4번째 중성미자

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4번째 중성미자

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2011-12-02

물리학자들은 중성미자(그리고 반중성미자)에는 전자와 뮤온 그리고 타우 이렇게 세 종류가 있다고 알고 있다. 여러 실험에서, 연구자들은 각각의 중성미자를 감지했으며, 심지어는 그들이 그것들 사이에서 왔다갔다하는 것을 발견하기도 하였다. 그러나 90년대 초, 일부 실험에서 이상한 점이 발견되었다. 뮤온 반중성미자가 전자 반중성미자내에서 예상치보다도 3%나 높은 비율로 진동하고 있는 것이다. 그러한 움직임이 지난 수십년 동안 구축되어온 아원자 입자 이론인 표준 모델을 수정하더라도, 물리학자들은 특정 질량을 가진 4번째 중성미자를 추가함으로써 이러한 착오를 수정할 수 있었다. 새로운 연구에서, 몇몇 물리학자들은 4번째 중성미자의 존재에 대한 실험을 해야 한다고 생각한다. Physical Review Letters 최근호에 발표된 연구에서, Micahel Cribier와 그의 동료는 4번째 중성미자가 과연 있는지를 밝혀낼 실험을 제안했다. 만약 그것이 실제로 존재한다면, 중성미자 연구에 엄청난 의미를 부여할 뿐만이 아니라, 물질에 대한 전반적인 이해를 구축할 수 있을 것이다. 90년대 초, 로스 알라모스 국립 연구소에서 시행된 액체 신틸레이터 중성미자 감지기(LSND) 실험에서 무엇인가가 이상했다. 이 실험에서, 반뮤온 광선은 목표물을 맞추자, 예상치보다 많은 수의 반전자 중성미자가 진동했다. 다른 말로 하자면, 반중성미자 진동이 예상보다 빠른 속도로 일어났다. 그러나 Cribier와 그의 동료가 4번째 중성미자 실험을 시행한 주요 동기는 보다 최근의 결과에 있었는데, 그것은 원자로 반중성미자 이상이다. 최근의 실험에서, 프랑스 원자력 위원회(CEA)의 일부 물리학자들은 1980년대 처음으로 계산되었던 핵 원자로내의 반중성미자 생산율을 다시 계산하였다. 향상된 기술을 이용하여, 과학자들은 반중성미자 생산율이 이전에 예측했던 것보다 약 3% 높다고 예측했다. 새로운 예측을 다시 평가했을 때도, 3%의 반중성미자 과잉율은 여전하였다. 같은 물리학자들이 20개 이상의 이전 원자로 중성미자 실험 결과를 재분석하였고, 더 많은 착오를 발견하였다. 이러한 착오를 가장 간단하게 설명할 수 있는 것이 4번째 중성미자의 존재이다. 물리학자들은 4번째 중성미자의 질량을 예측했고, 그것이 ‘불임’일 것이라고 결정했다. 왜냐하면, 그것은 다른 중성미자들과는 달리 약한 핵력을 통해서 물질과 상호 작용하지 않기 때문이다. 이 속성으로 4번째 중성미자는 감지하기가 매우 어렵다. 일부 물리학자들은 그것이 암흑 물질의 일종이라고 의심하기도 한다. 이 가상 입자에 대한 너무나 많은 의미 부여에, Cribier와 그의 동료는 이것의 존재 여부를 위해서 분명한 실험을 제안했다. 이 실험은 대형 액체 신틸레이터 감지기(LLSD)의 중앙에 있는 목표물에 1.85 PBq 반전자 중성미자 등방성 입자(약 10그램, 또는 4센티미터 미만)을 발사하는 것을 포함한다. 가능한 탐지기는 나일론이나 아크릴 용기 내부에 약 천 톤의 초고순도 액체 신틸레이터를 담고 있는 Borexino와 KamLAND 그리고 SNO+를 포함한다. 반전자 중성미자 발전기는 세륨 핵과 같이 소모 연료봉에서 추출할 수 있는 핵 원자로의 일반적인 핵분열 제품인 방사성 선원으로 구성되어 있다. 명확한 결과를 위하여, 이 시험은 일 년동안 실행될 것이다. 만약 목표물 발사가 불임 중성미자로 결론지어지면, 과학자들은 중성미자의 존재를 확인하기 위하여 고유의 진동 신호를 측정할 수 있다. “정의에 의하면, 불임 중성미자는 직접적 검출을 가능케하는 상호 작용을 유도할 수 없다. 그럼에도 불구하고, 이론은 세 개의 일반 중성미자와 하나의 불임 중성미자 사이의 진동을 예측한다. 따라서 불임 중성미자의 실험적 신호는 4번째 중성미자의 질량들과 혼합으로 제어하는 에너지와 거리의 조절을 이용한 일반 중성미자의 상호 작용 관찰로 이루어진다. 질량(eV 규모)과 원자로 반중성미자 이상을 설명할 수 있는 불임 중성미자와의 결합은 전형적인 에너지인 1-2 MeV의 중성미자/반중성미자 상호 작용이 몇 미터에 걸린 몇 %의 공간 변조를 유도한 것과 같다. 따라서, 만약 강렬한 중성미자원이 구면의 액체 신틸레이터 감지기 중앙에 위치해 있다면, 상호 작용이 정점에 이르는 지름 분포는 사인 곡선 변조의 중앙 고른 분포를 벗어날 것이다. 공간적 주기은 불임 중성미자의 질량에 반비례하는 반면, 진폭은 4번째 중성미자와 일반 전자 중성미자 사이의 결합의 함수이다.”라고 CEA의 Thierry Lasserre가 말했다. Lasserre는 이 제안된 실험이 중성미자 원천의 작은 크기때문에 다른 실험들에 비해서 4번째 중성미자의 존재에 관한 큰 확신을 제공할 것이라고 설명했다. “표준 가속기나 원자로 중성미자 실험을 통해서 이러한 진동을 관찰하는 것은 어렵다. 왜냐하면, 진동 길이나 매우 짧기 때문이다. 소형 방사성 중성미자원은 그러한 진동을 관찰 할 수 있는 새로운 문을 제공했다. 중성미자원의 작은 공간적 크기 덕분에, 우리의 제안된 실험은 실제로 감지기내에 위치한 감지기 반경의 기능으로 반중성미자의 상호 작용에 따른 진동 행동을 볼 수 있는 가능성을 제공한다. 하위 %의 중성미자원 활동 지식에 의지 할 필요가 없다. 우리는 감지기내의 상대적인 진동 행동을 관찰한다.”라고 그는 말했다. 중성미자 실험이 가진 가장 큰 어려움은 소음을 배제하는 것인데, 이것은 잘못된 반응을 줄 수도 있다. 배경 소음은 환경이나 감지기, 반중성미자 자원 또는 자원의 실딩에 의해서 유도될 수 있다. 연구진이 분석(역 베타-붕괴)하고 있는 붕괴의 종류 가 특정한 지연 시간을 가지고 있기 때문에, 연구진은 이 실험이 거의 배경 소음이 없다는 장점을 가지고 있다고 설명한다. “이 실험의 가장 큰 기술적 도전은 반중성미자원 그 자체를 생산하는 것이며, 자원 주변에 두꺼운 실딩 물질을 제조하는 것이다. 이 실험에는 이러한 도전들과 키로톤(kiloton) 규모의 감지기가 필요하기 때문에, 많은 협력이 필요하다. 연구진은 그러한 실험을 수행하기 위한 논의를 시작했다. (그림)네 번째 중성미자 존재여부의 실험을 위하여, 액체 센틸레이터 검출기의 중심에 위치한 조그만 전자 반중성미자원(파랑)이 목표에 쏘여질 것이다. 빨강색은 검출기안의 거리의함수로 나타나는 반중성미자율의 진동을 표현한다. 만약 불임 중성미자가 목표의 폭격에 관련된어진다면 전자 반중성미자의 상호작용은 몇 미터의 몇 퍼센트의 공간 변조율을 보여줄 것이다.  Neu.jpg 출처 : http://www.physorg.com/news/2011-11-physicists-fourth-neutrino.html