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- 중성미자는 어디에나 존재하지만, 포착 어렵다.
- 거의 질량이 없는 이 입자들은 물질과 거의 상호 작용하지 않아
- 카를스루에 공과대학에 있는 70m 길이의 이 시설은 실제로 중성미자 질량을 가능한 한 정확하게 측정하도록 설계돼
- 전자 에너지 스펙트럼에서 식별 가능한 꼬임, 스펙트럼의 광범위한 왜곡 발견되지 않아

네 번째 유형의 중성미자의 종말?
KATRIN 실험 결과, "비활성" 중성미자의 존재 가능성 크게 축소

흔적 없음:
일부 우주의 미스터리는 아직 발견되지 않은 유형의 중성미자로 설명될 수 있었다. 그러나 이제 카를스루에에서 진행된 KATRIN 실험 결과는 이러한 "비활성" 중성미자의 존재 가능성을 상당히 낮춰준다. 물리학자들은 "네이처"에 보고한 바와 같이 3천600만 개의 전자 스펙트럼에서 이러한 가상 입자의 흔적을 발견하지 못했다. 이는 네 번째 유형의 중성미자의 존재 가능성을 크게 축소시킨다. 이것이 비활성 중성미자의 종말을 의미하는 것일까? 

▲ KATRIN 실험의 주 분광기 내부 모습. 이를 통해 물리학자들은 가상의 네 번째 중성미자 유형에 사용할 수 있는 공간을 상당히 줄였다. © Michael Zacher/ KIT, KATRIN Collaboration

중성미자는 어디에나 존재하지만, 포착하기 어렵다. 거의 질량이 없는 이 입자들은 물질과 거의 상호 작용하지 않는다. 복잡성을 더욱 가중시키는 것은 중성미자가 전자, 뮤온, 타우 중성미자, 세 가지 유형으로 존재한다는 것이다. 이러한 "중성미자 맛"은 말 그대로 공중에서 서로 변환될 수 있다. 그러나 이 중성미자 진동에서 일부 실험은 세 가지 알려진 중성미자 유형으로는 설명할 수 없는 이상 현상을 반복적으로 감지했다.

네 번째 유형의 중성미자가 존재할까?

그렇다면 아직 발견되지 않은 네 번째 유형의 중성미자가 존재할 수 있을까? 이러한 "불활성" 중성미자는 물질 및 다른 입자와 상호 작용하지 않으므로 직접 검출할 수 없다. 그러나 만약 존재한다면 암흑물질 입자부터 반물질에 이르기까지 우주의 미스터리를 해결할 수 있을 것이다.

▲ KATRIN 빔라인은 왼쪽에서 오른쪽으로 배열된 여섯 가지 주요 구성 요소로 구성된다. 후면 벽과 전자총, 창이 없는 기체 삼중수소 소스, 수송 및 펌핑 섹션, 전분광기와 주분광기, 그리고 전자가 기록되는 분할 초점면 검출기. 오른쪽 상단 그림은 삼중수소 β 붕괴 스펙트럼에서 질량 m4 = 10 eV인 네 번째 중성미자 상태의 예상 스펙트럼 특성을 보여준다. 킹크(kink) 특성은 E0 - m4에서 나타나는 반면, 전체 왜곡은 혼합 진폭 sin2(θee)에 의해 결정된다. 명확성을 위해 혼합 진폭을 과장하여 표시했다. (출처:Published: 03 December 2025 / Sterile-neutrino search based on 259 days of KATRIN data / Nature)

하지만 이 "숨겨진" 유형의 중성미자가 존재하는지는 논란의 여지가 있다. 중성미자 실험 결과가 서로 상충되기 때문이다. 알프스의 GALLEX나 미국의 MiniBOONE과 같은 일부 시설에서는 예상 중성미자 수에서 약간의 편차를 감지했다. 예를 들어 원자로나 중성미자 유도 갈륨 붕괴에서 발생하는 중성미자 등이 그 예다. 하지만 이 네 번째 유형 중성미자의 존재 여부는 여전히 불확실하다. 또한 극의 IceCube 중성미자 검출기나 그르노블의 STEREO 실험과 같은 다른 실험에서는 그러한 편차를 감지하지 못했다.

▲ 알려진 세 가지 중성미자 외에 네 번째 중성미자 유형이 있을까? © 페르미 국립 가속기 연구소

KATRIN과 3천600만 개의 전자

이제 또 다른 중성미자 실험이 시작됐다. 바로 KATRIN(Karlsruhe Tritium Neutrino)이다. 카를스루에 공과대학에 있는 70m 길이의 이 시설은 실제로 중성미자 질량을 가능한 한 정확하게 측정하도록 설계되었다. 고감도 분광기는 방사성 삼중수소의 베타 붕괴 동안 방출되는 전자의 에너지 스펙트럼을 측정한다. 이를 통해 생성된 중성미자의 에너지와 질량을 알 수 있다.

이 동일한 측정 방법은 네 번째 유형의 중성미자를 탐색하는 데에도 사용될 수 있다. KATRIN 협력 연구진은 "이러한 비활성 중성미자는 관찰된 전자 스펙트럼에 두 가지 흔적을 남길 것이다. 눈에 띄는 굽음과 일반적인 왜곡이다"고 설명했다. 따라서 이번 연구를 위해 연구팀은 259일 동안 검출 및 측정된 3천600만 개 이상의 전자 에너지 스펙트럼을 분석했다.

▲ 1000일 전체 데이터 세트를 사용한 KATRIN 민감도 예측 (출처:Published: 03 December 2025 / Sterile-neutrino search based on 259 days of KATRIN data / Nature)

"유의미한 신호 없음"

결과: 물리학자들은 "KATRIN 탐색에서 비활성 중성미자로부터 유의미한 신호가 발견되지 않았다"고 보고했다. 전자 에너지 스펙트럼에서 식별 가능한 꼬임이나 스펙트럼의 광범위한 왜곡은 발견되지 않았다. 연구팀은 KATRIN 실험이 방출된 전자의 에너지를 전자볼트 미만의 정밀도와 매우 낮은 배경 잡음으로 측정하기 때문에 이러한 결과의 신뢰성이 높다고 설명했다.

따라서 KATRIN 실험 결과는 비활성 중성미자가 숨어 있을 수 있는 에너지 및 질량 범위의 상당 부분을 배제한다. 따라서 가상 입자의 질량은 1eV(전자볼트)에서 수백 전자볼트 사이에 있을 수 없다. 다른 중성미자 실험에서 발생한 일부 이상 현상은 이 범위에 있었다. 하지만 이러한 가벼운 비활성 중성미자는 지속적으로 배제된다고 하이델베르크 막스 플랑크 핵물리학 연구소의 공동 저자인 티에리 라세르(Thierry Lasserre)는 말했다.

비활성 중성미자의 공간 대폭 축소

이는 비활성 중성미자가 숨을 수 있는 범위가 이제 상당히 줄어들었으며, 이 네 번째 유형의 중성미자가 존재할 확률도 상당히 감소했음을 의미한다. 앞으로 KATRIN 실험은 논란의 여지가 있는 입자에 대해 더욱 엄격한 한계를 설정할 수도 있다. 카를스루에 공과대학의 카트린 발레리우스(Katrin Valerius)는 "2025년 데이터 수집이 완료될 무렵에는 KATRIN이 해당 범위에서 2억 2천만 개 이상의 전자를 기록하여 통계량을 6배 이상 증가시킬 것"이라고 말했다.

2026년에는 KATRIN 실험에 추가 검출기가 추가되어 KATRIN의 범위를 확장하여 더 많은 무균 중성미자 질량을 포함할 수 있게 된다. 킬로전자볼트(keV) 질량 범위의 이러한 중성미자 유형은 아직 발견되지 않은 암흑물질 입자의 유력한 후보로 여겨진다.

참고: Nature, 2025; doi: 10.1038/s41586-025-09739-9
출처: Nature, Max-Planck-Institut für Kernphysik

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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