초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
■ 최종 목표
1. 일본 도쿄대학교의 우주선연구소(Institute for Cosmic Ray Research: ICRR)와 본연구팀의 우주선 공동연구센터(Center for Cosmic Ray Research: CCRR) 설립.
2. 현재 진행되고 있는 초고에너지 우주선 실험 Telescope Array(TA)의 관측 능력을 4배 확대하는 새로운 실험인 TAx4를 유타사막에 건설, 최근에 이슈가 되고 있는 초고에너지 영역에서의 우주선 강력점원(hotspot)를 검증하고, 다른 점원의 후보

□ 연구개발 목표 및 내용
■ 최종 목표
1. 일본 도쿄대학교의 우주선연구소(Institute for Cosmic Ray Research: ICRR)와 본연구팀의 우주선 공동연구센터(Center for Cosmic Ray Research: CCRR) 설립.
2. 현재 진행되고 있는 초고에너지 우주선 실험 Telescope Array(TA)의 관측 능력을 4배 확대하는 새로운 실험인 TAx4를 유타사막에 건설, 최근에 이슈가 되고 있는 초고에너지 영역에서의 우주선 강력점원(hotspot)를 검증하고, 다른 점원의 후보군을 발견, 이에 대한 우주 분포 지도를 작성하고, 미래의 입자천문학 분야를 개척.
3. 미래 우주선 관측 프로젝트을 개발, 국제공동연구를 선도, ICRR과 같은 세계적 우주선연구소로 발전하여 자립을 도모.

■ 전체 내용
[배경] 지구로 날아오는 우주선은 발견된지 100년이 지난 지금도 순수과학의 최대 미스터리 중의 하나이다. 본 연구팀이 참여한 Telescope Array 지상실험은 초고에너지 강력점원이 우주에 존재함을 2015년 최초로 발견하여 이의 후속연구가 중요하다. 이에 우주선 분야는 물론 중력파, 중성미자 연구를 선도하고 있는 ICRR 연구소와 과거 10년간 공동연구를 기반으로 우주선 공동연구센터를 설립한다.
[공동연구] 1단계에서 ICRR 연구소와 공동으로, TAx4라 불리는 북반구 최대의 초고에너지 우주선 관측소를 유타 사막에 건설하며, 2단계에 우주의 강력점원의 존재들을 발견규명하고, 3단계에서는 이들 우주선의 기원을 규명하고, 강력점원들의 우주지도를 작성, 미래 입자천문학을 선도한다. TAx4 국제공동연구에는 본 센터와 ICRR 외에, 일본의 약 10개 대학, 미국의 3개 대학 및 연구소, 그리고 러시아의 1개 대학이 참여한다.
[기관유치 및 운영] ICRR 연구소 분원 개념의 기관을 유치, 우주선 공동연구센터를 설립한다. 센터는 국내의 천체, 입자, 핵물리학자의 천체입자 분야의 구심점 역할을 담당하고, 미국, 일본, 러시아, 대만, 독일, 이태리 등 해외 유수 우주선 연구소와 협력, 세계적 성과를 창출한다. 센터는 연간 평균 10명의 석박사급 연구자 교환과 5건의 SCI 논문 등 양적 성과는 물론, 단계 후반에는 차세대 국제공동연구 실험그룹을 주도적으로 형성, 중력파, 감마선 관측 등 관련 분야와의 융합을 통하여, 궁극적으로 ICRR과 유사한 세계 유수 연구기관으로 발전한다.

■ 1단계
○ 목표
초고에너지 우주선 검출기 제작
○ 내용
1단계에서 일본 도쿄대학교의 우주선연구소와 본 연구팀은 우주선 공동연구센터 CCRR을 설립했으며, Telescope Array의 관측 능력을 확대하는 TAx4의 섬광검출기를 국내에서 30개 제작 완료하였다.

■ 2단계
○ 목표
초고에너지 우주선 검출기 유타사막에 설치, 보수, 운용
○ 내용
국내 제작 및 일본 ICRR과 공동 제작한 TAx4의 섬광검출기 260개를 유타 사막에 설치하고, 2020년에는 TA에서 사용되었던 약 200개의 검출기를 TAx4 지역에 재배치하여 TAx4 시설의 완성이다. 그러나 COVID-19 상황으로 연기가 불가피하였고, 2023년 여름부터 검출기의 이동 작업이 시작될 예정이다.

■ 3단계
○ 목표
초고에너지 우주선 데이터 분석과 기원에 대한 연구
○ 내용
초고에너지 우주선의 에너지 스펙트럼, 성분 그리고 도착방향의 비등방성에 대한 통계적 오차를 줄이기 위해서는 TA 및 TAx4 검출기로부터 데이터의 지속적인 획득과 축적이 중요하며, 이를 위하여 설치된 섬광검출기들의 안정적인 작동, 실시간 모니터링, 그리고 필요할 경우 현장 유지보수작업이 진행한다. TAx4이 완성이 COVID-19 때문에 연기되고 있지만, 많은 양의 데이터가 지속적으로 확보되고 있어 우주선 강력점원의 존재 유무 및 다른 점원의 후보군을 발견이 가능하고, 이에 대한 우주 분포를 작성하여 미래의 입자천문학의 탄생을 선도=한다.

□ 연구개발성과
● TAx4 실험을 위해 초고에너지 우주선 측정 섬광검출기 30개를 성균관대학교 CCRR에서 제작하여 미국으로 운반, 유타사막에 설치 완료하였다. 또한 ICRR과 공동 제작한 TAx4의 섬광검출기 230개 역시 본 연구원들이 유타사막에 장기 파견되어 성공적으로 설치하였다.
● 사막에 설치된 섬광검출기들의 안정적인 데이터 획득을 유지하기 위해, 본 연구원들이 주기적으로 방문하였고, 현지에서 데이터 보정과 무선 데이터 송수신 점검을 수행하였다. 모든 검출기들의 실시간 모니터링 역시 유타 연구소와 한국의 본 센터에서 진행되었다. 그리고 열악한 환경에서 작동하고 있는 검출기에는 여러 종류의 기기(전자신호처리 보드, 전력공급, 태양전지판, 무선 송신탑 등)이 포함되고 있어, 이들의 손상이 있었고, 연구원들은 현장 방문과 이들의 유지보수 작업 등의 실험에 중요한 임무를 수행하였다.
● 사막에 설치된 검출기를 통한 누적된 관측데이터를 분석하고 있으며, 초고에너지 우주선의 에너지 스펙트럼, 성분 그리고 도착방향의 비등방성에 대한 물리적 해석이 진행되었으며 현재까지 SCI 저널에 12편을 게재하였다. 특히, 지금까지 총 30개의 초고에너지우주선 후보가 검출되었고, 이슈가 되고 있는 초고에너지 영역에서의 우주선 강력점원을 검증할 통계적 증거가 커지고 있으며, 나아가 증가된 관측능력을 통해 다른 점원의 후보군을 발견을 시도하고 있다.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
[학문적 측면] 100년간 풀리지 않는 인류의 과학미스터리 해결과 국가 위상 제고; 현대 정밀과학 우주선 연구 시대 개막에 기여; 미래 입자천문학 연구에 기여 및 후속연구 방향 제시; 극한우주에 대한 새로운 연구 분야 개척.
[기술적 측면] 대형 지상망원경 광학기술; 대형 입자검출기 및 전자신호처리 기술; 극한 환경 부품 및 시험기술; 이들의 IT 분야 및 국방, 의료분야에 활용.
[국제협력과 인력양성] 미국, 일본, 러시아의 유수 연구기관과의 국제협력; 이를 통한 순수기초과학 분야 후속 세대의 관심 유발 및 해당 분야 신진 인력 양성.

(출처 : 요 약 문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 5
• 제1장 연구개발 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8
• 3. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 12
• 4. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 15
• 5. 목표 미달 시 원인분석 ... 43
• 6. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 43
• 7. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 44
• 제2장 기관유치 및 운영 ... 46
• 1. 해외연구기관 유치 목적 및 필요성 ... 46
• 2. 공동연구센터 운영 현황 ... 48
• 3. 해외연구기관의 협력 성과 ... 64
• 4. 해외연구기관 유치 노력 및 성과 ... 75
• 5. 공동연구센터 자립 및 활용계획 ... 78
• 6. 사업추진과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 79
• [붙임 1] 해외우수연구기관유치사업 연차별 목표 및 달성도 현황 ... 80
• [붙임 2] 해외우수연구기관유치사업 예산 확보 및 사용 실적 ... 83
• [붙임 3] 해외우수연구기관유치사업 대표 성과 ... 88
• 끝페이지 ... 97