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- 중성미자 산란은 양성자 특징을 밝힌다.
- 양성자 구조를 연구하기 위해 처음으로 중성미자를 사용

"유령 입자" 공장
MINERvA 실험은 중성미자 빔을 사용해 양성자를 연구한다.

이 신비한 존재는 미래의 조각처럼 보이지만 실제로는 과학의 도구다. 여기에서 미국 페르미랩(Fermilab)의 입자 가속기에서 고에너지 입자 빔의 초점을 맞추는 데 사용되는 자기 코일을 볼 수 있다. 이 시설의 도움으로 물리학자들은 양성자 구조를 연구하기 위해 처음으로 중성미자를 사용했다. 그들은 수소 핵에서 빛 "유령 입자"를 쏜다. 

▲ Fermilab 입자 가속기의 특수 자석. © Reidar Hahn/Fermilab

양성자는 물질의 기본 구성 요소 중 하나이지만 여전히 많은 미스터리가 있다. 실제 크기에 대해서는 의견이 분분하며 3개의 쿼크로 구성된 이 입자의 거동과 내부 구조는 부분적으로만 밝혀졌다. 따라서 물리학자들은 이 중요한 원자핵 구성 요소의 비밀을 밝히기 위해 끊임없이 새로운 방법을 시도하고 있다.

분석 보조 장치로서의 가벼운 입자

이러한 새로운 방법 중 하나는 중성미자 폭격이다. 뉴욕 로체스터 대학의 테진 카이(Tejin Cai)가 이끄는 팀은 광자 연구를 위한 일종의 현미경으로 우주 과정, 입자 충돌 및 방사성 붕괴에서 생성되는 거의 질량이 없는 기본 입자를 처음으로 사용했다. "우리는 그것이 작동할 수 있는지 확신할 수 없었지만, 양성자의 크기와 모양을 측정하기 위해 뉴트리노를 사용할 수 있다는 것을 발견했다"고 Cai는 설명했다.

여기서 어려움은 뉴트리노가 물질과 거의 상호작용하지 않는다는 것이다. 수십억 개의 뉴트리노가 우리가 눈치채지 못한 채 매초 우리 몸을 통과한다. 따라서 이러한 "유령 입자"와 양성자의 충돌을 유발하기 위해 MINERvA 실험의 연구원은 매우 강력한 중성미자 빔이 필요했다. 이것은 Fermi National Accelerator Laboratory 또는 줄여서 Fermilab의 가속기 시설에서 제공되었다. NuMI 빔은 세계에서 가장 강력한 중성미자 빔 중 하나를 생성한다.

중성미자 산란은 양성자 특징을 밝힌다.

이 이미지는 실험의 중요한 구성 요소를 보여준다. 이 코일형 초전도 자석은 입자 빔에 초점을 맞추고 NuMI 시설에서 중성미자 생성을 가능하게 한다. 이 과정에서 생성된 "유령 입자"는 MINERvA 검출기에서 수소와 탄소 원자로 구성된 거대한 표적에 발사된다. 중성미자의 작은 부분이 수소 원자의 양성자와 충돌하여 흩어진다.

Cai의 동료인 Kevin McFarland는 "편향된 입자의 산란 각도에서 대상 물체의 구조에 대한 귀중한 정보를 얻을 수 있다"고 설명했다. 물리학자들은 그들의 새로운 중성미자 현미경을 이전의 양성자 연구 방법에 추가된 것으로 보고 있다. 이는 다른 파장에서 거시적 물체를 관찰하는 것과 유사하다. "당신은 같은 꽃을 보지만 빛의 다른 파장에서 다른 구조를 본다"고 McFarland는 말했다. "이것은 우리의 중성미자 측정과 유사하다."
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-022-05478-3)
출처: 로체스터 대학교, 페르미 국립 가속기 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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