 탐지기(예: MAJORANA DEMONSTRATOR)를 기반으로 하며, 현재 기술로도 방사능 순도 요구 조건을 달성할 수 있음을 시사한다.
• 상용 CMOS 공정과 산업 규모의 aSe 증착(예: Hologic, Inc. 등)을 활용함으로써 10톤 탐지기의 비용 효율적이고 확장 가능한 제작이 가능하다.
• 시범 장치는 이중중성미자 ββ 붕괴 이벤트의 대량 샘플을 제공하며, 감마선 원천을 사용한 校정을 통해 전체 물리 프로그램의 유효성을 검증할 수 있다.