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- 중성미자는 어디에나 존재하지만 포착하기 어렵다. 물질과 상호 작용하지 않고 진동
- 장먼 지하 중성미자 관측소(JUNO)가 중국에서 가동을 시작
- 지하 700m에 위치한 JUNO 실험은 2만 톤의 특수 검출 유체를 사용
- 검출기의 핵심은 약 35m 직경의 플렉시글라스 구가 매립된 44미터 깊이의 수조
- JUNO 협력에는 17개국 74개 기관의 연구원들이 참여

중성미자 탐사를 위한 새로운 검출기
중성미자 관측소 JUNO는 중성미자 유형의 질량 분포를 밝히는 것을 목표로 한다.

"유령 입자" 탐색:
중국에서 새로운 중성미자 관측소가 가동을 시작했다. 지하 700m에 위치한 JUNO 실험은 2만 톤의 특수 검출 유체를 사용해 이러한 변형되는 기본 입자의 거동과 질량을 판독할 것이다. 이를 위해 이 검출기는 대기와 지하에서 자연적으로 발생하는 중성미자뿐만 아니라 약 53km 떨어진 원자력 발전소에서 발생하는 입자도 포착한다. 

▲ 중국의 JUNO 중성미자 관측소는 중성미자와 그 진동을 그 어느 때보다 더 정밀하게 측정하는 것이 목표다. © JUNO Collaboration

중성미자는 어디에나 존재하지만 포착하기 어렵다. 이러한 기본 입자는 물질과 거의 상호 작용하지 않으며 진동하기도 한다. 즉, 비행 중에 한 유형의 중성미자에서 다른 두 유형의 중성미자로 변형된다. 또한 중성미자와 그 진동은 표준 모형과 우주론 및 물리학의 여러 근본적인 질문에서 중요한 역할을 한다. 그러나 정확한 질량이나 진동의 세부 사항은 아직 완전히 밝혀지지 않았다.

2만 톤의 검출기 유체가 담긴 플렉시글라스 구

이제 상황이 바뀔 수 있다. 장먼 지하 중성미자 관측소(JUNO)가 중국에서 가동을 시작했다. 이 관측소는 중성미자의 진동과 다양한 유형의 질량 분율을 측정하도록 특별히 설계되었다. 베이징 고에너지물리학 연구소(IHEP)의 왕 이팡(Yifang Wang)은 "이렇게 크고 정밀한 검출기가 중성미자 전용으로 사용되는 것은 처음이다"고 설명했다.

JUNO 실험은 지구 표면에서 약 700m 깊이의 동굴에 위치하여 외부 간섭으로부터 상당히 차단되어 있다. 검출기의 핵심은 약 35m 직경의 플렉시글라스 구가 매립된 44미터 깊이의 수조다. 이 구에는 2만 톤의 액체 섬광체(유기 탄화수소로 만들어진 검출기 유체)가 들어 있다.

중성미자가 이 섬광체를 통과하면 충돌과 붕괴 생성물을 통과하는 빛줄기가 생긴다. 액체 섬광체가 들어 있는 플렉시글라스 구는 약 4만 5천 개의 광센서로 둘러싸여 있으며, 이 광센서는 중성미자 궤적에서 나오는 작고 약한 빛을 분석 가능한 전기 신호로 변환한다.

▲ 이 플렉시글라스 구체에는 20,000톤의 특수 섬광액이 들어 있다. © JUNO Collaboration

진동과 질량 분율에 주목

새로운 중성미자 검출기의 주요 임무는 약 53km 떨어진 두 원자력 발전소에서 핵분열로 생성된 반중성미자를 포착하고 분석하는 것이다. 이러한 전자 반중성미자는 검출기로 이동하는 동안 진동을 통해 다른 유형의 반중성미자로 변환된다. 결과적으로 나타나는 진동 패턴은 물리학자들에게 다양한 유형의 중성미자의 질량 분율에 대한 단서를 제공한다. 양자 물리학에서는 서로 다른 중성미자 상태가 겹치기 때문에 이러한 질량 분율을 측정하기가 어렵다.

JUNO 실험은 기존 관측소보다 더 정밀하고 간섭 없이 중성미자의 거동과 에너지를 측정하도록 설계되었다. 입자물리학자들은 이 실험이 중성미자 질량 순서, 즉 다양한 유형의 중성미자의 절대 질량 순서에 대한 통찰력을 제공하기를 기대한다. 현재는 질량 차이만 알려져 있을 뿐, 어떤 것이 가장 무겁고 어떤 것이 가장 가벼운지는 알려져 있지 않다. 또한, JUNO 검출기는 태양, 우주의 근원, 또는 지구의 암석에서 방출되는 중성미자를 포착하고 측정할 수 있다.

초기 테스트 결과, 유망

초기 테스트에서 새로운 중성미자 관측소가 기대했던 대로, 원하는 정밀도로 작동하고 있음을 이미 확인했다. JUNO 검출기는 하루에 약 45개의 중성미자 이벤트를 포착할 수 있다. 시간이 지남에 따라 중성미자 질량 순서에 대한 정보를 제공하는 상세한 스펙트럼이 생성될 것이다. 왕 박사는 "JUNO는 물질과 우주의 본질에 대한 근본적인 질문에 대한 답을 찾는 데 도움이 될 것이다"고 말했다.

▲ JUNO가 감지한 원자력 발전소의 중성미자 흔적. © JUNO Collaboration

"우리는 중성미자 물리학의 새로운 시대로 접어들고 있으며 새로운 발견의 창을 열고 있다"고 뮌헨 공과대학교의 한스 슈타이거(Hans Steiger)는 말했다. "앞으로 몇 년 안에 마침내 중성미자 물리학의 중요한 의문에 답을 찾고 새로운 물리학의 단서를 얻을 수 있을 것이다." JUNO 협력에는 17개국 74개 기관의 연구원들이 참여하고 있다.

마인츠 대학교의 리비아 루드호바(Livia Ludhova) 는 "우리의 전문 지식이 결합되어 수십 년 동안 전 세계 물리학계에 기여할 검출기가 탄생하게 되어 매우 기쁘다"고 강조했다. 이 중성미자 검출기는 최대 30년의 과학적 수명을 갖도록 설계됐다.
출처: Technische Universität München, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Chinese Academy of Sciences

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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