중성미자의 규명

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-07-25

다른 입자 혹은 주변의 환경과 거의 상호작용하지 않기 때문에 `유령 입자(ghost particle)`로 알려진 중성미자(neutrino)는 입자 물리(particle physics)의 표준 모델(standard model)에 따르면 질량이 없는 입자이다. 하지만, 사실 이들의 질량이 0이 아니란 많은 증거가 있으나 여전히 정확히 측정되진 못하고 있다. 우주에서 중성미자는 은하 질량의 90%를 차지하는 신비로운 암흑 물질(dark matter)의 작지만 중요한 부분을 구성하는 것으로 고려되고 있다. 상당한 질량의 중성미자를 포함하기 위해 표준의 우주 모델을 변형하는 것은 모든 물리적 관찰 결과를 동시에 설명하진 못한다. 이러한 내용은 최근 바르셀로나대(University of Barcelona) 및 런던대(University College London) 연구진에 의해 Physical Review Letters에 보고되었다. 몇몇 연구 결과에 따르면 무거운 중성미자의 존재는 우주에서 관찰되는 다른 물리적 특이성과 현상을 설명한다. 예를 들면, 플랑크 위성(Planck satellite)에서 관찰된 은하 클러스터의 수이다. 이러한 가정은 표준 우주 모델의 확장을 의미하며 우주론 및 입자 물리 모두에서 심오한 파급성을 가진다. 금번 논문에서 연구진은 표준 모델에 이러한 무거운 중성미자를 추가하는 것이 모든 상황을 실제로 설명하진 못한다는 것을 입증할 수 있었다. 연구진은 금번 연구 결과가 모든 상황을 동시에 설명할 수 없다는 관점에서 새로운 모델이 사실상 만족스런 답이 아니라는 것임을 확인할 수 있었다. 따라서 이것은 우주의 올바른 모델이 아닐 수 있다. 중성미자는 거의 빛의 속도로 움직인다. 지구를 통과하는 수 십억 개의 중성미자 대부분은 태양과 대기로부터 나온다. 하지만 감마선 폭발(gamma ray explosion), 항성의 형성(star formation), 다른 우주 현상들은 검출하기가 극히 어려운 입자들을 생성한다. 안타르티카(Antartica)의 얼음덩이와 같이 거대한 실험실이 필요하며, 이를 통해 몇 개의 중성미자만을 포집할 수 있다. 따라서, 중성미자의 정확한 질량을 측정하는 것은 전체 물리 학계에 중요한 초석이 될 것이다. 중성미자 성질은 또한 우주를 연구함으로써 측정될 수 있지만, 우주 관찰 결과들은 중성미자의 질량을 아직 검출하지 못했다. 연구진은 중성미자의 질량이 ~0.05 eV에서 ~0.2 eV 사이라는 것을 알고 있다. 확고한 측정 결과를 얻기 위해서 해야 할 일이 많지만 차세대 우주 데이터는 중성미자의 질량을 관찰할 수 있을 것이며, 이러한 입자에 대한 질량을 보다 정확하게 측정할 수 있을 것으로 예상된다. [그림] 나사의 은하수 사진 [원문] "No New Cosmological Concordance with Massive Sterile Neutrinos." Boris Leistedt, Hiranya V. Peiris, Licia Verde. Physical Review Letters. dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.041301 fig_17.jpg http://phys.org/news/2014-07-massive-neutrinos-standard-cosmological-concordance.html