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- 약하게 상호작용하는 전하를 띠지 않은 기본 입자인 중성미자는 0이 아닌 질량을 갖는 것으로 밝혀졌지만, 그 정확한 값은 아직 알려지지 않았다.
- 독일 칼스루에에 있는 세계 유일 KATRIN 실험 덕분에 중성미의 질량을 더 줄이는 데 성공
- 현재 결과: 물리학자들은 "최상의 결과를 바탕으로 90%의 신뢰 구간에서 m<0.45eV의 상한

중성미자는 생각보다 가벼운가?
KATRIN 실험, 중성미자 질량의 새로운 상한선 제시

"유령 입자"가 눈앞에 다가왔다. 물리학자들은 독일 칼스루에(Karlsruhe)에 있는 세계 유일의 KATRIN 실험 덕분에 중성미자의 질량을 더욱 줄이는 데 성공했다. 연구팀에 따르면, 우주론에 중요한 이러한 기본 입자의 "무게"는 0.45eV(전자볼트) 미만이다. 이는 전자 질량의 백만분의 1보다 작다. 연구팀이 "Science"에 보고한 바에 따르면. 이러한 측정은 우주론적 가정과 무관하므로 기본적인 물리적 과정을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 

▲ KATRIN 실험의 내부 모습. 이를 통해 물리학자들은 중성미자 질량의 상한을 더욱 좁혔다. © Markus Breig/ KIT

매초 수십억 개의 중성미자가 우리가 알아차리지 못하는 사이에 우리 몸을 통과한다. 이러한 기본 입자는 물질과 거의 상호 작용하지 않기 때문이다. 그런데도, 그들은 우리의 표준 모형과 우주론 및 물리학의 많은 근본적인 질문, 즉 반물질과 물질의 불균형부터 표준 모형을 넘어서는 "새로운 물리학"과 아직 알려지지 않은 암흑 물질의 입자에 이르기까지 중요한 역할을 한다.

약하게 상호작용하는 전하를 띠지 않은 기본 입자인 중성미자는 0이 아닌 질량을 갖는 것으로 밝혀졌지만, 그 정확한 값은 아직 알려지지 않았다. 이는 일반적으로 매우 신뢰할 수 있는 입자 물리학 표준 모형이 예측하는 바와 다르며, 따라서 중성미자 질량 측정은 이 모형으로는 설명할 수 없는 물리학적 단서를 제공할 수 있다. KATRIN 협력단은 분자 삼중수소의 베타 붕괴를 이용하여 특정 중성미자의 반입자 질량을 직접 측정했다(가스탈도의 관점 참조). 연구진은 실험의 처음 다섯 번의 실행 데이터를 결합하여 중성미자 질량의 상한을 이전 결과보다 두 배로 줄였다.

사이언스 편집자 요약
중성미자의 정확한 질량을 알 수 없다면 이러한 질문 중 대부분은 답할 수 없다. 표준모형에 따르면, 이러한 입자는 실제로 질량이 전혀 없어야 한다. 하지만 이는 중성미자 진동, 즉 중성미자가 비행 중에 세 가지 유형 중 하나에서 다른 유형으로 문자 그대로 변환될 수 있는 능력과 모순된다. 이 세 가지 "맛"은 각 유형의 중성미자가 약간 다른 질량을 가져야 한다는 것을 의미한다. ——Jelena Stajic 옐레나 스타지치

"에너지 갭"이 중성미자 질량을 드러낸다

도대체 파악하기 어려운 입자의 질량을 어떻게 측정할 수 있을까?
여기서 KATRIN(KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment) 실험이 등장한다. 이는 전 세계적으로 독특한 중성미자 "척도"다. 70m 길이의 시설에서 고감도 분광기가 방사성 삼중수소의 베타 붕괴를 측정한다. 이로 인해 전자와 반중성미자가 방출되는데, 이 둘의 에너지는 합쳐서 16,800eV에 달해야 한다.

따라서 전자의 최대 에너지로부터 중성미자의 에너지 점유율을 결정하는 것이 가능하며, 아인슈타인의 유명한 공식 E=mc²에 따르면 이는 입자의 질량을 결정한다. KATRIN 협업의 물리학자들은 "이 접근법은 다른 방법과 달리 우주론적 모델과 중성미자의 본질로부터 독립적이다"며 "이러한 모델 독립성 덕분에 KATRIN은 입자 물리학과 우주론에 매우 귀중하다"고 설명했다.

연구팀은 이전에 KATRIN 결과를 두 번 평가한 적이 있으며, 이미 중성미자 질량의 상한을 좁히는 데 성공했고, 가장 최근에는 최대 0.8eV까지 낮추었다. 따라서 중성미자의 질량은 양성자의 10억분의 1보다 작다.

▲ KATRIN 실험의 설정. © KATRIN Collaboration

상한값이 이전에 측정한 값보다 낮음

이제 KATRIN 협업의 물리학자들이 새로운, 훨씬 더 정확한 결과를 발표했다. 이 연구는 2019년 3월부터 2021년 6월까지 진행된 5차례의 측정 캠페인을 기반으로 한다. 총 259일의 측정 기간에 연구팀은 삼중수소의 베타 붕괴에서 나온 약 3,600만 개의 고에너지 전자 에너지를 분석했다. 이는 이전 결과보다 6배 더 많은 수치다. 또한, 시스템과 감지기는 그동안 더욱 최적화되었다.

이를 통해 중성미자 질량의 상한을 더욱 좁힐 수 있게 되었다.
현재 결과: 물리학자들은 "최상의 결과를 바탕으로 90%의 신뢰 구간에서 m<0.45eV의 상한을 얻었다"고 기술했다. 따라서 중성미자 질량은 이전에 추정했던 것보다 다소 낮다.

2025년 말까지 측정

이것이 마지막은 아니다. KATRIN 실험은 2025년 말까지 계속될 예정이며, 그때쯤이면 1000일의 측정을 마칠 것으로 예상된다. 그러면 이러한 측정값의 최종 평가에는 현재 결과보다 5배 이상 많은 값이 포함될 수 있다. 물리학자들은 "현재의 작동 조건을 기준으로 볼 때, 0.3eV보다 더 나은 최종 감도를 달성할 것으로 기대한다"고 기술했다. 이를 통해 우리는 이 이해하기 힘든 기본 입자의 실제 질량에 한층 더 가까이 다가갈 수 있을 것이다.
(Science, 2025; doi: 10.1126/science.adq9592)
출처: Science

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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