우리는 유난히 어려운 탐색을 묘사할 때 “건초 더미에서 바늘 찾기와 같다”라는 표현을 자주 사용합니다. 하지만 바늘이 어떻게 생겼는지, 얼마나 큰지 전혀 모른다고 생각해보십시오. 바늘이 예상한 것보다 천 배나 작을 수도 있습니다! 그 경우가 바로 암흑 물질 연구 영역에서 시도되는 작업의 난이도와 흡사하다 할 수 있습니다.
우주의 현재 상태를 설명하려면 암흑 물질(및 암흑 에너지)의 존재가 필요하지만, 우주의 가장 기본적인 특성조차 거의 알려진 바가 없습니다. 따라서 과학자들은 암흑 물질을 이해하기 위해 다양한 연구 방법을 시도했습니다. "협간 반도체를 이용한 빛과 암흑 물질 입자 검색" 또는 줄여서 "SPLENDOR"로 알려진 프로젝트 SLAC 국립 가속기 연구소, 로스 알라모스 국립 연구소, CSU 이스트 베이, 일리노이 어바나-샴페인 대학교, 산타 클라라 대학교의 과학자들 간의 합동 프로젝트입니다. 1.
검색에서 연구자들은 다음을 사용하고 있습니다. Moku:Pro, 15개 이상의 소프트웨어 정의 계측기를 제공하는 FPGA 기반 테스트 및 측정 장치입니다. 활용 데이터 로거 악기와 모쿠 파이썬 API, 팀은 매우 민감한 DM 감지기를 만들어 예상치 못한 장소에서 대부분의 일반적인 감지기 범위보다 훨씬 낮은 에너지 규모로 암흑 물질(DM)을 검색할 수 있도록 했습니다.
난제
물리학에서 기본 입자의 크기는 일반적으로 질량 단위가 아니라 에너지, 특히 전자 볼트(eV) 단위로 설명됩니다. 이는 아인슈타인의 유명한 질량-에너지 등가 방정식과 관련되어 있습니다. 예를 들어, 전자의 휴지시 질량은 약 511keV입니다. 일반적인 암흑 물질 실험에서는 MeV에서 GeV까지, 때로는 그보다 더 높은 에너지 범위의 WIMP 및 액시온과 같은 이론화된 입자를 탐색하게 됩니다. 반면에 SPLENDOR는 1 MeV 미만의 에너지 규모, 즉 "가벼운" 암흑 물질 쪽에 관심을 돌리고 있습니다. 그러나 이 범위에서 실험을 수행하려면 유연하고 새로운 암흑물질 탐지기가 필요합니다.
목표로 삼은 암흑물질 입자의 에너지가 낮기 때문에 극도로 민감한 검출기가 필요합니다. 이와 관련하여 SPLENDOR는 LANL의 풍부한 재료 과학 역사를 활용하여 가벼운 암흑물질 이벤트를 감지할 수 있을 만큼 민감한 1~100meV 범위의 밴드갭을 갖춘 새로운 반도체 장치를 만듭니다. 암흑물질 입자가 반도체의 물질과 충돌하면 작은 전류 응답이 생성됩니다.그러나 이러한 이벤트가 언제 발생할지는 아무도 모르며, 전류 응답은 실온 전자 장치의 소음으로 인해 쉽게 손실될 수 있습니다.
해법
이렇게 낮은 에너지 규모의 현상을 정확하게 기록하기 위해 팀은 상업용 희석 냉장고를 사용하여 검출기 패키지(그림 1 참조)를 0.01K까지 냉각했습니다. 이 설정은 전기적 노이즈를 최소화하여 이벤트를 실시간으로 모니터링할 수 있는 깨끗한 환경을 제공합니다.
그림 1. 가벼운 암흑물질 탐지 체계. 왼쪽: 소형 극저온 하우징에 장착된 반도체 기반 암흑물질 탐지기 사진. 로스앨러모스 국립연구소의 사진 제공. 오른쪽: 10mK에서 실온까지 측정 체인의 개략도. 사전 인쇄에서 재생산2.
저온 유지 장치 내에서 SPLENDOR 팀은 다양한 온도 단계에서 이벤트 전류 신호를 증폭하는 스마트 1-HEMT 방식도 고안했습니다(그림 7). 이 접근 방식을 사용하면 희석 냉장고에서 신호를 안전하게 검색하고 실온에서 기록할 수 있습니다. 감지기가 없는 시스템의 입력 노이즈를 측정함으로써 팀은 약 7e, 개별 전자 전하의 7배 정도의 예상 해상도를 보고했습니다.e
이런 준비가 갖추어지더라도 암흑물질 입자가 항상 연구자들이 바라는 시간에 나타나는 것은 아닙니다. 가벼운 암흑물질 이벤트를 검색하려면 팀이 데이터 로거를 사용하여 시스템을 지속적으로 모니터링해야 합니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 저온 유지 장치의 출력 라인은 Moku:Pro의 입력 채널에 연결됩니다.
그림 2: SLAC의 SPLENDOR 실험 설정. 랙 장착형 Moku:Pro는 표시된 Oxford Proteox 희석 냉장고에 있는 감지기에서 이벤트를 감지할 준비가 되어 있습니다. 사진 제공: SLAC National Accelerator Lab.
연구원들이 암흑 물질 관련을 스캔할 준비가 마쳐지면, 1분여 동안 시스템을 지속적으로 모니터링 하게끔 데이터 로거를 설정합니다. "이벤트"가 발생하면 Moku:Pro 입력의 전압은 날카롭고 기하급수적으로 상승하는 피크와 함께 시간의 함수로 기록됩니다.
그러나 이러한 이벤트 중 일부는 진폭이 낮아 육안으로 쉽게 감지할 수 없습니다. 이러한 이벤트가 나타나려면 데이터 후처리가 필요합니다. 다행히 내장된 Moku:Pro 파일 변환기를 사용하여 데이터 파일을 기본 .li 형식에서 .csv, .npy 또는 .hdf5로 쉽게 변환할 수 있으므로 추가 분석을 위해 Python으로 가져올 수 있습니다. SPLENDOR가 수집한 데이터가 어떻게 처리되고 처리되는지 자세히 알아보려면 당사를 읽어보세요. SPLENDAQ에 대한 블로그 게시물, LANL 연구원 Dr. Samuel Watkins가 개발한 오픈 소스 데이터 분석 도구입니다.
이 프로젝트에 들어오면서 Moku:Pro를 처음 사용해본 Watkins 박사는 데이터 로거가 커스텀 DAQ 시스템을 사용하는 것보다 편하다고 밝혔습니다.
“Moku와 같이 범용적 시스템이 이미 존재하는 상황에서는 자체 DAQ를 만들지 않아도 돼 엄청난 개발 시간을 단축하고 있습니다.”라며, “거의 항상 Moku 앱의 GUI를 먼저 사용하므로 다양한 설정을 변경할 때 실시간 데이터를 쉽게 볼 수 있습니다. GUI를 직접 만들었다면 프로그래밍적으로 많은 노력이 필요했을 것입니다.” 라고 말했습니다.
결과
가벼운 암흑물질 현상을 포착하는 데 어떤 검출기 구성이 가장 효율적인지는 아직 정확히 알려져 있지 않습니다. 그러나 새로운 측정 도구를 갖춘 SPLENDOR 팀은 감도를 더욱 높이고 암흑물질의 비밀을 탐구할 수 있도록 하는 목표를 가지고 많은 새로운 검출기 설계 및 반도체 조합을 통해 신속하게 반복할 수 있습니다. 그들은 속담처럼 건초 더미에서 "바늘"을 찾고 있습니다. Watkins 박사는 이러한 노력에서 Moku:Pro와 그 소프트웨어가 표준화를 이루어줄 것을 기대하고 있습니다.
"저는 Moku가 데이터 수집 측면에서 우리 분야에서 일반화된 오픈 소스 소프트웨어를 사용할 수 있도록 하는 목표에 확실히 도움이 된다고 생각합니다."라고 그는 말했습니다. “우리는 다음을 사용하는 협력자가 있습니다. Moku:Go 그리고 이벤트 구축을 위한 SPLENDAQ 패키지가 있으며, Moku API의 오픈 소스 특성이 없었다면 한 번의 연구실 방문으로 시스템을 설정할 수 없었을 것입니다.”
자세한 내용은 arXiv2의 프리프린트를 참조하십시오.
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각주
[1] Report number LA-UR-24-20436
[2] J. Anczarski et al. Two-stage cryogenic HEMT based amplifier for low temperature detectors. arXiv:2311.02229 [physics.ins-det], 2023.
