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전자 질량의 10억분의 1인 중성미자 질량 차이 측정성공

2016.05.26 미래창조과학부

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전자 질량의 10억분의 1인 중성미자 질량 차이 측정성공
- 중성미자 변환 파동주기 관측으로‘질량 순서’규명 가능성 열어 -

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 국내 대학 공동연구진이 원자로에서 방출되는 중성미자의 파동주기를 관측하여 중성미자* 중 가장 가벼운 것과 가장 무거운 것의 질량 차이가 전자 질량의 약 10억분의 1 정도로 매우 적다는 것을 측정하였다고 밝혔다.
* 중성미자 : 핵붕괴 혹은 핵융합 과정에서 방출되는 기본입자로, 워낙 작아 거의 빛의 속도로 움직이며 물질과 상호작용이 거의 없어 ‘유령입자’로 알려져 있음

□ 김수봉 교수(서울대)가 책임자인 공동연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(집단연구)을 통해 수행하였으며, 연구결과는 물리학분야의 최고 권위의 학술지인 피지컬리뷰레터(Physical Review Letters) 5월 24일자에 게재되었다.

o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
- 논문명 : Observation of Energy and Baseline Dependent Reactor Antineutrino Disappearance in the RENO Experiment
- 저자 정보 : 김수봉 교수(서울대), 김우영 교수(경북대), 박명렬 교수(동신대), 유인태/최영일 교수(성균관대), 김현수 교수(세종대), 김재률/임인택/주경광 교수(전남대) 등 총 29명
□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

1. 연구배경
○ 중성미자의 질량은 너무 작아 아직도 측정되지 않고 있다. 카지타 교수와 맥도날드 교수는 중성미자 진동변환 발견으로 중성미자의 질량의 존재를 처음으로 입증하는 업적으로 2015년 노벨 물리학상을 수상하였다. 그들은 세 종류의 변환확률 중 두 가지를 1998년과 2001년에 측정하였고, 마지막 변환확률은 국내 리노(RENO)* 연구진이 2012년 4월에 성공적으로 측정하였다.
* RENO : Reactor Experiment for Neutrino Oscillation(원자로 중성미자 변환 실험)
○ 중성미자의 변환은 한 종류의 중성미자가 다른 종류의 중성미자로 변하는 현상으로 변환확률은 변환이 얼마나 크게 일어나는지를 말한다. 중성미자의 질량이 서로 달라야 그 차이에 의해 변환이 일어난다. 중성미자 변환 발견은 질량 차이를 의미하고 그것은 질량이 존재함을 증명한 셈이 된다.
○ 비록 중성미자 절대 질량이 너무 작아 측정이 거의 불가능하지만 중성미자간 질량 차이를 알아내게 되면 이 입자의 질량 근원에 대한 해답에 가까이 갈 수 있게 된다.

2. 연구내용
○ 2012년 4월에 국내 리노 연구진에 의해 수행된 마지막 변환확률 측정결과의 논문은 1,300여회 인용될 정도로 이 분야의 지평을 넓혔다. 연구진은 2011년 8월부터 원자력발전소에서 방출되는 중성미자를 지속적으로 관측해 왔다. 이번 연구결과는 2013년 1월까지 약 500일간의 데이터를 분석하여 원자로에서 발생된 중성미자가 검출장비까지 약 1.4km를 날아오는 도중에 다른 종류의 중성미자로 바뀐 확률을 측정하였다.
○ 이번 결과는 오차를 현저히 줄여 측정한 중성미자의 변환확률이 에너지와 원자로에서 검출장비까지 날아간 거리에 따라 파동처럼 달라짐을 관측하였다. 이것으로부터 중성미자의 가장 가벼운 질량과 가장 무거운 질량의 차이가 전자 질량의 약 10억분의 1 정도로 매우 적다는 것을 측정하였다. 즉 <참고 그림 2>에서 중성미자가 에너지와 거리에 따라 사라졌다 다시 생성되는 파동 주기*를 알아내어 매우 적은 질량의 차이를 측정한 것이다.
* 중성미자 변환 파동 주기 : 중성미자가 이동한 거리, 에너지와 질량차이로 결정되므로 거리와 에너지에 따라 변환확률을 측정하면 질량 차이를 알 수 있음

3. 연구 성과
○ 중성미자의 가장 가벼운 것과 가장 무거운 것의 질량 차이가 매우 적지만 성공적으로 측정함으로써 절대 질량을 밝히기 위한 토대를 마련하였다.
○ 이번 결과는 질량 차이의 측정뿐만 아니라 원자로 중성미자가 검출장비까지 날아오는 도중에 다른 종류의 중성미자로 바뀐 확률을 2012년 처음 측정한 결과보다 오차를 무려 2배 이상 줄였다.
○ 가속기를 사용하여 측정한 중성미자 변환확률은 ‘물질과 반물질의 비대칭성’*과 원자로 중성미자 변환확률에 의해 결정되는데 연구팀이 측정한 변환확률을 정밀 측정하고 가속기로 측정한 변환확률을 합치면 이 비대칭성을 밝힐 수 있다. 이로 인해 물리학의 난제로 남아 있는 우주의 ‘물질과 반물질의 비대칭성’을 알아낼 수 있는 가능성에 한 걸음 더 다가선 셈이다.
* 물질과 반물질의 비대칭성 : 우주 탄생 당시 똑같았던 물질과 반물질이 현재 우주에서는 물질만이 존재하는 것을 의미하며, 왜 반물질이 사라졌는지에 대한 의문은 풀리지 않고 있음.
○ 이번 정밀 측정을 통해 원자로의 중성미자 에너지 스펙트럼이 놀랍게도 그 동안 학계에서 통용되던 것과는 다르게 특정 에너지 영역에서 뚜렷한 차이가 있음을 발견하였다. 이 결과는 그 동안 ‘원자로 중성미자 퍼즐’로 알려져 있던 문제점의 실마리를 제시할 수 있을 것으로 예상된다.
○ 이번 연구 결과는 현재 수집한 약 1,500일의 데이터 중의 1/3 정도만을 분석한 것이다. 앞으로 더 많은 데이터의 수집과 더 개선된 분석을 통해 실험 오차를 더욱 줄여 중성미자의 변환확률과 질량 차이를 최종 목표인 5%의 오차를 가진 정밀 측정 결과를 얻어낼 계획이다.

□ 김수봉 교수는 “이번 연구 결과로 물리학의 난제로 남아 있는 ‘중성미자 질량 순서’*와 우주의 ‘물질과 반물질의 비대칭성’을 알아낼 수 있는 가능성을 활짝 열어놓은 셈이다.”라고 연구의 의의를 밝혔다.
* 중성미자의 질량 순서 : 중성미자의 질량이 워낙 작아 아직도 측정되지 않고 있으나 그것들의 질량 차이는 변환을 통해 알게 되었다. 하지만, 세 종류의 중성미자 질량 중에서 가장 무거운 혹은 가장 가벼운 질량이 어떤 것인지 모르고 있다.

“이 자료는 미래창조과학부의 보도자료를 전재하여 제공함을 알려드립니다.”

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