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- 삼중수소의 베타 붕괴를 측정 방법으로 사용하는 칼스루에(Karlsruhe)의 KATRIN 실험
- KATRIN; 중성미자에 대한 세계 최대의 "저울"
- 2025년 부터 제4의 중성미자 '무균 중성미자'검출에 TRISTAN 사용

중성미자 질량의 새로운 상한선
KATRIN(Karlsruhe Tritium Neutrino) 실험은 소립자의 질량을 최대 0.8전자볼트로 제한한다.

물리학자들이 처음으로 중성미자의 질량을 0.8eV(전자볼트) 미만으로 제한하는 데 성공했다. 이는 양성자 질량의 10억 분의 1 미만에 해당한다. 새로운 값은 팀이 "Nature Physics"에 보고한 바와 같이 표준 모델과 우주론에 중요한 이러한 기본 입자를 푸는 중요한 단계다. 이 측정은 삼중수소의 베타 붕괴를 측정 방법으로 사용하는 칼스루에(Karlsruhe)의 KATRIN 실험으로 가능했다. 

▲ "중성미자 균형" KATRIN의 주 분광기의 모습. 이 시설을 통해 중성미자 질량은 처음으로 0.8전자볼트 미만으로 제한되었다. © Markus Breig / KIT

중성미자는 우리 우주에서 가장 흔하고 동시에 가장 신비한 입자에 속한다.
이 소립자는 물질과 거의 상호작용을 하지 않고, 질량이 거의 없으며 세 가지 유형으로 즉석에서 서로 변환할 수 있다. 동시에 이 "유령 입자"는 반물질과 물질 사이의 신비한 불균형에서 표준 모델을 넘어선 "새로운 물리학", 아직 알려지지 않은 암흑 물질 입자에 이르기까지 아직 설명되지 않은 우주 현상에서 중요한 역할을 할 수 있다.

이 모든 미해결 질문에 대한 결정적인 요소는 지금까지 알려지지 않은 크기인 중성미자의 질량이다. 입자 물리학의 표준 모델에 따르면 이러한 입자는 실제로 질량이 없어야 한다. 그러나 중성미자 진동의 발견은 이것을 반증했다. 따라서 세 가지 유형의 중성미자는 작지만 독특한 질량을 가지고 있다. 이론적인 모델과 이전 측정은 이 값을 2에서 0.02전자볼트 사이로 제한한다.

KATRIN - 중성미자를 위한 "저울“

그러한 휘발성 입자의 질량을 어떻게 측정할까?
여기에서 중성미자에 대한 세계 최대의 "저울"인 KATRIN 실험이 시작됐다. KIT(Karlsruhe Institute of Technology)의 70미터 길이 시설은 측정을 위한 기초로 방사성 삼중수소 가스의 베타 붕괴를 사용한다. 이 붕괴 동안 전자와 반중성미자가 방출된다. 이 반중성미자는 직접 탐지할 수 없고 그 질량도 측정할 수 없지만 전자의 질량은 측정할 수 있다.

▲ 주요 구성 요소는 레이블이 지정된다. β-전자의 이동과 운동량 p의 자기 단열 시준이 설명된다. a-f, 삼중수소 소스에 대한 보기는 β 붕괴 중 분자 여기(a), 가스 분자에서 전자 산란(b) 및 소스 Usrc(r, z)에서 전위의 공간적 분포의 세 가지 체계적인 효과를 나타낸다. (c). 분광계에 대한 보기는 분광계의 부피 내부 라돈 붕괴에서 발생하는 주요 배경 프로세스를 보여준다. (e) 와 두 분광기 사이의 Penning 트랩에서 생성된 양이온(f). 라돈 붕괴 또는 리드버그 원자 이온화의 결과로 부피에서 생성된 저에너지 전자는 초점면 검출기를 향해 qUana에 의해 가속되어 신호 전자와 구별할 수 없게 만들 수 있다. (출처: 관련논문 Direct neutrino-mass measurement with sub-electronvolt sensitivity)

중성미자가 질량을 가진다면 에너지와 전자의 질량은 삼중수소 붕괴 동안 방출되는 총 에너지보다 정확히 이 비율이 작아야 한다. KATRIN 실험은 전자 에너지의 이러한 작은 편차를 측정한다. 이를 위해 삼중수소 가스의 붕괴 동안 생성된 전자는 초전도 자석의 도움으로 분광계로 안내된다. 이것은 특정 에너지까지만 전자를 통과하도록 조정될 수 있다. 이는 필터처럼 작동한다. 분광계 뒤에는 이러한 전자의 에너지를 매우 정밀하게 측정할 수 있는 검출기가 있다.

2019년 KATRIN 실험의 첫 번째 실행 동안 물리학자들은 KATRIN을 사용해 반중성미자와 중성미자의 질량을 최대 1전자볼트로 제한했다. 그 이후로 시스템은 두 번째 런타임에서 훨씬 더 정밀한 측정이 가능하도록 더욱 최적화됐다.

새로운 상한선 0.8전자볼트

이제 이러한 새로운 측정 결과를 사용할 수 있다. 전자 중성미자의 질량은 0.8전자볼트 미만이어야 한다. 따라서 중성미자의 질량은 양성자의 10억분의 1 미만이다. 처음으로 중성미자 질량의 상한선을 1전자볼트 값 아래로 낮추는 것이 가능하여 모델이 이 질량을 배치하는 범위에 더 가까워졌다.

▲ 오차 막대는 결합된 통계 및 시스템 불확실성에서 생성된다. 참고문헌: 로스 알라모스(1991)67, 도쿄(1991)68, 취리히(1992)69, 마인츠(1993)70, 베이징(1993)71, 리버모어(1995)72, 트로이츠크(1995)73, 마인츠(1999)13 , Troitsk(1999)74, Mainz(2005)75, Troitsk(2011)76, KATRIN(2019)17,18 및 KATRIN(2021); 이번 작품, KATRIN(결합): KATRIN(2019)과 KATRIN(2021)이 결합됐다. Los Alamos 및 Livermore에서 발표된 기체 삼중수소 결과는 현재 최신 최종 상태 분포와 비교해 다른 분자 최종 상태 분포를 사용해 분석됐다. 이러한 초기 분포는 보고된 음의 m2ν 중심 값77에 기여하는 것으로 나타났다. (출처: 관련논문)

"이제 우리는 우주론 모델과 무관한 중성미자 질량에 대한 정보를 갖게 되었으며, 이는 이제 우주론의 비표준 모델을 확인하는 데에도 사용할 수 있다." 또한 간섭 신호를 줄이고 신호 속도를 높여 측정 정확도를 크게 높이는 데 성공했다. 이전 측정과 비교해 통계적 및 시스템적 불확실성은 각각 3배 및 2배 감소되었다.

무균 중성미자 검색

KATRIN 협업의 목표는 이제 "중성미자 균형"의 정확도를 더욱 높이는 것이다.
“중성미자 질량에 대한 추가 측정은 2024년 말까지 계속될 것이다. 이 독특한 실험의 잠재력을 최대한 활용하기 위해 신호 이벤트의 통계를 지속적으로 증가시킬 뿐만 아니라 성가신 이벤트 비율을 더욱 줄이기 위한 개선 사항을 지속적으로 개발 및 설치할 것이다"고 과학자들이 설명했다.

2025년부터 KATRIN은 물리학자들이 "무균" 중성미자(가상의 네 번째 유형의 중성미자)를 검색하는 데 사용하고자 하는 새로운 TRISTAN 검출기 시스템으로 보완될 것이다. 존재한다면 암흑 물질 입자의 후보 중 하나로 간주된다.
(Nature Physics, 2022; doi: 10.1038/s41567-021-01463-1)
출처: Karlsruhe Institut für Technologie, Max-Planck-Institut für Physik

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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