STEREO 실험은 네 번째 유형 중성미자의 존재를 반박한다.
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-01-16 21:25:06
3'00" 읽기
- 2011년 이후로 연구용 원자로에서 중성미자 측정의 이상 현상은 미스터리
- 멸균 중성미자는 약한 핵력을 통해 상호 작용하지 않아 기존 방법으로는 감지 불가능
- 최종 확인하기 위해 2017년 그레노블 라우에-랑주뱅 연구소 핵 구용 원자로에서 STEREO 실험 시작
- 데이터에 따르면 이 네 번째 멸균 유형의 뉴트리노가 존재한다는 것은 거의 불가능
뉴트리노는 파악하기 어렵다. 무엇보다도 방사성 붕괴, 태양 및 고에너지 우주 사건에서 형성되는 기본 입자는 거의 질량이 없으며 일반 물질과 거의 상호 작용하지 않는다. 입자 물리학의 표준 모델에 따르면 중성미자에는 전자 중성미자, 뮤온 중성미자 및 타우 중성미자의 세 가지 유형이 있다. 그러나 이들은 소위 진동으로 인해 비행 중에 한 유형에서 다른 유형으로 변경될 수 있다.
불가사의한 변칙
그러나 2011년 이후로 연구용 원자로에서 중성미자 측정의 이상 현상은 미스터리였다. 방사성 베타 붕괴로 인해 실제 있어야 하는 것보다 약 6% 적은 반뉴트리노가 탐지기에 정기적으로 도착한다. 일부 물리학자들은 이것을 표준 모델에 포함되지 않은 네 번째 유형의 중성미자가 존재한다는 표시로 본다. 다른 유형과 달리 이러한 멸균 중성미자는 약한 핵력을 통해 상호 작용하지 않는다고 하며 따라서 기존 방법으로는 감지할 수 없다.
그 이후로 실험에서도 모순된 데이터를 제공하기 때문에 이러한 멸균 중성미자가 존재하는지에 대해 논란이 있었다. 미국의 MiniBOONE 실험은 일부 측정에서 중성미자 진동의 이상을 감지했지만 다른 측정에서는 감지하지 못했다. 한편, 남극점에 있는 IceCube 중성미자 검출기는 포착한 중성미자 중에서 멸균 중성미자에 대한 어떠한 증거도 찾을 수 없었다.
STEREO 실험 결과 이상異常 확인
멸균 중성미자에 대한 의문을 최종적으로 명확히 하기 위해 2017년 프랑스 그레노블에 있는 라우에-랑주뱅 연구소의 핵 연구용 원자로에서 STEREO 실험이 시작되었다. 그 안에는 6개의 동일한 탐지기가 우라늄-235의 방사성 베타 붕괴에 의해 생성된 반뉴트리노를 포착한다. 멸균 중성미자와 반중성미자가 있는 경우, 모델이 예측하는 것보다 적은 수의 반중성미자가 시험 반응로에서 9~11미터 떨어진 이 탐지기에 등록되어야 한다.
이제 STEREO 협업의 물리학자들이 결과를 발표했다. 그들은 실험이 진행되는 동안 감지된 10만7천 개 이상의 반중성미자를 기반으로 한다. "STEREO 실험은 우라늄-235 붕괴에서 현재까지 반중성미자 스펙트럼의 가장 정확한 측정을 제공한다"고 팀은 말했다. 그러나 그들은 데이터에서 이상 현상을 발견했다. 모델에서 예측한 것보다 약 5.5% 적은 반뉴트리노가 감지기에 도착했다.
하지만 멸균 중성미자는 아니다.
멸균 중성미자가 이러한 불일치의 원인일까? 이것이 바로 STEREO 실험이 높은 확실성을 가지고 반박하는 것이다. 일부 전자 반중성미자가 멸균 중성미자로 변환되는 것이 원인이라면 원자로에서 서로 다른 거리에 설치된 6개의 검출기는 에너지 분포에서 위치에 따른 왜곡을 보여야 하기 때문이다. 하지만 그렇지 않았다. "그러므로 STEREO 데이터는 이상 현상에 대한 설명으로서 멸균 중성미자와 강한 모순이 있다"고 물리학자들은 말했다.
즉, 이 데이터에 따르면 이 네 번째 멸균 유형의 뉴트리노가 존재한다는 것은 거의 불가능하다. 따라서 결과는 입자 물리학의 표준 모델과 거기에 설명된 세 개의 서로 다른 중성미자의 존재를 뒷받침한다. 이 연구에 참여하지 않은 베이징 고에너지물리학연구소의 물리학자 Jun Cao는 "인상적인 정밀도를 가진 STEREO 실험은 이 가설을 묻어버리지만 다른 사람들을 위한 분야를 열어준다"고 말했다. "설명 검색이 계속됩니다.“
원인은 다른 곳에
STEREO 협업의 물리학자들은 그들이 측정한 이상 현상이 참조로 사용된 붕괴 모델의 오류 때문이라고 생각한다. "우리의 결과는 원자로에서 수집된 모든 중성미자 데이터의 최근 글로벌 분석을 확인한다"고 팀은 설명한다. "이것은 우라늄-235 붕괴의 베타 스펙트럼에서 정규화 오류를 나타낸다." 실험과 사양의 편차는 측정값을 기반으로 하는 것이 아니라 참조 모델의 불확실성을 과소평가한 것이다.
향후 분석 및 측정을 통해 이것이 실제로 사실인지 명확히 해야 한다. 현재 STEREO로 결정된 반중성미자 스펙트럼은 예를 들어 중성미자의 질량 계층 구조를 결정하거나 낮은 에너지에서 표준 모델을 확인하기 위해 향후 고정밀 원자로 실험을 위한 참조 스펙트럼 역할을 하기 위한 것이다. 또한 이러한 유형의 정밀 측정은 예를 들어 원자로 정지 중에 발생하는 현상을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-022-05568-2)
출처: 네이처, 막스플랑크 핵물리연구소
- 2011년 이후로 연구용 원자로에서 중성미자 측정의 이상 현상은 미스터리
- 멸균 중성미자는 약한 핵력을 통해 상호 작용하지 않아 기존 방법으로는 감지 불가능
- 최종 확인하기 위해 2017년 그레노블 라우에-랑주뱅 연구소 핵 구용 원자로에서 STEREO 실험 시작
- 데이터에 따르면 이 네 번째 멸균 유형의 뉴트리노가 존재한다는 것은 거의 불가능
“멸균” 뉴트리노를 찾고 있습니까?
STEREO 실험은 네 번째 유형의 중성미자의 존재를 반박한다.
변칙은 남아 있지만 네 번째 유형의 뉴트리노는 아니다. 이 가설을 테스트하기 위해 특별히 수행된 STEREO 실험의 결과는 이제 이러한 입자의 존재가 틀렸음을 입증했다. 3년 동안의 측정 후에도 검출된 중성미자 양의 이상 현상이 남아 있었지만, 이는 중성미자가 네 번째 유형으로 변형된 것으로 설명할 수 없다고 "네이처"지에 물리학자들이 발표했다.
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| ▲ 입자물리학의 표준모형에 따르면 중성미자의 종류는 세 가지뿐이다. 그러나 측정치의 이상 현상은 네 번째 변종인 멸균 중성미자에 해당하는 것으로 보인다. © Fermi National Accelerator Laboratory |
뉴트리노는 파악하기 어렵다. 무엇보다도 방사성 붕괴, 태양 및 고에너지 우주 사건에서 형성되는 기본 입자는 거의 질량이 없으며 일반 물질과 거의 상호 작용하지 않는다. 입자 물리학의 표준 모델에 따르면 중성미자에는 전자 중성미자, 뮤온 중성미자 및 타우 중성미자의 세 가지 유형이 있다. 그러나 이들은 소위 진동으로 인해 비행 중에 한 유형에서 다른 유형으로 변경될 수 있다.
불가사의한 변칙
그러나 2011년 이후로 연구용 원자로에서 중성미자 측정의 이상 현상은 미스터리였다. 방사성 베타 붕괴로 인해 실제 있어야 하는 것보다 약 6% 적은 반뉴트리노가 탐지기에 정기적으로 도착한다. 일부 물리학자들은 이것을 표준 모델에 포함되지 않은 네 번째 유형의 중성미자가 존재한다는 표시로 본다. 다른 유형과 달리 이러한 멸균 중성미자는 약한 핵력을 통해 상호 작용하지 않는다고 하며 따라서 기존 방법으로는 감지할 수 없다.
그 이후로 실험에서도 모순된 데이터를 제공하기 때문에 이러한 멸균 중성미자가 존재하는지에 대해 논란이 있었다. 미국의 MiniBOONE 실험은 일부 측정에서 중성미자 진동의 이상을 감지했지만 다른 측정에서는 감지하지 못했다. 한편, 남극점에 있는 IceCube 중성미자 검출기는 포착한 중성미자 중에서 멸균 중성미자에 대한 어떠한 증거도 찾을 수 없었다.
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| ▲ Grenoble 연구 원자로에 STEREO 감지기 설치. © MPI 핵물리학 연구소 |
STEREO 실험 결과 이상異常 확인
멸균 중성미자에 대한 의문을 최종적으로 명확히 하기 위해 2017년 프랑스 그레노블에 있는 라우에-랑주뱅 연구소의 핵 연구용 원자로에서 STEREO 실험이 시작되었다. 그 안에는 6개의 동일한 탐지기가 우라늄-235의 방사성 베타 붕괴에 의해 생성된 반뉴트리노를 포착한다. 멸균 중성미자와 반중성미자가 있는 경우, 모델이 예측하는 것보다 적은 수의 반중성미자가 시험 반응로에서 9~11미터 떨어진 이 탐지기에 등록되어야 한다.
이제 STEREO 협업의 물리학자들이 결과를 발표했다. 그들은 실험이 진행되는 동안 감지된 10만7천 개 이상의 반중성미자를 기반으로 한다. "STEREO 실험은 우라늄-235 붕괴에서 현재까지 반중성미자 스펙트럼의 가장 정확한 측정을 제공한다"고 팀은 말했다. 그러나 그들은 데이터에서 이상 현상을 발견했다. 모델에서 예측한 것보다 약 5.5% 적은 반뉴트리노가 감지기에 도착했다.
하지만 멸균 중성미자는 아니다.
멸균 중성미자가 이러한 불일치의 원인일까? 이것이 바로 STEREO 실험이 높은 확실성을 가지고 반박하는 것이다. 일부 전자 반중성미자가 멸균 중성미자로 변환되는 것이 원인이라면 원자로에서 서로 다른 거리에 설치된 6개의 검출기는 에너지 분포에서 위치에 따른 왜곡을 보여야 하기 때문이다. 하지만 그렇지 않았다. "그러므로 STEREO 데이터는 이상 현상에 대한 설명으로서 멸균 중성미자와 강한 모순이 있다"고 물리학자들은 말했다.
즉, 이 데이터에 따르면 이 네 번째 멸균 유형의 뉴트리노가 존재한다는 것은 거의 불가능하다. 따라서 결과는 입자 물리학의 표준 모델과 거기에 설명된 세 개의 서로 다른 중성미자의 존재를 뒷받침한다. 이 연구에 참여하지 않은 베이징 고에너지물리학연구소의 물리학자 Jun Cao는 "인상적인 정밀도를 가진 STEREO 실험은 이 가설을 묻어버리지만 다른 사람들을 위한 분야를 열어준다"고 말했다. "설명 검색이 계속됩니다.“
원인은 다른 곳에
STEREO 협업의 물리학자들은 그들이 측정한 이상 현상이 참조로 사용된 붕괴 모델의 오류 때문이라고 생각한다. "우리의 결과는 원자로에서 수집된 모든 중성미자 데이터의 최근 글로벌 분석을 확인한다"고 팀은 설명한다. "이것은 우라늄-235 붕괴의 베타 스펙트럼에서 정규화 오류를 나타낸다." 실험과 사양의 편차는 측정값을 기반으로 하는 것이 아니라 참조 모델의 불확실성을 과소평가한 것이다.
향후 분석 및 측정을 통해 이것이 실제로 사실인지 명확히 해야 한다. 현재 STEREO로 결정된 반중성미자 스펙트럼은 예를 들어 중성미자의 질량 계층 구조를 결정하거나 낮은 에너지에서 표준 모델을 확인하기 위해 향후 고정밀 원자로 실험을 위한 참조 스펙트럼 역할을 하기 위한 것이다. 또한 이러한 유형의 정밀 측정은 예를 들어 원자로 정지 중에 발생하는 현상을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-022-05568-2)
출처: 네이처, 막스플랑크 핵물리연구소
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