□ 연구 목표 및 내용 ○ 최종 목표 본 연구과제는 일본 KEK J-PARC 3 GeV의 1 MW 양성자 빔을 수은 표적에 입사하여 나온 중성미자 데이터 분석을 통해 비활성 중성미자가 존재하게 된다면 반뮤온 중성미자가 24m의 짧은 거리에서 반전자 중성미자로 진동변환 할 수 있고 이는 검출기 안에서 역베타 붕괴과정을 통해 검출하는 실험이다. 대략 20년 전부터 중성미자 결과 값들이 설명하기가 힘든 실험들이 등장했고 비활성 중성미자의 존재 가능성에 대한 첫 번째 실험적 결과는 1998년에 LSND 실험에 의해 보고되었다. 가속기 중성미자 실험인 JSNS^2 실험은 기존의 LSND 실험과 MiniBooNE 실험을 검증하고 더욱 정밀하고 향상된 빔을 이용하여 비활성 중성미자에 대한 탐색 영역을 측정하고자 한다. 또한 중성미자-원자핵 산란단면적 측정 관련 코어 붕괴 초신성 연구와 235.5 MeV 단일 중성미자 빔을 이용한 KDAR (kaon decay at rest) 연구를 통해 기존의 결과를 검증 및 향상시켜 암흑물질 탐색을 목표로 한다. ○ 전체 내용 암흑물질은 암흑에너지와 함께 우주의 잃어버린 질량과 관련된 수수께끼를 풀 수 있는 단서이지만 아직 실험을 통해 직접적으로 확인된 바는 없다. 중성미자 진동실험을 통해 중성미자가 중력과도 상호작용한다는 사실이 알려졌다. 여러 실험에서 세 종류의 중성미자만으로 설명할 수 없는 중성미자 진동 변칙(anomaly)이 보고되고 있다. 이는 암흑물질에서 중성미자의 역할이 중요하다는 것을 의미하고 있으며, 표준모형이 확장될 수밖에 없다는 숙제를 과학자들에게 준 것이다. 그중 JSNS^2 실험은 3 GeV의 1 MW 양성자 빔을 수은 표적에 입사하여 표적 안에서 생성된 파이온이 뮤온으로 붕괴하고 이 뮤온이 정지붕괴 하면서 반뮤온 중성미자를 방출하게 된다. 비활성 중성미자가 존재하게 된다면 반뮤온 중성미자가 24m의 짧은 거리에서 진동변환 할 수 있고 검출기 안에서 역베타 붕괴과정을 통해 검출하게 된다. (1)검출기 시뮬레이션 및 RAT & JADE를 활용한 분석 프로그램 개발 RAT은 보다 정확한 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 사용자 지정 가능한 신틸레이터 물리 정보 및 사실적인 PMT 모델을 제공한다. JADE는 펄스 재구성, 이벤트 구축을 제공한다. (2) 중성미자 실험에서 배경사건 연구 JSNS^2 실험에서 IBD 상호작용의 측정된 배경사건은 cosmic-muon, Michel electron, fast neutron, cosmic-gamma가 있다. 각각의 배경사건은 특정한 조건을 통해 선별하여 구할 수 있다. (3) 비활성 중성미자 데이터 획득 및 연구 기존의 세 가지 활성 중성미자에 추가로 비활성 중성미자를 도입하여 질량 고유상태를 통해 PMNS 행렬계산을 한다. 확률 진동 및 중성미자의 이론적인 에너지 스펙트럼을 계산한다. 최종적으로 chi-square distribution을 계산하여 활성 중성미자 세 개와 비활성 중성미자가 한 개인 모델에서 비활성 중성미자가 존재 가능한 영역을 측정한다. (4)중성미자-원자핵 산란 단면적 연구 및 KDAR (kaon decay at rest) 연구 ○ 1단계 ◎ 연구 목표 JSNS^2 실험에서 사용되는 Reactor Analysis Tool (RAT) 또는 RAT-PAC (RAT, Plus 추가 코드)는 GLG4sim 시뮬레이션 패키지를 기반으로 하는 시뮬레이션 프레임이다. RAT은 보다 정확한 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 사용자 지정 가능한 신틸레이터 물리 정보 및 사실적인 PMT 모델을 제공한다. RAT을 활용하여 JSNS^2의 검출기 시뮬레이션과 물리 물질 정보를 업데이트할 예정이다. 또한 JSNS^2 JADE를 이용하여 데이터 처리(data processing)를 하는데 여기에는 두 가지 주요 부분이 있다. ① 펄스 재구성(Pulse reconstruction) ② 이벤트 구축(Event building) 먼저 검출기 시뮬레이션 관련하여 작년에 테스트 데이터 획득 작업을 통해 신틸레이터 정보, PMT 정보, 온도 및 습도에 따른 변화 정보, 가속기 파워 및 트리거 관련 정보 등을 토대로 업데이트 중이며 RAT또한 보다 정확한 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 사용자 지정 가능한 신틸레이터 물리 정보 및 사실적인 PMT 모델 및 환경에 따른 요인들을 업데이트를 목표로 한다. ◎ 연구 내용 본 연구의 1년차에 해당하는 올해는 검출기 시뮬레이션 및 RAT & JADE를 활용한 분석 프로그램 개발에 대해 연구를 진행하였다. RAT뿐만 아니라 이와 병행하여 JADE를 이용하여 데이터 처리(data processing)도 마찬가지로 펄스 재구성과 이벤트 구축에 영향을 주는 부분을 체크하며 실제 데이터와 비교하면서 업데이트를 진행하고 있다. KDAR 중성미자는 빔 타켓에서 생성되며 우리는 핵 또는 핵자와 중성미자 상호작용에 의해 생성된 뮤온을 검출하는 것을 목표로 한다. JSNS^2 검출기에서 위와 같이 prompt와 delayed의 coincidence로 KDAR 중성미자 상호작용 후보로 검출된다. 여기서 예상되는 백그라운드는 가장 지배적은 배경인 우주선이 포함된 백그라운드와 빔관련 백그라운드이다. 검출기 반응 효과를 이해하기 위해 KDAR 상호작용을 이용하여 시뮬레이션 하였다. KDAR visible energy spectrum은 여러 복잡하고 다양한 nuclear effects 로 인한 다양한 모델이 예측되고 있다. 이와 같은 이유로, 현재 어떠한 실험도 KDAR primary energy spectrum을 확인 하지 못 하였다. 이 연구의 목표 중 하나인 KDAR prompt event의 visible energy spectrum을 측정하여 많은 KDAR의 physics 모델을 비교 분석하였다. ○ 2단계 ◎ 연구 목표 LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) 실험은 Los Alamos National Laboratory에서 가속기 중성미자 소스에서 생성되는 중성미자 수를 측정하는 신틸레이션 계수기(scintillation counter)이다. 본 연구인 JSNS^2 (J-PARC Sterile Neutrino Search at J-PARC Spallation Neutron Source)실험은 LSND 실험의 검증을 일차적인 목표로 하고 있으며, LSND 실험과 뮤온 붕괴에서 발생하는 중성미자 소스, 액체섬광검출용액을 사용한 타켓 물질, 역베타 붕괴 (IBD:Inverse Beta Decay)과정을 이용한 검출 방법, 선원으로부터 가까운 거리(24m)로 같지만 가돌리늄을 용해한 액체섬광검출용액을 사용하기 때문에 보다 향상된 signal/noise ratio 값을 기대한다. JSNS^2 검출기는 J-PARC MLF (Materials and Life science experimental Facility) 안에 중성미자 선원으로부터 24m의 가까운 거리에 설치되어 있으며 본 연구는 양성자 빔을 이용하여 큰 값의 Δm²영역에서 배경사건의 획기적인 감소를 통해(가돌리늄이 용해된 액체섬광검출용액을 사용 및 고성능의 빔 사용) 향상된 signal/noise ratio와 systematics를 이용하여 Δm² ~eV² 영역에서 비활성 중성미자를 탐색하고자 한다. ◎ 연구 내용 중성미자 실험에서 중성미자 데이터만큼이나 배경사건을 연구하는 것은 매우 중요하다. 실제로 중성미자 데이터를 받으면 얼마만큼 배경사건을 아는지에 따라 그 실험의 정확도가 올라가기 때문에 이를 연구하고자 한다. 가속기 중성미자 실험에서 역베타 붕괴과정을 통해 측정된 배경사건은 cosmic-muon, Michel electron, fast neutron, cosmic-gamma가 있다. cosmic-muon의 경우 검출기 외부 영역에서 charge를 이용한 muon cut 조건을 사용하여 선별할 수 있다. 이때 검출기 외부 영역에서 charge 스펙트럼을 확인하고 E > 200MeV보다 큰 부분을 선택하여 뮤온검출 효율을 계산할 수 있다. 이를 통해 외부 검출기의 윗부분과 아랫부분의 charge 분포에 각각 조건을 주어 cosmic-muon의 이벤트를 계산할 수 있다. 배경사건의 선별 조건은 다음과 같이 요약할 수 있다. ● multiple delayed cut ● external particle rejection ● michel rejection ● stopping muon rejection ● fiducial cut for PSD ● DIN likelihood cut 선별 조건은 빔이 작동할 때 샘플을 얻어 2.256 × 10⁸ beam spills에 적용되었으며, 이는 prompt 후보에 대한 총 비율의 26.8 ± 0.1이 도입되었으며 에너지 스펙트럼 과 vertex를 구하였다. 배경사건을 제대로 측정하기 위해서는 전체 비율을 물리적 요소로 분해해야 한다. 이를 위해 먼저 범 관련 성분이 있는지 확인해야 한다. 동일한 선별 조건에서 빔과 빔 오프 샘플 간의 스펙트럼 비교분석하여 스펙트럼은 에러 범위 내에서 일관되는 것을 확인하였다. 또한 prompt 후보에는 빔 유도 성분이 아닌 우주에서 온 유도 성분만 있는 것을 확인할 수 있다. □ 연구성과 검출기 및 검출기에 들어가는 신틸레이터 및 전자 장비 등에 대한 설치를 완료하고 J-PARC 양성자 가속기 빔을 이용한 테스트 데이터 획득을 실시하였다. 본 연구의 1년차에 해당하는 데이터 획득 분석 프로그램 개발은 JSNS^2 실험에서 검출기에서 RAT을 이용하여 데이터를 생성하고 JADE를 이용하여 이벤트를 재구성하는 프로그램 개발을 완료하였다. 또한 외부환경에 따른 변수 설정 및 검출기 장비의 노이즈 등을 제외한 데이터 획득 분석 프로그램의 업데이트를 주기적으로 하고 있다. 2년차에 해당하는 배경사건을 구하기 위해 beam-induced gamma 배경사건으로 floor gamma로 알려진 이 배경사건은 먼저 beam-induced 중성자는 검출기아래의 콘크리트 해치에서 포획할 수 있으며 여기서 gamma를 생성하는데 beam-induced gamma 배경사건의 비율은 ~160 ± 16Hz 추정된다. 다음으로 펄스 모양 판별(Pulse Shape Discrimination)은 IBD 신호와 fast neutron을 분리한다. fast neutron은 correlated 배경사건으로 PSD의 기능을 향상시키기 위해 검출기 타켓 안 17ton의 Gd-LS에 DIN (Diisopropylnaphthalene)을 용해하였다. Fast neutron과 michel electron을 구별하기 위해 Likelihood method, Convolutional Neural Network 등 여러 방법을 사용해 90%이상 효율을 얻었고 추가적인 개선을 통해 배경사건에 대한 이해도를 높일 수 있을 것으로 기대된다. □ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과 가속기 중성미자 실험인 JSNS²는 기존의 LSND 실험과 MiniBooNE 실험을 검증하고 이를 더욱 향상해 비활성 중성미자에 대한 탐색 영역을 정밀하게 측정하고자 한다. 실험 특성상 반뮤온 중성미자가 반전자 중성미자가 변환되는 과정을 측정하기 때문에 통계량은 많지 않지만 배경사건의 비율이 상대적으로 정밀측정하게 되어 보다 향상된 결과를 구할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 비활성 중성미자의 측정뿐만 아니라 양성자 빔을 활용하여 중성미자-원자핵 산란 단면적 측정 또한 중심핵 붕괴 초신성 연구에 많은 기여를 할 것이다. J-PARC 양성자 빔은 케이온을 생성할 수 있는 충분한 세기를 가지고 있어서 KDAR (kaon decay at rest) 연구에서 필요한 235.5MeV 단일 중성미자 빔을 만들어 낼 수 있다. 이를 통해 MiniBooNE 실험에서 나온 결과를 검증 및 향상할 수 있어 미래의 중성미자 산란 단면적 실험에 도움이 될 것으로 기대한다. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 여인성
• 주관연구기관 : 동신대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 비활성 중성미자;뮤온 붕괴;역베타 붕괴;액체섬광검출 물질; 2. sterile neutrino;muon decay;Inverse Beta Decay;Liquid scintillation;

□ 연구개요 본 리더사업을 통해 기존에 구축해 온 압력을 변수로 한 광물 및 물질 연구의 범주와 인프라를 한 단계 확장하고 보다 전문적이고 국제적인 경쟁력을 갖춘 고압 광물물리 연구단을 설립한다. 압력-온도-조성-시간을 복합적 변수로 하는 다차원 극한환경 하에서의 광물 및 물질연구를 통해 지구와 행성의 형성과 진화 과정을 이해하고, 지질과학이 중심이 된 첨단 융합적 연구로서 고압 과학의 모델을 정립시킨다. □ 연구 목표대비 연구결과 본 연구는 광물물리, 고압화학, 고압연구 인프라 확장의 세 가지 연구 주제로 구성되며 이들의 유기적인 관계 속에 단계적으로 추진된다. 1) 광물물리를 통한 섭입대 및 하부맨틀 환경의 가벼운 성분 연구: 지구의 형성과 진화 과정을 이해하는데 중요하게 남은 문제들 중 하나는 물이나 탄소, 수소로 대표되는 가벼운 성분의 전 지구적 분배와 순환 과정이다. 이들 순환의 통로로 지각판의 섭입대가 대표적이며 이들의 이동이 하부맨틀까지 확장됨을 보여줄 경우 지구와 행성의 진화과정 이해에 새로운 패러다임을 제시할 수 있다. 본 연구에서는 다양한 섭입대(~24 GPa 및 ~2000K)와 하부맨틀(~130 GPa 및 ~4000K)에 해당하는 환경을 구현하며 다음과 같은 연구 주제들이 광물물리 실험을 통해 다루어 질 것이다. (1) 지구 표면의 물과 수소, 탄소 등 가벼운 성분은 섭입대 종류에 따라 어떻게 지구 내부로 이동하며 지질 활동과 연관성을 보이는가? (2) 지구 내부에 가벼운 성분의 숨겨진 저장소가 있는가? (3) 지구 내부의 산화상태는 어떻게 진화했는가? (4) 얼음위성이나 외계행성의 내부를 구성하는 가벼운 성분은 암석성분과 어떠한 상호작용을 하는가? (5) 하부맨틀 의 온도압력 조건에서 알루미늄 광물의 함수량과 상안정성은 어떠한가? (6) 핵과 맨틀의 경계 조건에서 철-광물-가벼운 성분의 반응은 어떻게 정해지는가? 2) 천부 조건에서의 다공성 광물의 고압 화학: 초수화 현상, 압력유도 치환 및 상전이 등 다공성 광물의 고압에서 일어나는 독특한 물리적 화학적 변화의 발견을 확장하고 이의 지질학적 의미와 활용 가능성을 탐색한다. 제올라이트나 점토광물, 망간산화물 등 다공성 물질의 가장 중요한 특성 중 하나인 객체에 대한 호환성과 손쉬운 반응 특성을 압력을 변수로 새롭게 정립한다. 이를 위해 비교적 낮은 온도와 압력 조건(수 kbar 및 수 백 K) 구현에 적합한 연구 인프라(kbar 스케일의 다이아몬드앤빌셀, 대부피고압기 등)를 활용하고 산출물의 물리화학적 특성을 검증한다. 3) 탐색적 고압연구 및 인프라 확장: 운석 충돌 및 초기 지구 마그마 바다에서 일어나는 빠른 반응을 모사하기 위해 선형 4세대 가속기(PAL-XFEL, European-XFEL)를 활용하여 시간(~femtosecond)을 변수로 한 동적 고압 연구를 추진한다. 고온고압 전용 빔라인을 갖춘 3세대 방사광가속기(미국 APS-GSECARS, 독인 PETRAIII-ECB)의 지속적인 활용과 함께 국내에 추진중인 원형 4세대 가속기에 특화되고 경쟁력있는 고압 빔라인의 모델을 제시하고 공동 개발을 추진한다. 본 단계 성과: SCI 논문 총 23편 게재: 이 중 Top 10% 이내 10편(교신 7), Top 25% 이내 2편(교신 2) 게재 1) 섭입대 및 하부맨틀 광물물리 연구수행을 통한 Top 10% 이내 SCI 논문 7편 게재 2) 다공성 물질의 고압화학 연구수행을 통한 Top 10% 이내 SCI 논문 2편 게재 3) 새로운 연구 방법론 적용 및 국제공동연구 수행을 통한 Top 10% 이내 SCI 논문 1편(공저자) 게재 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 본 과제는 첨단 광물물리 실험 방법론을 통해 다양한 천부지권 환경에서부터 섭입대, 하부맨틀 및 핵과 맨틀의 경계에 이르기까지 지구 내부의 전 영역을 연구 대상으로 하며, 이를 통해 지구의 구성과 진화 과정에 대한 다차원적이고 통섭적인 이해를 증진할 것이다. 본 과제를 통해 추진되는 다양한 정적 및 동적 광물물리 연구는 원형 및 선형 가속기 선원의 적극적이고 독창적인 활용을 병행하며, 이는 국가거대 과학시설 활용과 개발의 모범적인 사례로서 자리매김할 것이다. 본 과제를 통해 추진되는 가벼운 성분을 주제로 한 광물물리 연구는 최근 전 세계적으로도 활발하게 연구되는 분야로 성공적으로 수행될 경우 지구와 행성의 형성 및 진화 과정의 이해에 새로운 모델을 제시하여 국민의 지질과학에 대한 관심과 과학강국으로의 자긍심 고취에 기여할 것으로 기대된다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 이용재
• 주관연구기관 : 연세대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 광물물리;섭입대 및 하부맨틀;초수화;외계행성;방사광가속기; 2. Mineral Physics;Subduction Zone and Lower Mantle;Super-hydration;Exo-planet;Synchrotron Radiation;

□ 연구 목표 및 내용 ○ 최종 목표 본 연구의 최종목표는 인체 내에 두 번째로 많이 존재하는 (1) 무기질 형태인 휘트로카이트(Whitlockite) 나노 입자 및 생체 적합 고분자 등을 합성/이용하여, 중간엽 줄기세포(Mesenchymal stem cells)의 (2) 골 분화 (Osteogenesis) 를 촉진하고, 혈관내피세포(Endothelial cells)의 3차원 네트워크 형성을 통해 파골세포 (Osteoclasts) 및 조혈모줄기세포 (Hematopoietic stem cells)를 리쿠르팅 (Recruiting)을 유도하여 골 환경과 가장 유사한 플랫폼인 골 오가노이드 (Bone Organoid)를 만드는 데에 있음. ○ 전체 내용 효과적인 골 조직공학 및 더 빠른 골 재생재료로써 이용 가능하며 조혈모세포의 Education 및 골 생물학 또는 발생학 (Bone developmental biology)의 메커니즘을 밝히는 데에 큰 역할을 할 것으로 예상함. 본 연구의 목표를 위하여 생체재료와 인간 골 유래 중간엽 줄기세포, 혈관 내피세포, 조혈모세포가 고유하게 골 생식을 조절하는 핵심요인 (Critical factors) 골 유도 인자를 설명하기 위해 다음과 같은 단계적인 목표를 세우고 있음. ○ 1단계 ● 연구 목표 무기질이 포함된 생체재료를 이용한 혈관내피세포 및 중간엽 줄기세포의 생체고분차의 크라이오겔을 통한 3차원 배양을 통해 혈관 네트워크를 포함하는 오가노이드를 설치류의 피하에서 골 재생 구현 기술 개발 및 중요한 크기의 뼈 결함을 치료할 수 있는 인간 유래 혈관내피세포 및 중간엽 줄기세포, 무기질 생체재료의 최적화 된 비율 검증 및 복합체의 효율 확인. 골 환경안에서 여러 세포와 생체물질 간의 체내 골 유도를 일으키는 특정한 유전자 확립연구. ● 연구 내용 1차 연도 연구내용: 혈관 네트워크를 포함하는 골 오가노이드 기술 개발 확립 -동물모델을 통해 1) 골 유래 중간엽 줄기세포가 혈관내피에서 파생된 파라크린 (Paracrine) 인자에 의해 규제되고, 2) 인간 유래 골 혈관내피세포에 의해 정렬된 혈관 네트워크는 자연적으로 체내 골 생식을 유발하는 연구를 진행하였음. 이처럼 무기질 생체재료와 세포뿐만 아니라 인간 유래 혈관내피세포와 줄기세포를 포함하는 생체공학 혈관 이식술을 진행하여, 1) 골 유래 중간엽 줄기세포의 생체재료는 통한 혈관내피세포 의존, 2) 두 세포의 비율과 세포 밀도가 혈관 및 골 생성에 미치는 영향, 3) 설치류의 장기간 오가노이드의 이식을 통한 골 생성능력을 확인. -이 결과를 얻기 위해, 1) 형광 발현 이미지 처리 및 특정 유전자의 단백질 레벨 확인, 2) Luciferase 기반 생물 발광 및 3) Micro-CT를 활용하여 최대 12주 동안 정방향으로 혈관, 골유발 활동 및 골 재생 화를 모니터링. 2차 연도 연구내용: 최적화된 오가노이드를 통한 중요한 크기의 뼈 재생 -체내 중요 크기의 골 유도 잠재력을 담당하는 세포와 생체물질 사이의 특정 요인을 규명. -최적화된 오가노이드의 개발은 단순히 재료 개발에만 좌우되는 것이 아니라 세포와 재료 사이의 Interaction을 이해하고 실험을 진행하여, 1) 골격 결함 동물모델을 통한 제한적인 골 재생 유도, 2) 세포의 특정 유전자 제어 및 과발현을 통한 최적화된 골 재생, 3) 설치류의 이식을 통한 골 재생의 지속성 및 분화 가능성, 4) Host 세포와의 crosstalk 등을 확인함. -이 결과를 얻기 위해, 1) 설치류의 두개골 및 Femur 결손 모델 활용, 2) siRNA 및 shRNA를 이용한 특정 유전자의 Knockout 및 3) RNAseq, Protein array 등을 활용하여 혈관재생, 골 유발 활동 및 골 재생 화의 기작을 검증. 3차 연도 연구내용: 오가노이드의 조혈모줄기세포 리쿠르팅에 관한 연구 -최적화된 오가노이드를 통한 Host 유래의 조혈모줄기세포의 리쿠르팅 메커니즘을 규명하고자 함. 개발된 오가노이드를 통하여 조혈모줄기세포의 이동 및 행동을 관찰, 1) 조혈모줄기세포의 수용체 inhibition을 통한 세포 간의 crosstalk 금지, 2) 조혈모줄기세포에게 영향을 끼치는 단백질 존재 유/무를 통한 오가노이드의 변화 관찰, 3) 타 세포 유전자 조작을 통한 조혈모줄기세포의 리쿠르팅을 극대화하는 실험 등을 진행. -이 결과를 얻기 위해, 1) shRNA 및 CRISPR/Cas9을 통한 유전자 제거 및 삽입, 2) Recombinant 단백질 프로 파일, 3) RNAseq, Protein array 등을 활용하여 조혈모줄기세포의 미세환경체제를 검증. ○ 2단계 ● 연구 목표 세포와 생체재료의 최적한 조건확립 연구를 바탕으로, 생체 내에서 골 오가노이드로 인한 조혈모세포의 리쿠르팅 및 조혈모세포로서의 분화 체제 메커니즘 확립. 골 오가노이드의 활용을 위한, 뼈암 전이 모델에 활용 및 조혈모세포의 배양 환경을 조성하여 치료제로서의 플랫폼 제작 기술 개발. 개발된 골 오가노이드 플랫폼을 통한, 골의 발생기전 및 생체 내에서의 복합적 미세 골 환경 제어 연구. ● 연구 내용 4-5차 연도 연구내용: 골 오가노이드의 활용을 위한 플랫폼 제작 기술 개발 -생체 내 조혈모줄기세포의 리쿠르팅 및 배양모델을 확인하기 위해 형질전환 마우스 및 Radiation을 통해 조혈모줄기세포를 제어하여 제작된 오가노이드의 역할을 확인할 수 있음. -질환 모델의 메커니즘 및 배양 플랫폼을 검증하기 위해, 세포의 이동 및 병리학을 통해 상태를 확인할 예정임, 또한 단순히 세포 단위에서의 영향력을 확인하는 것이 아니라, 조혈모관련 질환 치료에도 효율을 나타내는지 확인할 예정임. -이 연구를 바탕으로 제작된 오가노이드가 1) 생체 내에서 골 생성에 어떠한 단계를 거쳐 주변 환경을 구성하는지 또한 2) 조혈모줄기세포를 어떻게 리쿠르팅 및 Education 하는지, 마지막으로 3) 이 세포들이 미세 골 환경을 어떻게 제어하는지에 대한 연구를 진행할 예정임. □ 연구성과 본 연구팀은, 혈관내피세포와 중간엽 줄기세포를 포함하는 골 오가노이드를 개발하였으며, 이 오가노이드는 골 재생을 촉진하는 효과가 있음을 확인했음. 혈관내피세포가 분비하는 KITLG가 Host 유래의 조혈모세포를 리쿠르팅하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 입증했음. 혈관내피세포가 조혈모세포의 골화 분화를 촉진하는 데 중요한 역할을 한다는 것 또한 입증하였음. 조혈모세포의 niche와 관련된 유전자를 분석하여, 골 환경을 유지하는 혈관 환경을 조성하기 위한 유전자를 밝혀냈음. 1단계 (1-3년차)에서는 총 5편의 SCI급 논문을 게제하였으며, 32번의 국제학술대회 및 학술대회 발표를 통해 학회 및 여러단체에서 총 10번의 우수연구상 및 포스터상을 수상하였음. 2단계에서는 총 6편의 논문을 추가로 게제할 예정에 있으며, 국제학술대회 및 국내학술대회에서 연구 내용 발표 계획을 가지고 있음. □ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과 본 연구를 통해 개발된 생체모방형 합성 무기 나노 입자를 함유한 오가노이드는 선천적 장애, 사고, 암 혹은 노화로 인한 골 손상 혹은 결손 환자들에게 경제적 부담이 없는 고성능의 골 재생치료 플랫폼으로 활용될 수 있음. 현재 골 오가노이드 분야에서 국내외에서 선도적인 기술과 기업이 없음. 따라서 생체모방 나노 입자 기반의 골 오가노이드를 통한 플랫폼 개발은 기술 우위 확보를 통한 세계시장 주도 가능-의학, 생명과학, 화학공학, 기업으로 이루어진 산학 병이 밀접히 연관될 수 있는 융합 과학으로 효율적인 협동 연구를 통해 국내 첨단 바이오 및 의료기기, 소재 부분에서 기술 경쟁력을 강화할 수 있음. 본 연구에서 개발된 골 오가노이드 플랫폼는 골 관련 치료 연구를 발전하는 데에 이바지할 수 있으며, 치료제 개발 분야에서도 유용하게 쓰일 것이라 예상됨. 미세 골 유사 환경을 통해, 골 재생의 메커니즘을 정확히 파악하여 더 효율적인 재생의학 프로토콜을 제시할 수 있을 것. 본 연구에서 초래된 결과들은 다양한 질병 모델에 새로운 치료법을 제시할 것이며, 기술의 미래원천기술 확보가 가능할 것으로 예상함. 선진국 고령 시대에 들어오면서 골 관련 질환이 증가하는 사회에서 직접 골세포의 행동 및 골환경을 구현해 낼 수 있는 기술은 앞으로 골 관련 질환의 메커니즘을 밝혀낼 수 있는 매우 혁신적인 신기술이라 여겨짐.이는 골수의 조혈모줄기세포 관련 질환 (백혈병, 림프종, 고형암, 빈혈, 면역 부전, 선천성 대사 장애) 등으로 고통을 겪는 수많은 환자의 삶의 질을 획기적으로 증대시킬 것으로 기대함.또한, 본 기술을 골세포 외 다른 세포를 적용한다면 다양한 질병의 치료에도 응용할 수 있음. (출처 : 요약문 2p)

• 연구책임자 : 김환
• 주관연구기관 : 한국교통대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 골 오가노이드;골조직공학;조혈모줄기세포 공학;골 발생학;골 생체재료; 2. bone organoid;bone tissue engineering;hematopoietic stem cells engineering;bone developmental biology;bone biomaterials;

□ 연구개요 We conducted research on the characteristics of quarkonium states in a non-equilibrium Quark-Gluon Plasma (QGP) medium. Our study focused on examining the impact of bulk viscosity, magnetic field, and rotational field on the properties of heavy quarkonia. We also analyzed the implications of our findings on experimental observables such as the relative production yield and the nuclear modification factor. Additionally, we investigated how a constant and uniform magnetic field of general strength, generated during heavy-ion collision, affects the heavy quarkonium complex potential. To achieve this, we employed the Schwinger proper time formalism in Euclidean space for a magnetic field of any strength. □ 연구 목표대비 연구결과 In our study, we investigate the properties of quarkonium states in a non-equilibrium bulk viscous QGP medium. We examine in-medium spectral functions computed from a modified heavy quark potential to determine the impact of non-equilibrium aspects of a QGP on heavy quarkonia properties. Our analysis focuses on the effect of bulk viscosity on the properties of heavy quarkonia, particularly its implications on experimental observables such as the relative production yield and the nuclear modification factor. Our findings show that the nuclear modification factors of excited and ground states exhibit different sensitivities to the bulk viscous nature of a plasma, which could be useful in locating the critical point. Additionally, we investigate the impact of an external, constant, and uniform magnetic field generated during heavy-ion collision on the heavy quarkonium complex potential. We employ the lowest Landau level approximation for the strong field approximation and the Schwinger proper time formalism in Euclidean space for a magnetic field of any strength. Our results demonstrate that the heavy quarkonium complex potential is anisotropic in nature and depends on the angle between the quark-antiquark (QQ) dipole axis and the direction of the magnetic field. We discuss how the magnetic field strength and the angular orientation of the dipole affect the heavy quarkonium potential. Furthermore, we examine how the magnetic field influences the thermal widths of quarkonium states. Finally, we discuss the limitation of the strong-field approximation as done in literature in the light of heavy-ion observables, as the effect of the magnetic field is very nominal to the quarkonium potential. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) QGP-related research is a type of fundamental research in high-energy nuclear physics. The purpose of this research is to expand our understanding of the basic building blocks of all matter. Basic science studies play a vital role in arousing young children's interest in science and technology, even though the impact of this interest is challenging to measure. We study the in-medium properties of quarkonium states from an inspection of in-medium spectral functions computed from the modified heavy quark potential in a non-equilibrium bulk viscous QGP medium. It is important to study the quarkonium spectral functions to understand the effect of color screening, encoded in real part of potential, as well as the effects of dissipation, encoded in the imaginary part of the potential. We examine the effect of bulk viscosity on the properties of heavy quarkonia and its implications on experimental observables. We also explore how an external, constant, and uniform magnetic field generated during heavy-ion collision affects the heavy quarkonium complex potential. Our results will enhance our knowledge of the early universe and have broader implications for related scientific disciplines. (source : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : THAKUR LATA
• 주관연구기관 : 연세대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 쿼크 글루온 플스마 헤;헤비 쿼르코니아;양자 색역학;중이온충돌;퍼텐셜 모델; 2. Quark Gluon Plasma;Heavy Quarkonia;Quantum Chromodynamics;Heavy ion collision;Potential Model;

□ 연구개요 최근 맟춤의료 (personalized medicine)의 중요성이 커지면서 개인에 맞는 치료를 찾는 것이 중요해졌다. Breiman (2001)이 만든 랜덤 포레스트 (Random forest)는 널리 쓰이는 기계학습 방법의 하나로, 알고리즘이 분명하고 여러 통계 프로그램에서 설치되어 있어 널리 쓰이고 있다. Athey et al. (2019)는 이 랜덤 포레스트를 이용하여 개인별 이질적 치료효과를 계산하는 방법을 제시하고, Cui et al. (2023)은 Athey et al. (2019)의 방법론을 하나의 사건이 있을 때에 생존데이터에 대해서 치료효과를 랜덤 포레스트를 이용해서 계산하는 방법을 제시했다. 하지만 경쟁위험 데이터 (competing risks data)에서는 이질적 치료효과를 랜덤 포레스트를 이용해서 계산하는 방법이 제시된 바가 없다. 이 연구에서는 경쟁위험 데이터 (competing risks data)에서는 이질적 치료효과를 랜덤 포레스트를 이용해서 계산하는 방법론을 제시하고자 한다. □ 연구 목표대비 연구결과 이 연구에서는 Athey et al. (2019)과 Cui et al. (2023)에서 제시된 방법론을 바탕으로 경쟁위험 데이터에 대해서 랜덤 포레스트를 이용하여 인과효과를 계산하는 방법론을 만들었다. 이 방법은 Robinson (1988)의 추정함수를 랜덤 포레스트에 응용한 것으로, Breiman (2001)이 만든 랜덤 포레스트 방법론을 영향함수 (influence function)을 이용하여 누적사건함수 (cumulative incidence function)을 치료효과로 보고 추정하는 방법을 제시하였다. 이 때 Cui et al. (2023)에서 제시한 이중강건 (doubly robust) 랜덤 포레스트 방법을 경쟁위험 데이터에 적용해서 만들고 새롭게 Buckley and James (1979)의 방법을 응용한 랜덤 포레스트 방법 (BJ 랜덤 포레스트)를 제시하였다. 또한 Athey et al. (2019)과 Cui et al. (2023)에서 제시된 통계적 이론을 근거로 근사이론과 분산 및 신뢰구간을 계산하는 방식을 제시하였다. 시뮬레이션을 돌려보았을 때 평균제곱오차 상으로 Ishwaran et al. (2014)의 랜덤 포레스트를 이용한 방법보다 더 나은 결과를 보였다. 그리고 Radiation Therapy Oncology Group (RTOG 9410) 데이터에 이 방법론을 적용하였다. 그리고 하위그룹분석을 위해 선형회귀를 치료효과를 이용한 결과변수에 적용하는 방법을 제시하였다. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 이 연구결과를 경쟁위험 데이터 하에서 개인별 이질적인 치료효과를 계산하고 그에 따른 통계적 추론을 할 수 있는 방법을 제시했다. 이 통계적 추론을 할 수 있다는 것은 굉장히 중요한데, 통계적 추론을 함으로써 일반적인 기계학습 방법론이 가지고 있던 취약점을 보완할 수 있기 때문이다. 이 방법은 여러 방면에서 사용될 수 있다. 우선 의학에서 다양한 경쟁적인 질병이 있는 경우에 각 질병에 대한 개인별 이질적 치료효과를 측정할 수 있다. 또한 정책결정을 할 경우에 경쟁적인 사건들이 일어나는 상황에서 정책결정이 어떤 분야에 각 개인마다 어떤 효과를 불러오는지 파악할 수 있다. 그리고 각 치료효과 또는 정책효과의 통계적 유의성을 신뢰구간 계산을 통해서 검정할 수 있다. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 조영주
• 주관연구기관 : 건국대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 경쟁 위험;랜덤 포레스트;이중 강건;인과 효과;하위그룹 분석; 2. Competing risks;Random forest;Doubly robust;Causal effect;Subgroup analysis;

□ 연구개요 본 연구는 저선량 방사선조사가 항염증효과를 나타내는 기전을 규명하고 임상연구 프로토콜을 개발하는 연구로 총 3년으로 계획되었음. 1차년도에는 저선량 방사선조사의 항염증효과 확인을 위한 적절한 동물 모델 탐색 및 구축하고자함. 2차년도는 저선량 방사선조사의 항염증효과 기전 규명 및 최적효과 프로토콜 탐색하고자함. 3차년도에는 전임상실험 결과를 바탕으로 임상연구 프로토콜을 개발하고자함. □ 연구 목표대비 연구결과 1) 1차년도: 저선량 방사선조사의 항염증효과 확인을 위한 적절한 동물모델 탐색 및 구축 - LPS의 기도삽관 및 기도절개 주입 방법 비교 예비실험을 통해 ALI 마우스 모델을 구축하고 저선량 방사선조사에 따른 항염증 억제 효과 확인을 위해 생존률 조사 및 폐렴 형성과 완화 과정을 CT로 실시간 측정하고 폐조직 분리 후 H&E 분석을 통해 염증 반응 양상을 확인하였음. 2) 2차년도: 항염증효과 기전 규명 및 최적효과 프로토콜 탐색 - LPS와 Bleomycin 염증 유도 효과를 비교하고 기도삽관 및 기도절개 주입법 차이를 비교하여 최종적으로 빛을 이용한 기도삽관으로 마우스 모델을 고도화하였음. - 0.5 Gy와 1 Gy 저선량 방사선조사의 염증 억제 효과 및 LPS 주입 후 24, 48, 96시간을 비교하여 방사선 조사조건의 변화에 따른 폐염증반응을 평가하였음. - 폐조직에서 싱글셀 준비 테스트로 BALF에서 세포수 및 세포생존율을 비교하고 면역세포 분포와 사이토카인 수치를 확인하였음. 3) 3차년도: 전임상실험 결과를 바탕으로 임상연구 프로토콜을 개발 - 폐조직에 대한 싱글셀데이터 생산 및 분석을 수행하였음. - 싱글셀 전사체 데이터 분석 결과를 기반으로 저선량 방사선에 의한 면역세포의 세포 단위별 영향과 기전을 확인하였음. - 전임상 데이터를 기반으로 임상 연구 프로토콜 작성하였음. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 1) 기술적 측면: COVID-19의 전세계적 유행에 따라 저선량 방사선이 ARDS/ALI에 있어 임상적 효용성이 있을 수 있다는 조기 임상 결과가 발표되고 있지만, 이러한 항염증효과의 기전에 대해서는 아직 정확히 모름. 이는 중개연구로서 임상 -> 기초기전 연구의 필요성을 제기하였고, 본연구를 통한 기초자료는 다양한 염증성 질환으로 확대될 수 있음. 2) 경제적 측면: ALI/ARDS 관리를 위한 인한 중환자실 입원 기간의 감소 그리고 이로 인한 사망률 감소는 환자 및 병원 모두에 부과되는 경제적 부담을 줄여, 장기적으로는 국민 전체 중증 의료비 감소로 이어질 수 있음. 3) 임상적 측면: 치사율이 높은 ALI/ARDS의 치료 효과가 검증될 경우 이는 기존 ALI/ARDS의 관리법에 있어 중요한 발전이 될 수 있음. 또한 저선량 방사선치료의 항염증효과의 기전이 규명되면, 이를 활용하여 그 외 다른 염증성 질환, 예를 들어 염증성장질환의 급성 악화, 자가면역질환의 급성 악화, 골관절염의 급성 악화 등 다양한 형태의 항염증 효과에 활용될 수 있음. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 오동렬
• 주관연구기관 : 삼성서울병원
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 저선량방사선;급성페손상;염증반응;면역반응;단일세포분석; 2. Low-dose radiation therapy;Acute lung injury;Inflammation response;Immune response;Single cell RNA sequencing;

□ 연구개요 • 지구 방사선대 형성과 진화에 관한 최근까지 학계를 주도하는 패러다임에 따르면 whistler mode chorus 파동이 electron 가속을 유발하고 그 결과 다량의 MeV electron을 생성하여 지구 방사선 벨트 형성을 주도하는 것으로 알려져 왔음. • 본 연구에서는 이러한 기존의 패러다임과 달리 방사선 벨트 형성에 대한 새로운 해석을 제안하고 검증하려는 것이 주요 목적 □ 연구 목표대비 연구결과 • 주요 목표: 자기권 꼬리 지역에서 magnetic reconnection이 발생하면 bubble type의 bursty plasma jet을 방출하고 이는 지구 쪽으로 향하는 bubble transport에 의해 수 keV ~ 수 MeV electron 입자들을 방사선 벨트 지역에 직접 공급하여 (즉, 일종의“bubble injection”형태를 통해) 방사선 벨트 전자 플럭스가 직접적으로 증가할 수 있음을 제안하고 이에 대한 종합적 검증을 수행 • 연구 결과: ▷ 지구 방사선대를 관통하는 쌍둥이 위성인 RBSP 관측을 이용하여 bubble injection에 의한 방사선 벨트 직접 형성에 대한 사건들 발견에 성공 ▷ 이러한 방사선 벨트 형성은 매우 빠르고 계단식의 전자 플럭스 증가 형태로 진행됨을 설명함. ▷ 특히, substorm 발생이 시리즈로 연달아 발생할 때 방사선 벨트의 계단식 증폭이 명확한 경우들을 발견하여 증거로 제시함. ▷ 그간 잘 알려진 여러 플라즈마 파동의 효과를 test particle 및 quasi-linear diffusion 시뮬레이션을 통해 정량적으로 평가하고 기여도를 제시함. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) • 연구의 최종 결과는 향후 후속 연구 주제를 구성하고 석박사과정 대학원생 등 후학들의 관련 연구 주제로 이어가는데 활용 할 예정 • 지구 방사선 벨트뿐만 아니라 목성, 토성 방사선 벨트 연구에도 비슷한 관점에서 중대한 영향을 미칠 수 있을 것으로 예상되어 행성 자기권 과학 분야의 후속 연구 주제로 활용 기대 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 이대영
• 주관연구기관 : 충북대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 방사선 벨트;서브스톰;파동-입자 상호작용;지구 자기권;위성 현장 관측; 2. Radiation belt;Substorm;Wave-particle interaction;Earth’s magnetosphere;Satellite in-situ observations;

□ 연구개요 선행적 재활치료를 통해 방사선 치료 후 발생하는 림프부종을 감소시키고, 치료 후 발생한 림프부종 증상완화를 통해 유방암 환자의 삶의 질을 높이며, 더불어 유방암 치료 후 발생하는 수술흉터 구축, 유착성 관절낭염, 근위축, 피로도 증가 같은 근골격계 합병증 또한 예방하여, 최종적으로 기존의 유방암 환자 방사선 치료요법과 함께 시행할 수 있는 병용 재활치료 프로토콜을 정립하고자 한다. □ 연구 목표대비 연구결과 1. 방사선-재활치료 프로토콜 확립 - 유방암 방사선 치료 후 림프순환 마사지 및 운동프로그램 설립 - 4주간의 단계적 재활운동 프로그램 정립 2. 방사선-재활치료 연구 진행 - 사전 검사(부종, 어깨관절 운동범위 평가) 진행 - 연구 전, 후 림프신티그래피 진행 - 림프부종 예방 재활치료 시행(도수림프배출법 및 근골격계 회복운동) - 삶의 질 및 피로도 설문 진행 3. 환자군 모집 - 총 31명의 환자 등록, 6명 환자 중도탈락, 최종 25명 환자가 최종 등록됨. 4. 연구 현황 및 관련 논문 - 최초의 편측의 유방암 수술 후 방사선 치료가 예정된 환자 중 연구를 희망하는 환자를 대상으로 연구를 진행함으로써, 환자 모집에 있어 시간이 많이 소요되는 점 감안하여 연구 3년차 종료시점까지 환자군 모집을 진행하였음 - 3년차 종료시점까지 모집된 환자 31명의 데이터를 분석 및 논문 초안 작성 중에 있으며, 1년 이내에 논문으로 출판할 예정임. □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) 유방암 환자에게 방사선 치료와 병행하여 선행적 림프부종 재활치료를 적용함으로써, 림프부종의 발생률을 감소 또는 완화시키고 동반되는 많은 근골격계 후유증들을 조기에 억제 및 예방하여 유방암 환자들의 삶의 질을 크게 향상시키며, 지속적인 유방암 치료 진행에 있어 치료 순응도를 높일 수 있을 것임. 재활의학과, 방사선종양학과 및 핵의학과 등 유방암 치료의 다학제적 연계를 통해 환자에게 보다 효율적인 의료서비스를 제공하고, 의료만족도와 삶의 질의 높은 향상을 가져올 수 있을 것임. (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 도환권
• 주관연구기관 : 인제대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 림프부종;유방암;재활;방사선치료;회복운동; 2. Lymphedema;Breast cancer;rehabilitation;Radiation therapy;Remedial exercise;

□ 연구개요 - “망간 기반의 유-무기 하이브리드 신소재 ”를 사용하여 엑스선 에너지 영역에 대한 신틸레이터 특성과 메커니즘을 분석한다. - 망간 기반의 유무기 합성을 통한 균일한 필름을 제작하여, 엑스선 에너지에 따란 엑스선 이미지를 구현한다. -본 과제에서 제안하는 소재는 신소재로, 다양한 형태의 필름 제조를 가능하게 하며 고성능 신틸레이터 관련 기술을 확보한다. □ 연구 목표대비 연구결과 연구 목표(1차년도): 유무기 하이브리드 소재 합성 및 특성 연구 연구 내용 및 결과 : - 조성물을 조절함에 따라 다양한 발광 파장 역역대의 발광 특성 물질 확보 - 긴 노출시간이 필요하며 안정성 확보 - 반응 속도가 빠른 무기물 나노 소재, 발광 효율이 높은 유기물 접합을 통한 다양한 엑스선 에너지 영역에서의 우수한 발광 확인 연구 목표(2차년도): 하이브리드 신틸레이터 박막 공정 및 메커니즘 연구 연구 내용 및 결과 : - 균일한 신틸레이터 박막 제작 공정 연구 - 장시간 노출에 따른 성능 저하 특성 보안 연구를 통한 최적화 - 자외선 및 엑스레이 조사시 (irradiation), 발광 특성 분석 및 에너지 전달 메커니즘 연구 연구 목표(3차년도): 고성능 신틸레이터 응용 기술 확보 연구 내용 및 결과 : - 최적화된 유무기 하이브리드 소재와 공정 조건을 이용한 엑스레이 및 방사선 분야 활용이 가능성 확보 - 플렉시블한 고효율 신틸레이터 응용 연구 - 엑스선 에너지에 따른, 이미지 측정 및 특성 분석 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) -유무기 하이브리드에 사용되는 소재는 신물질로 구성되어있으며, 신틸레이터 합성 및 분석을 통한 기술 확보 및 응용이 가능 -본 연구를 통해 얻은 소재, 공정, 기술 등은 논문 게제 외에 국내외 특허 출원 및 등록을 진행할 계획 -현재 상용화 되어 있는 신틸레이터의 제한된 물질 및 구조를 보완함으로써 활용 분야의 경쟁력 향상에 도움이 될 것을 기대 -메커니즘을 확립함으로써 관련 분야의 연구에 발전에 활용될 것을 기대 -차세대 엑스레이 분야에 적용이 가능함으로써 국내외 경쟁력 발전이 될 것을 기대 (출처 : 연구결과 요약문 2p)

• 연구책임자 : 조상은
• 주관연구기관 : 동국대학교
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 신틸레이터;고에너지 발광물질;물질 공정;다기능 박막; 2. scintillator;High energy luminescent material;Material process;Multifunctional film;

비공개항목입니다.

• 연구책임자 : 임평옥
• 주관연구기관 : 대구경북과학기술원
• 발행년도 : 20240300
• Keyword : 1. 잎 발달;핵;엽록체;순방향 신호전달;역방향 신호전달; 2. Leaf development;Nucleus;Chloroplast;Anterograde signaling;Retrograde signaling;