최근에 발견한 중성미자 진동은 입자물리 표준모형으로 설명할 수 없는, 중성미자가 질량을 갖는다는 것을 명확히 알려준다. 그러나 이 발견은 중성미자 질량의 크기와 중성미자 성질이 무엇인지에 대한 의문에 답을 주지는 않는다. 이러한 의문에 대한 답을 주기위해서, AMoRE 실험은 동위 원소 붕괴에서 오직 전자 두 개만 방출하는 “중성미자 없는 이중베타 붕괴”에 대해서 민감도가 높은 탐색 을 수행 할 계획입니다. 이러한 붕괴를 관측한다면, 중성미자는 현재 발견된 기본입자와 다른 질량 구조를 갖는다는 확정적인 증거이다.
그림 1 : 베타 붕괴 (beta decay)에서는 중성자가 양성자로 변환하면서, 한 개의 전자와 한 개의 중성미자가 방출. 이중베타붕괴(two-neutrino double beta decay)에서는 두 개의 중성자가 두 개의 양성자로 변환하면서, 두 개의 전자와 두 개의 중성미자가 방출. 그러나 중성미자 없는 이중베타붕괴 (neutrinoless double beta decay)는 두 개의 중성자가 두 개의 양성자로 변환하면서, 중성자 없이 두 개의 전자만 방출.
AMoRE 실험은 7개 국가(중국, 파키스탄, 독일, 한국, 러시아, 태국 및 우크라이나)에서 약 90명의 연구자가 참여하는 국제 공동 연구이다. 이 실험은 우주 배경 잡음을 최소로 하기 위해서 지하 깊은 곳에 있는 실험실을 할 계획이다. 40Ca100MoO4섬광 결정(scintillating crystal)을 이용하여 100Mo 동위원소가 아주 희기한 반응인 중성미자 없는 이중베타붕괴 탐색을 하는 것이 주목적이다. CaMoO 결정은 몰리브덴을 포함하는 결정들 중에서 상온 및 저온에서 가장 밝은 섬광을 낸다.
금속 자기 열량 (metallic magnetic calorimeter) 기술을 이용한 저온 열량 검출기를 이용하여, 빛과 음향 양자(phonon) 신호를 이중으로 검출하는 방법으로, 아주 희귀한 반응을 검출 할 계획이다. 본 실험은 중성미자 없는 이중베타붕괴 현상이 5x1026년 이하에서 발생하거나, 이에 대응하는 중성미자의 질량이 20에서 50 meV이면 이중베타붕괴현상을 관측할 수 있도록 실험을 디자인 할 계획이다.
그림 2 : 위의 그림은 저온 열량 검출기의 개념도. 아래 그림은 AMoRE 실험을 위한 현재 진행 중인 연구 개발용 검출기이고, Th-232으로부터 에너지가 2,615 keV인 감마선을 이용하여, 에너지 분해능 10 keV를 얻음.
"Spokespersons of AMoRE Collaboration
Yeongduk Kim (ydkim@ibs.re.kr), CUP, IBS, Daejeon, Korea
Hongjoo Kim (hongjoo@wmail.knu.ac.kr), Kyungpook National University, Daegu, Korea"