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중성미자 '결맞음 상호작용' 첫 관측

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송강섭 기자 작성일승인 2017-08-04 09:12 수정 2018-01-03 15:53

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미국 오크리지국립연구소(Oak Ridge National Laboratory) 내 파쇄중성자원(Spallation Neutron Source)의 전경. Oak Ridge National Laboratory  

 

 

중성미자(뉴트리노)가 원자핵을 미세하게 밀쳐내는 이른바 ‘결맞음 상호작용’이 사상 처음 관측됐다.  

 

유종희 KAIST 물리학과 교수 등 한국 과학자들이 참여한 국제 공동 연구팀은 최근 뉴트리노의 결맞음 상호작용을 최초로 관측했다. 연구 결과는 과학저널 ‘사이언스’ 3일자에 실렸다.

 

뉴트리노는 원자핵의 붕괴나 핵 융합 시 방출되는 미세 입자다. 우주 탄생 당시 있던 기본 입자의 하나로 질량이 거의 없는 데다 다른 물질과 반응하지 않아 ‘유령 입자’로 불린다.

 

뉴트리노는 에너지가 높을 땐 입자 성질을 띠다가 에너지가 내려가면 파동처럼 진동한다. 뉴트리노의 진동은 중성자, 양성자 등 핵자와 파동이 같아질 때 더욱 증폭되는데, 이것이 결맞음 상호작용이다. 이는 암흑물질에도 적용되는 현상으로 페르미연구소 과학자들이 1974년 처음 이론적으로 제시했다.

 

 

 

오크리지 국립연구소 ok.jpg리 에프레멘코 테네시대 교수(왼쪽) 등 뉴트리노 연구 참여자들이 전구 모양의 광전자증배관(光電子增倍管)을 보면서 얘기를 나누고 있다. Oak Ridge National Laboratory

 

 

연구소의 파쇄중성자원(Spallation Neutron Source) 시설에서 뉴트리노 빔을 발생시킨 뒤 이를 20m 거리의 검출기에 쐈다. 검출기는 우주에서 날아오는 방사선 등이 영향을 미치지 못하도록 지하에 설치됐다.

 

이 결과 뉴트리노가 밀어낸 세슘과 요오드 원자핵과 결맞음 상호작용을 함에 따라 살짝 밀려난 원자핵이 수은 표적을 때리는 현상을 포착, 결맞음 상호작용을 간접적으로 관측했다. 

 

이번 성과는 우주 질량의 80%를 차지하는 ‘암흑물질(dark matter)’의 성질을 밝히고 우주 생성 비밀을 푸는 한 단서가 될 전망이다. 우주에서 초신성이 폭발하거나 별이 탄생할 때 뉴트리노와 핵자들은 서로 엄청난 힘을 주고받는데, 결맞음 상호작용은 이 과정을 설명해 줄 주요 실마리다.

 

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