중성미자

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중성미자
구성 기본입자
통계 페르미온
무리 렙톤
반입자 반중성미자
이론 볼프강 파울리(1930)
발견 프레더릭 라이너스 등(1956)
기호 νe, νμ, ντ
전하 0
스핀 1/2

중성미자(中性微子) 또는 뉴트리노[1](neutrino)는 약력중력에만 반응하는, 아주 작은 질량을 가진 기본입자로, 스핀은 1/2인 페르미온과, 렙톤이며, 약한 아이소스핀이 -1/2으로 전하를 띠지 않는다. 1990년대 말까지 질량이 없다고 생각했으나, 1999년 슈퍼 카미오칸데 실험 이후 여러 실험을 통해 미세하지만, 질량이 있다고 밝혀졌다(중성미자 진동). 그러나 질량이 너무 작아 아직 직접적으로 질량을 측정하지 못하고 있다.

볼프강 파울리가 처음이 이 입자를 '중성자(neutron)'라고 부르기로 제안하였지만, 몇 년 후인 1932년에 채드윅이 지금의 중성자를 발견하고 그 입자를 중성자(neutron)라고 불렀다. 이로 말미암아 서로 다른 두 입자에 같은 이름이 붙게 되었다. 엔리코 페르미가 다음 해인 1933년에 베타 붕괴의 이론을 발표하며, 파울리의 '중성자(neutron)'에 '작다.'라는 이탈리아어의 접미어 '-ino'를 붙여서, '뉴트리노(neutrino)'로 부르게 되었다.

역사[편집]

1930년대의 베타 붕괴 실험에서, 기존의 물리학으로 설명할 수 없는 붕괴 에너지 스펙트럼을 발견하였다. 스펙트럼의 연속성에서 착안하여, 볼프강 파울리는 에너지 스펙트럼에 맞추기 위해 질량이 아주 작은 (또는 0인) 입자를 가정하여 중성미자라는 입자를 도입하였고, 이후에 실험적으로 발견되었다.

종류[편집]

오른쪽의 표와 같이 중성미자는 3세대로 되어 있다. 이들은 총 렙톤 수를 보존하지만, 중성미자 진동으로 인해 각 맛깔의 렙톤 수는 보존하지 않는다.

표준모형의 왼손 중성미자
이름 기호 질량
1세대 (전자-)
전자 중성미자 \nu_e\, < 2.5 eV
전자 반중성미자 \bar{\nu}_e\, < 2.5 eV
2세대 (뮤온)
뮤온 중성미자 \nu_\mu\, < 170 keV
뮤온 반중성미자 \bar{\nu}_\mu\, < 170 keV
3세대 (타우온)
타우 중성미자 \nu_{\tau}\, < 18 MeV
타우 반중성미자 \bar{\nu}_\tau\, < 18 MeV

유도 베타 붕괴를 통한 직접검출[편집]

중국의 왕칸창(Kan-Chang Wang)은 1942년 중성미자의 실험적 검출방법으로 베타포획의 사용을 처음으로 제안하였다[2]. 이에 1946년 코웬 클라이드(Clyde Cowan) 과 라이너스 프레드릭(Frederick Reines) 외 그의 동료( 해리슨 F. B.(F. B. Harrison), 크루스 H. W.(H. W. Kruse), 그리고 맥과이어 A. D(A. D. McGuire)) 은 이 과정을 통해 실제로 중성미자를 검출하였다[3]. 이후 이 실험은 코웬-레인스 중성미자 실험으로 알려지게 되며, 이들에게 중성미자 검출의 공로로써 1995년의 노벨 물리학상이 주어졌다.

n \longrightarrow p^+ + e^- + \bar{\nu}
\quad \quad \bar{\nu} + p^+  \longrightarrow n + {e^+}

실험[편집]

CHORUS(CERN Hybrid Oscillation Research apparatUS), DONuT(Direct Observation of Neutrino Tau), OPERA(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus)등의 실험에서 중성미자에 대한 많은 연구가 진행되었다. 현재 OPERA 실험에 대한 결과 데이터 분석이 진행 중이며 한국의 국립경상대학교 고에너지 물리실험실팀이 참가 중이다.

논란[편집]

2011년 9월 22일 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 공식 발표에 의하면, 732km 떨어진 두 도시를 대상으로 뉴트리노 1만 5,000개를 쏘아 보낸 결과, 평균적으로 빛보다 60나노초 더 빨리 도달하였다고 한다. 이는 같은 해 11월 20일 CERN의 재실험에서도 확인되었다.[4]

그런데 2012년 2월 오페라 연구진은 실험 과정의 오류 가능성을 발견하였다. 오페라 소속 연구자들 가운데 몇 명이 팀을 이뤄 실험 과정을 전면 재검토했고 그 결과 오류 가능성을 두 가지 발견했다. 밝혀진 오류 가능성의 하나는 광섬유케이블과 검출기의 메인컴퓨터가 느슨하게 연결됐을 수 있다는 것. 계산 결과 연결이 느슨하면 GPS 광신호가 전달되는 시간이 수십 나노초 지연될 수 있어 뉴트리노가 빛보다 60나노초 빨리 도달하는 현상을 설명할 수 있다. 또 다른 가능성은 검출기에 있는 표준 시계의 진동자가 정상보다 약간 빨리 진동할 수 있는 가능성이다. 만일 그런 일이 일어난다면 뉴트리노의 속도는 진짜 속도보다 느리게 측정돼야 한다. 따라서 전자가 측정 오류의 원인일 가능성이 높다.[5] 다시 장비의 결함을 고치고 다시 실험한 결과 중성미자가 빛보다 빠르지 않은 것으로 나타났다.[6]

주석[편집]

  1. http://www.ps.uci.edu/~superk/neutrino.html
  2. K.-C. Wang (1942년). A Suggestion on the Detection of the Neutrino. 《Physical Review》 61 (1–2): 97. doi:10.1103/PhysRev.61.97. Bibcode1942PhRv...61...97W.
  3. C.L Cowan Jr., F. Reines, F.B. Harrison, H.W. Kruse, A.D McGuire (July 20, 1956). Detection of the Free Neutrino: a Confirmation. 《Science》 124 (3212): 103–4. PMID 17796274. doi:10.1126/science.124.3212.103. Bibcode1956Sci...124..103C.
  4. "빛 보다 빠른 중성미자, 2차 실험서도 빛보다 빨라", 《서울경제신문》, 2011년 11월 20일 작성. 2011년 11월 23일 확인.
  5. "빛보다 빠른 물질 있나? 없나?", 《THE SCIENCE》, 2012년 4월 4일 작성. 2012년 4월 4일 확인.
  6. "전 세계 과학계 발칵 뒤집은 발견, 알고 보니…".

같이 보기[편집]