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- 2022년 7월과 11월 사이에 양성자 충돌 중에 검출기에 의해 기록된 데이터를 평가
- FASER 검출기가 처음으로 입자 충돌에서 고에너지 중성미자 포착
- "새로운 물리학"을 찾을 수 있는 기회

입자가속기에서 최초로 검출된 중성미자
FASER 검출기는 처음으로 입자 충돌에서 고에너지 중성미자를 포착했다.

숨겨진 캐스케이드:
물리학자들은 입자 가속기에서의 충돌이 물질과 거의 상호 작용하지 않는 낮은 질량, 고에너지 기본 입자인 중성미자를 생성해야 한다고 오랫동안 의심해 왔다. CERN 연구 센터의 LHC(Large Hadron Collider) 감지기가 이제 처음으로 이러한 가속기 중성미자를 감지했다. 물리학자들은 이러한 특히 고에너지 중성미자에 대한 연구가 표준 모델에서 가능한 편차에 대한 더 많은 정보를 제공하기를 희망한다. 

▲ LHC 입자가속기 측면터널에 설치된 FASER 검출기가 가속기 내 입자 충돌로 인한 중성미자를 처음으로 검출했다. © Maximilien Brice/ CERN

중성미자는 신비롭지만 어디에나 존재한다. 수십억 개의 기본 입자가 우리가 눈치채지 못하는 사이에 매초 우리 몸을 통과한다. 중성미자는 매우 가볍고 물질과 거의 상호 작용하지 않기 때문에 "유령 입자"라고도 한다. 중성미자는 방사성 붕괴, 태양 및 고에너지 우주 사건 중에 형성되며 세 가지 유형이 비행 중에 서로 변환될 수 있는 것으로 알려져 있다.

남극의 IceCube와 같은 특수 중성미자 검출기의 도움으로 과학자들은 특히 고에너지 중성미자를 포착하고 연구하려고 한다. 그것들은 표준 모델을 넘어서는 물리학의 가능한 지표로 간주되기 때문에 예를 들어 반물질이나 암흑 물질의 수수께끼를 푸는 데 도움이 될 수 있다. 그러나 검출기에 거의 포착되지 않는 것은 바로 가장 높은 에너지의 중성미자다.

LHC 측면 터널에서 맨헌트

입자 가속기의 중성미자는 이 딜레마에 대한 해결책을 제공할 수 있다. 이론적 모델은 LHC 및 기타 가속기의 고에너지 충돌이 세 가지 유형의 중성미자 및 반중성미자를 엄청난 양으로 생성해야 함을 보여준다. 그러나 문제는 이러한 고에너지 중성미자가 거의 항상 입자 빔과 평행하게 비행한다는 것이다. 입자 빔이 방해받지 않고 통과할 수 있도록 빔 튜브용 리세스가 있기 때문이다.

"결과적으로 이러한 가속기 감지기는 빔 파이프 아래로 경주하는 고에너지 중성미자의 막대한 플럭스를 보지 못한다"고 CERN은 설명했다. LHC의 FASER 실험(ForwArd Search ExpeRiment)은 2021년 봄부터 도움을 주고 있다. 이 검출기는 ATLAS 검출기 뒤에 있는 빔 축의 확장인 가속기 링의 측면 터널에 설치된다. 약하게 상호 작용하는 입자는 충돌한 다음 계속 직진하여 이 터널에 직접 도달하므로 새로운 검출기에 도달한다.

첫 증명 성공

FASER 검출기는 중원소 텅스텐으로 만들어진 판을 포함하고 있기 때문에 중성미자와 물질의 약한 상호 작용에도 불구하고 텅스텐 원자와의 충돌이 발생한다. 이것은 FASER 검출기와 해당 분광계로 검출할 수 있는 2차 입자로 뮤온을 생성한다. 연구를 위해 FASER 협력의 물리학자들은 이제 2022년 7월과 11월 사이에 양성자 충돌 중에 검출기에 의해 기록된 데이터를 평가했다.

그리고 실제로:
이 기간 FASER 탐지기를 통과한 수십억 개의 중성미자 중 153개의 입자가 측정 가능한 흔적을 남겼다. 처음으로 물리학자들은 입자 가속기에서 고에너지 중성미자를 감지하는 데 성공했다. 마인츠 대학교의 Matthias Schott는 "짧은 시간 후에 FASER는 인상적인 결과를 제공했다"고 말했다. 본 대학의 FASER 그룹 리더인 Florian Bernlochner는 다음과 같이 덧붙였다."FASER가 발견한 중성미자는 실험실에서 생산된 것 중 가장 에너지가 높다.“

▲ 설치 중일 때 FASER 중성미자 검출기 모습 © Maximilien Brice/ CERN

"새로운 물리학"을 찾을 수 있는 기회

LHC의 중성미자는 물리학자들에게 거의 포착되지 않는 고에너지 중성미자를 더 자세히 연구할 수 있는 기회를 제공합니다. "그들은 우리가 다른 방법으로는 찾을 수 없는 우주에 대한 무언가를 알려줄 수 있다"고 본 대학의 공저자인 Tobias Böckh는 말했다. "입자 물리학의 표준 모델에 나타나는 중성미자 외에도 우리는 주로 신비한 암흑 물질보다 표준 모델을 넘어서는 입자를 찾고 싶다.“

새로운 물리학의 그러한 징후는 예를 들어 세 가지 중성미자 유형의 비율의 이상일 수 있다. 이전에 인식할 수 없었던 상호 작용이나 입자를 가리킬 수 있다. 따라서 후속 연구에서 연구자들은 FASER에 의해 감지된 중성미자의 다른 특성을 조사하기를 원한다.
(57. Moriond Conference, Physical Review Letters, accepted)
출처: CERN, Johannes Gutenberg University Mainz, Rheinische Friedrich-Wilhelms University Bonn

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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