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광자 궤적 검출기 모듈의 광수율 향상을 위한 실험적 연구

Study to improve the Light Yield of Photon Tracking Detector Module

과학과 과학교육 / Journal of Science and Science Education, (P)3022-8719;
2025, v.50 no.2, pp.85-94
https://doi.org/10.23335/JSSE.2025.50.2.85
이경호(KyeongHo Lee)
임계엽(GeiYoub Lim)
김은주(Eun-Joo Kim) (전북대학교)
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초록

일본 양성자가속기연구센터 (J-PARC)에서 진행 중인 KOTO 실험은 중성케이온의 희귀 붕괴 의 관측을 통해 표준모형 너머의 새로운 물리 현상을 탐색하는 실험이다. 표준모형에서는 이 붕괴의 갈래비를 이라는 매우 작은 값으로 예측하고 있으며, 계산에 수반되는 이론적 불확정성이 작아 새로운 물리 현상의 관측에 적합한 현상으로 받아들여지고 있다. 그러나, 현재 KOTO 실험의 해당 붕괴에 대한 실험 감도는 표준모형의 예측값에 아직 도달하지 못하였으며, 통계적으로 유의미한 관측을 위해서는 실험 감도를 100배 이상 향상할 차세대 실험인 KOTO-Ⅱ가 필요하다. 실험 감도 향상에 따라 배경사건의 제거 능력 또한 강화되어야 하며, 이를 위해 지금까지 측정하지 못했던 광자의 입사각을 측정할 수 있는 새로운 광자 궤적 검출기의 개발이 진행 중이다. PAScal (Photon Angle Sampling calorimeter)로 명명된 이 광자 궤적 검출기는 광자가 만드는 전자기 샤워의 공간 분포로부터 광자의 입사각을 재구성하는 것을 목표로 한다. 텅스텐 (W)과 섬광 섬유 (scintillating fiber)를 번갈아 배치한 가늘고 긴 모듈을 수평 및 수직 방향으로 배열하여, 전자기 샤워 분포를 삼차원으로 측정한다. 본 연구에서는 열량계의 기본 성능 지표 중 하나인 광수율 (light yield)을 측정하였다. 광자가 검출기에 입사하여 생성하는 전자기 샤워 입자는 섬광 섬유에서 섬광 (scintillation light)을 발생시키며, 이 섬광은 섬광 섬유를 따라 진행하여 단면에서 방출되어 광학적으로 결합되어 있는 MPPC (Multi-Pixel Photon Counter)에서 전기 신호로 변환된다. 이때 MPPC 표면에 도달한 광자의 수는 섬광 섬유의 단면 상태에 의존한다. 본 연구에서는 PAScal 모듈의 단면 상태에 따른 광수율의 변화를 정량적으로 측정하였다. 섬광 섬유 단면을 사포를 이용하여 단계적으로 연마하였으며, 연마 입도 (grit)를 #120에서 #4700으로 증가시키면서 광수율을 측정하였다. 사포의 연마 입도가 증가함에 따라 표면 조도 (surface roughness)가 감소하고, 이에 따라 최대 약 46%의 광수율 향상을 관측할 수 있었다. 또한, 섬광 섬유 단면과 MPPC 사이의 광학적 결합 (optical junction)을 개선함으로써, 추가적인 광수율 향상이 가능함을 확인하였다.

keywords
광자검출기, 광수율

Abstract

The KOTO experiment at J-PARC aims to search for physics beyond the Standard Model through the observation of the rare neutral kaon decay . Within the Standard Model, its branching ratio is predicted to be extremely small, approximately , while benefiting from an exceptionally low theoretical uncertainty. Since this decay originates from short-distance interactions, it is highly sensitive to contributions from new physics. However, the current experimental sensitivity of KOTO has not yet reached the Standard Model prediction. To achieve a statistically significant observation, a next-generation experiment, KOTO-Ⅱ, which requires more than two orders of magnitude improvement in sensitivity, is necessary. As experimental sensitivity improves, enhanced background rejection capability is also required. Accordingly, the development of a new detector capable of measuring previously inaccessible photon incident angles is underway. The detector, named PAScal (Photon Angle Sampling calorimeter), aims to reconstruct the photon incident angle by measuring the spatial distribution of electromagnetic showers. The detector consists of narrow and elongated modules composed of alternating layers of tungsten (W) and scintillating fibers, arranged in both horizontal and vertical directions to achieve three-dimensional sampling of electromagnetic showers.​ In this study, we investigated the light yield, one of the fundamental performance parameters of the calorimeter, to improve the performance of the PAScal module. Scintillation light produced in the scintillating fibers by shower particles is transmitted through the fiber bundle cross section fixed with optical cement and converted into electrical signals by a photon sensor, an MPPC (Multi-Pixel Photon Counter). The number of photons reaching the MPPC depends on the surface condition of the fiber bundle cross section. We quantitatively investigated the dependence of the light yield on the surface condition of the PAScal module. The fiber bundle cross section was polished step by step using sandpapers with grit numbers ranging from #120 to #4700, and the light yield was measured at each polishing stage. As the grit number increased, the surface roughness decreased, which led to an improvement of the light yield by up to approximately 46%. Furthermore, we confirmed that additional improvement in light yield can be achieved by optimizing the optical coupling between the fiber bundle cross section and the MPPC.

keywords
Photon Detector, Light Yield


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