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우주에는 물질이 반물질보다 더 많이 있다.
실험에서 중성미자와 반 중성미자의 행동이 다르다는 것이 밝혀졌다.
뮤온-중성미자가 반입자보다 변형될 가능성이 더 높다는 것을 시사한다.

중성미자는 우리 우주의 존재를 설명할 수 있을까?
중성미자 진동에서 반물질과 물질 사이의 대칭 파괴 확인

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‘우주에는 물질이 반물질보다 더 많이 있다.’
이것은 물리학자들이 갖는 우리 존재에 대한 가정이다. 이제 중성미자가 답을 할 수 있을 것 같다. 일본에서 진행된 실험에서 중성미자와 반 중성미자의 행동이 다르다는 것이 밝혀졌다. 네이처 (Nature) 저널의 연구원에 따르면, 뮤온-중성미자를 전자-중성미자로 변환할 때 대칭이 깨지는 것은 물질의 지배에 대한 오랜 이유일 수 있다.

▲ 물리학자들이 Super Kamiokande 검출기를 통해 중성미자와 반중성미자 사이의 대칭 파괴의 첫 징후를 발견했다. © T2K Collaboration

이것은 물리학의 커다란 미스터리 중 하나이다.
빅뱅은 같은 양의 반물질과 물질을 만들어야 했지만 서로 상쇄하지 않았다.
대신 오늘날 우리 우주는 주로 물질로 구성돼 있다. 왜 그렇까?
물리학자들은 입자와 그 반입자 사이에 미묘한 차이가 있다고 가정한다.
이 소멸을 막는 것이 대칭의 파괴다.

이런 대칭이 깨지는 이유는 어디에 숨겨져 있을까?
반물질과 물질의 기본 특성에는 이러한 징후가 없다. 물리학자들은 소위 CP 불변이라고 불리는 일부 쿼크의 붕괴 행동에서만 차이점을 발견했다. 그러나 이것만으로는 우주에서 물질의 지배를 설명하기에 충분하지 않다.

중성미자 및 반중성자의 진동

이제 중성미자의 행동에 새로운 흔적이 있다.
이 질량이 거의 없는 입자는 전자, 타우 및 뮤온-중성미자의 세 가지 유형으로 제공된다.
이것들은 문자 그대로 한 유형의 중성미자에서 다른 유형의 중성미자로 비행 중에 변환할 수있는 특이성을 가지고 있다. T2K-Collaboration 연구원들은 이 중성미자 진동이 중성미자와 그 입자에서 다르게 작동하는지 여부를 조사했다.

연구진은 일본 토카이에 있는 실험장치에서 뮤온 중성미자 또는 뮤온-반중성미자 전류를 생성해 일본 산을 관통한 거의 300km를 슈퍼-카미오칸데 감지기로 보냈다. 거기서 그들은 얼마나 많은 이들 입자가 전자-중성미자 또는 전자-반중성미자로 전환되었는지 기록했다.
2009년부터 2018년까지의 "Tokai to Kamiokande"실험 (T2K)의 데이터를 볼 수 있다.

▲ 전자 중성미자에서 Super Kamiokande 검출기의 방사선 패턴 © T2K Collaboration

발견된 차이점

검출기에서 물리학자는 완전한 대칭에서 예상되는 것보다 약간 적은 전자-반중성미자를 등록됐다. 이것은 뮤온-중성미자가 반입자보다 변형될 가능성이 더 높다는 것을 시사한다.
그러나, 그 차이는 여전히 3 표준 편차(3 Sigma)의 범위에 있고 5 시그마의 값보다 낮으며, 이 값은 입자 물리학에서 공식 증거에 필요한 것이다

그럼에도 불구하고 T2K 연구원들은 그들이 올바른 길을 가고 있다고 확신한다.
"우리의 데이터에 따르면 중성미자와 반중성미자가 다르게 행동한다는 것은 95% 이상이다."라고 런던 임페리얼 대학(Imperial College London)의 페트릭 던(Patrick Dunne)은 설명한다. ”중성미자의 결과는 반물질보다 물질의 우위를 설명할 수있는 규모다."

▲ T2K 실험에서 예상되는 전자-중성미자 및 전자-빈중성자 © T2K Collaboration

"물리에 대한 근본적인 중요성"

결과가 확인되면 물질 지배의 비밀은 중성미자에 있을 수 있다.
던은 “우리의 결과는 왜 물질이 우리 우주에 존재하는지에 대한 질문에 그 어느 때보다 더 가까운 답을 할 수 있게 됐다. 이것은 물리학에서 근본적으로 중요 할 것이다."고 설명했다.

물리학자들의 희망은 이제 T2K 실험의 후임에 달려 있으며, 그 장치건설이 곧 시작될 것이다. 이를 위해, 토카이에서 중성미자를 생성하는 입자 가속기가 확대되어 중성미자의 밀도가 높은 빔을 생성 할 수 있다. 동시에 Super Kamiokande는 탐지기 볼륨의 10배인 Hyper Kamiokande로 업그레이드된다. 또 다른 중성미자 진동 실험도 미국에서 계획되어 있다. DUNE-검출기는 1,300km 떨어진 페르미랩(Fermilab)에서 중성미자와 반중성미자를 포착하도록 설계되었다.

(Nature, 2020; doi : 10.1038 / s41586-020-2177-0)
출처 : Imperial College London, Stony Brook University

[더사이언스플러스=문광주]

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