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- 글래스하우(Glashow)-공명에 대한 첫 번째 증거
- 반중성미자와 전자의 충돌은 약한 핵력의 매개체 중 하나인 W-보손(Boson)을 생성
- 천체물리학적 중성미자 유입으로부터 반중성미자를 최초로 직접 측정한 것

중성미자(Neutrino), 60년 된 이론을 증명했다.
아이스큐브(IceCube) 감지기, 글래스하우(Glashow)-공명에 대한 첫 번째 증거를 제공

스펙터클한 포착 :
IceCube 중성미자 탐지기는 처음으로 우주 반중성미자를 포착했으며, 이는 60년 된 물리학 이론을 처음으로 실험적으로 증명할 수 있는 사건이다. 이에 따르면 반중성미자와 전자의 충돌은 약한 핵력의 매개체 중 하나인 W-보손(Boson)을 생성할 수 있다. 이 소위 Glashow-공명은 연구자들이 전문 잡지 "Nature"에 보고한 것처럼 얼음에 있는 반중성미자에 의해 촉발되었을 수 있다. 

▲ IceCube 중성미자 감지기는 처음으로 고에너지 반 중성미자를 식별했으며, 이는 60년 전에 가정된 입자 반응을 촉발시켰을 수 있다. © Martin Wolf / IceCube, NSF

1960년 물리학자 쉘돈 글래스하우(Sheldon Glashow)는 당시 발견되지 않은 기본 입자인 W-boson을 가정했다. 이 약한 핵력의 매개체는 빠르고 매우 높은 에너지의 반중성미자가 전자와 상호 작용할 때 발생해야 한다(예 : 충돌).
1985년에 W-boson이 실제로 발견되었지만 다른 형성 메커니즘을 통해서였다.
Glashow가 가설로 내놓은 Glashow-Resonance가 경로가 있는지 여부는 아직 입증되지 않았다.

문제 :
글래스하우 공명을 나타내기 위해서는 반중성미자가 6.3페타 전자볼트(PeV)의 엄청난 에너지를 가져야 한다. 이는 세계에서 가장 강력한 입자 가속기인 LHC(Large Hadron Collider)가 생산할 수 있는 것보다 거의 천 배나 높다. 따라서 Glashow의 이론에 필요한 중성미자는 세계의 어떤 실험으로도 생성할 수 없다.

남극 얼음을 통해 급속한 비행

이제 코스모스가 지구 물리학자들의 돕기 위해 왔음에 틀림없다.
2016년 12월 6일, 외 은하에서 온 반 중성미자가 거의 빛의 속도로 남극의 얼음을 뚫고 들어가 전자와 충돌했다. 이것은 몇 개의 2차 입자와 광자를 생성했다.
그들의 빛은 남극에 있는 IceCube 천문대의 얼음에 가라앉은 사진 탐지기에 포착돼 잠재적 중성미자 통로로 시스템에 등록됐다.

처음에 이 사건은 중성미자 탐지기에서 얻은 엄청난 양의 데이터 중 하나일 뿐이었다.
IceCube 협업의 물리학자들은 현재 연구를 위한 학습 알고리즘을 사용하여 특히 고에너지 중성미자 통로에 대한 검출기 데이터를 검색했을 때에야 그 중요성을 발견했다. 

▲ 2016년 12월 6일부터 반중성미자(Antineutrino) 통로의 시각화. 색깔의 볼은 얼음에서 활성화된 광 센서를 표시하고, 색상은 초기 (빨간색) 및 후기 광자 감지를 나타낸다. © IceCube collaboration

우주 반중성미자의 첫 번째 증거

분석 결과 :
12월 6일에 발생한 이벤트는 6PeV(페타 전자볼트) 이상의 에너지를 방출했다.
연구자들이 보고한 바와 같이, 이 고에너지 등급에서는 세 번째 이벤트이다.
이 통로에서 남겨진 빛과 입자 흔적의 모양과 시간적 분포에서 물리학자들은 그것이 중성미자가 아니라 반물질 대응 물인 반중성미자라고 결론지었다.

일본 치바대학의 IceCube 연구원 루루(Lu Lu)는 "이전 측정으로는 중성미자와 반중성미자의 차이를 해결할 수 없었다"고 설명한다. "이 결과는 천체물리학적 중성미자 유입으로부터 반중성미자를 최초로 직접 측정한 것이다.“

이것은 중성미자 천문학의 완전히 새로운 장을 열었다.
왜냐하면 지금까지 그러한 고에너지 반중성미자가 우주에서 어떻게 그리고 어디서 발생하는지 불분명하기 때문이다. 예를 들어 우주 중성미자와 같은 블랙홀과 퀘이사에서 생성될 수 있는지 여부다.

그래스하우-공명의 첫 번째 표시

그러나 IceCube가 탐지한 반중성미자는 두 번째 이유에서 특별하다.
통과하는 동안 생성된 광자의 패턴은 반중성미자가 글래스하우-공명을 일으켰음을 나타낸다. 전자와 충돌 할 때 W-boson이 먼저 생성될 수 있으며, 즉시 뮤온을 포함한 2차 입자로 분해된다.

이것이 확인된다면 이것은 글래스하우-공명의 첫 번째 실험적 증거가 될 것이다.
"Glashow가 당시 닐스 보어(Niels Bohr) 연구소에서 자신의 이론을 발표했을 때, 그는 W-boson 생산에 대한 그의 비 전통적인 경로가 언젠가는 먼 은하계의 반중성미자에 의해 구현될 것이라고는 결코 꿈꾸지 않았을 것이다"고 위스코신-매디손 대학의 프랜시스 할젠(Francis Halzen)이 말했다. 그는 IceCube 천문대의 수석 과학자이다.

스웨덴 웁살라 대학(Uppsala University)의 전 IceCube 대변인 올가 보트너(Olga Botner)는 "이 이벤트의 감지는 또 다른 첫 번째이며 IceCube가 독특하고 뛰어난 결과를 생성하는 능력을 다시 한번 보여준다"고 말했다.

"축하할 이유“

글래스하우-공명이 얼음에서 의심할 여지없이 입증되어야 한다.
"확실히 확인하려면 정확히 동일한 에너지로 또 다른 사건을 관찰해야 한다"고 쉘돈 글래스하우(Sheldon Glashow) 자신이 이 발견에 대해 말했다. 그러나 그사이 명예 물리학자가 된 그는 "지금까지는 적어도 하루가 지나면 더 많은 증거를 얻게 될 것이다"라며 ”추가 증거가 이루어질 것”이라고 확신했다.

▲ Sheldon Lee Glashow (1932년 12월 5일 뉴욕 출생)는 미국 물리학 자이자  1979년도 노벨상 수상자. 사진은 하버드 대학교에서 모습.

이탈리아의 국립 핵물리연구소의 카를라 디스테파노(Carla Distefano)도 이를 긍정적으로 보고 있다. “IceCube 협력에 대한 관찰은 축하해야 할 이유다. 글래스하우-공명에 해당하는 첫 번째 이벤트이기 때문이다” 동시에 W-boson에 대한 이 생성 경로의 명확한 증거는 입자 물리학의 표준 모델을 다시 한번 확인시켜준다.

IceCube 감지기 확장 중

IceCube 감지기의 계획된 확장은 글래스하우-공명에 대한 추가 감지에 대한 구체적인 희망을 제공한다. 첫 번째 단계에서 750개 이상의 광 검출기와 새로운 보정 기기가 향후 몇 년 동안 남극 얼음에 가라앉을 것이다. 기존 센서 아래의 특히 투명한 얼음에 배치하는 것은 입자 트랙의 해상도를 높이고 따라서 중성미자의 기원을 쉽게 결정할 수 있도록 하기 위한 것이다.

두 번째 단계에서 IceCube 감지기는 현재 볼륨의 10배로 확장된다.
추가 센서 덕분에 IceCube-Gen2는 특히 고에너지 중성미자의 감지 속도를 10배로 높일 수 있다.
(Nature, 2021; doi : 10.1038 / s41586-021-03256-1)
출처 : Wisconsin-Madison University of Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center (WIPAC)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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