중성미자에 질량 있다

2011.11.29 19:00

기본 입자 중 하나인 중성미자(中性微子 뉴트리노)가 기존 가설과 달리 질량을 가진 것으로 밝혀졌다고 스페이스 닷컴이 28일 보도했다.

이탈리아와 미국, 독일, 러시아, 프랑스 과학자 및 엔지니어들로 구성된 국제 연구진은 이탈리아 그란 사소 연구소의 보렉시노(Borexino) 실험장치를 통해 태양으로부터 온 중성미자들이 비록 미량이긴 하지만 질량을 갖고 있음을 발견했다고 물리학 리뷰 레터스에 발표했다.

그란 사소 연구소는 최근 중성미자가 빛보다 빠른 속도로 움직인다는 실험 결과를 발표해 학계에 큰 파문을 일으켰다.

중성미자는 핵반응과 특정 방사선 붕괴에서 나오며 태양으로부터 어마어마한 양이 쏟아져 지구를 통과한다. 지구 표면 1 ㎠에 쏟아지는 태양 중성미자는 초당 최고 650억개나 된다.

그러나 전기적으로 중성이고 다른 어떤 입자와도 상호작용을 하지 않기 때문에 중성미자는 일반 물질의 영향을 전혀 받지 않으며 단지 때때로 원자와 충돌하는 정도이다.

중성미자가 질량을 갖고 있다는 증거는 1990년대 말부터 발견되기 시작했다. 그러나 크기가 전자의 50만분의1 밖에 안 될 정도로 작고 그 이유도 밝혀지지 않아 중성미자의 존재는 여러 면에서 수수께끼로 남아 있다.

연구진이 사용한 보렉시노 실험 장치는 지구상에서 가장 민감한 중성미자 검출기 가운데 하나이다. 이 장치는 중성미자가 특수 유기 용액 300t과 반응하는 희귀한 경우를 포착하기 위한 2천200개의 센서로 이루어져 있고 2천t의 순수한 물이 담긴 대형 구(球)의 중심부에 들어 있다.

연구진은 “거의 불가능한 수준까지 도달한 보렉시노의 민감성은 유례없는 방사성 물질 순수성 덕분”이라고 밝혔다. 300t에 달하는 액체 신틸레이터(방사선이 부딪히면 섬광을 발하는 물질)의 우라늄-238과 토륨-232 농도는 일반 먼지에 비해 수천억분의1에 불과할 정도로 순수하다. 우리 주변의 일반 물질이나 흙에는 이런 방사능 물질이 보통 1ppm 들어 있다.

연구진은 이처럼 순수한 유기액과 물 보호층, 그리고 아펜니네 산맥이라는 보호층 덕분에 핵심 부위에 지구의 자연 방사선이 거의 닿지 않도록 할 수 있었고 그 결과 중성미자를 검출할 수 있었다고 밝혔다.

보렉시노는 태양 뉴트리노의 전체 스펙트럼을 한 번에 관찰할 수 있는 유일한 검출기이다.

보렉시노가 검출한 태양 중성미자에는 베릴륨-7(7Be)의 방사능 붕괴에서 오는 것도 포함돼 있다. 과학자들은 이런 중성미자가 태양으로부터 오는 질량의 약 10%를 차지할 것으로 보고 있다. 이처럼 낮은 에너지의 입자는 과거 검출기로는 관측할 수 없는 것이었다.

연구진은 또 7Be의 흐름이 밤과 낮에 차이가 없다는 사실도 발견했으며 이로 미루어 중성미자가 지구를 통과하는 과정에서 `플레이버'(쿼크나 중성자를 식별하는 내부 양자 수)가 변하지 않는다는 사실도 확인했다.

연구진은 장차 태양으로부터 오는 모든 형태의 뉴트리노의 기원을 밝혀내 태양의 탄소와 질소, 산소 농도를 보다 정확히 측정하고 이를 통해 태양의 진화 과정과 활동 원리를 다른 큰 별들과 비교할 수 있게 될 것으로 기대하고 있다.

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