우주의 비밀을 푸는 열쇠, 중성미자

우주가 어떻게 시작되었는지에 대한 근본적인 질문에 답하기 위해 물리학자들은 우주를 구성하는 가장 작은 입자에 대한 연구를 진행하고 있다.

신시내티 대학교의 알렉산드레 소우사 교수는 빛의 속도에 가깝게 초당 수조 개씩 우리를 통과하는 아주 작은 입자인 중성미자의 행동에 대한 향후 10년간의 글로벌 연구를 개요화하는 데 기여했다.

중성미자는 태양의 핵융합 반응, 원자로나 지각의 방사성 붕괴, 또는 입자 가속기 실험실에서 생성된다. 이동하면서 세 가지 유형 또는 "맛" 중 하나로 전환할 수 있다.

 

그러나 예상치 못한 실험 결과로 인해 물리학자들은 '무균 중성미자'라고 불리는 또 다른 중성미자의 존재를 의심하게 되었다. 이 입자는 알려진 네 가지 '힘' 중 세 가지에 면역인 것으로 보인다.

소우사 교수는 "이론적으로는 중력과 상호작용하지만, 약한 핵력, 강한 핵력, 전자기력과는 상호작용하지 않는다"고 말했다.

Journal of Physics G에 발표된 새로운 백서에서 소우사와 그의 공동 저자들은 연구원들을 당혹스럽게 한 중성미자 탐사의 실험적 이상 현상에 대해 논의했다.

그들의 집단적 비전은 2023년에 발표된 최종 보고서에서 의회에 직접적인 자금 지원을 권고한 입자 물리학 프로젝트 우선순위 패널(P5)에 의해 과학 자금 조달 시나리오와 함께 설명되고 대조된다.

신시내티 대학교의 유레 주판 교수는 "중성미자 물리학의 진전은 여러 측면에서 기대된다"고 말했다.

무균 중성미자의 탐색 외에도, 주판 교수는 물리학자들이 데이터와 이론 간의 불일치인 몇 가지 실험적 이상 현상을 살펴보고 있으며, 향후 실험을 통해 검증할 수 있을 것이라고 말했다.

 

 

우주의 비밀을 쥐고 있는 중성미자 연구

만약 빅뱅이 물질과 반물질을 동일한 양으로 생성했다면, 왜 우주에는 반물질보다 물질이 더 많은지에 대한 의문이 남는다. 소우사 교수는 중성미자 연구가 이 질문에 대한 해답을 제공할 수 있다고 말했다.

"일상생활에 큰 영향을 미치지는 않지만, 우리는 왜 우리가 여기에 있는지 이해하려고 노력한다"고 소우사 교수는 말했다. "중성미자는 이러한 매우 심오한 질문에 대한 해답의 열쇠를 쥐고 있는 것 같다."

 

소우사 교수는 페르미 국립 가속기 연구소에서 진행하는 DUNE(Deep Underground Neutrino Experiment)이라는 가장 야심찬 중성미자 프로젝트 중 하나에 참여하고 있다. 연구팀은 중성미자 검출기를 설치하기 위해 지하 5,000피트의 폐쇄된 홈스테이크 금광을 굴착했다. 소우사 교수는 엘리베이터로 검출기 동굴에 도달하는 데만 약 10분이 걸린다고 말했다.

연구원들은 우주선과 배경 방사선으로부터 검출기를 차단하기 위해 지하 깊은 곳에 검출기를 설치한다. 이렇게 하면 실험에서 생성된 입자를 더 쉽게 분리할 수 있다.

"이 두 개의 검출기 모듈과 가장 강력한 중성미자 빔을 사용하면 많은 과학 연구를 수행할 수 있다"고 소우사 교수는 말했다. "DUNE이 온라인 상태가 되면 매우 흥미로울 것이다. 이것은 역사상 최고의 중성미자 실험이 될 것이다."

이 논문은 소우사를 포함하여 118개 대학이나 연구소의 170명 이상의 기여자와 14명의 편집자가 참여한 야심찬 작업이었다.

 

"다양한 과학자 그룹과 협력한 매우 좋은 예였다. 항상 쉽지는 않지만, 잘 협력하면 즐겁다"고 그는 말했다.

한편, 소우사 교수와 UC의 아담 아우리사노 부교수는 중성미자가 어떻게 그리고 왜 맛이 변하는지 연구하는 또 다른 페르미랩 중성미자 실험인 NOvA에 참여하고 있다. 6월에 그의 연구팀은 최신 연구 결과를 보고했으며, 지금까지 가장 정밀한 중성미자 질량 측정을 제공했다.

Hyper-Kamiokande(Hyper-K)라고 불리는 또 다른 주요 프로젝트는 일본에서 건설 중인 중성미자 관측소 및 실험이다.

"DUNE과 함께 결합하면 매우 흥미로운 결과를 얻을 수 있을 것이다. 따라서 두 실험을 결합하면 우리의 지식이 크게 발전할 것이다"고 소우사 교수는 말했다. "2030년대에는 몇 가지 답을 얻을 수 있을 것이다."