중성미자

처음으로 관측된 중성미자

표준모형의 왼손 중성미자

중성미자(neutrino, 뉴트리노)는 입자물리학의 표준 모형에 따르면 우리 우주를 구성하는 가장 기본적인 입자로서 강력이 작용하지 않고 전하를 가지고 있지 않으며 스핀이 ½인 페르미온(fermion)이다. 그리스 문자 ν를 사용하여 나타낸다.

중성미자에는 전자 중성미자(electron neutrino, ), 뮤온 중성미자(muon neutrino, ), 타우 중성미자(tau neutrino, )의 세 종류가 있다. 이들은 각각 전자, 뮤온, 타우입자와 짝을 이루고 있으며 이 여섯 가지 입자를 총칭하여 렙톤(lepton, 경입자)이라 부르고 각 종류를 렙톤의 맛깔(flavor)이라고 한다. 또한 각 짝을 1세대, 2세대, 3세대 렙톤이라고 한다. 표준 모형에 따르면 중성미자는 더 작은 입자로 쪼개지지 않고 그 자체로 가장 근본적인 입자이며 내부 구조가 없는 점 입자이다.

중성미자의 질량은 매우 작지만 0이 아니라고 알려져 있으나 정확한 값은 아직 모르고 얼마 이하라는 최댓값만 알려져 있다.

중성미자의 반입자로 반중성미자(antineutrino)가 있으며 ν-로 나타낸다. 즉, 반중성미자에는 전자 반중성미자(electron antineutrino ), 뮤온 반중성미자(muon antineutrino,), 타우 반중성미자(tau antineutrino,)의 세 맛깔이 있다.

개요

중성자(neutron)가 β붕괴로 양자와 전자로 파괴될 때 이와 함께 방출되며 '뉴트리노(neutrino)'라고도 한다. 뉴트리노는 전자기의 전하가 없어 '중성입자'라는 뜻의 뉴트로(neutro)라는 말과 '작다'라는 뜻의 이탈리아 어 접미어인 이노(-ino)의 합성어다. 중성자(neutron)와 구별하기 위해 이 접미사가 붙여졌다.

정지 질량이 0, 속도는 광속과 비슷하며 스핀이 2분의 1인 소립자다. 전하를 가지지 않아 물질과의 작용이 거의 없기 때문에 관통력이 크다. 결합하는 미립자에 따라 일렉트론, 뮤온, 타우 등 세 가지 타입으로 분류할 수 있다. 방사성 물질의 붕괴, 태양 같은 별 내부의 핵융합, 그리고 초기 우주의 대폭발 과정의 부산물로 생성된다. 중성미자는 1930년대에 예견되었으며 1950년대 이후에 보통 물질과 중성미자의 상호작용이 검출됨으로써 그 존재가 증명되었다.

역사

중성미자는 1930년에 파울리(W. Pauli, 1900-1958)가 이론적으로 예측하였다. 당시에 중성자가 양성자와 전자로 붕괴하는 베타붕괴는 에너지, 운동량, 각운동량 등의 기본적인 물리량이 반응 전후에 보존되지 않는 것으로 보였다. 보어(A. N. Bohr, 1922-2009)는 이것이 양자역학에서 보존법칙도 깨어질 수 있음을 보여주는 예라고 주장했다. 그러나 파울리는 실험에서 발견되지 않는 새로운 입자가 있기 때문일 것으로 추측하고 전하가 0인 입자라는 뜻으로 이 입자를 중성자(neutron)라 명명하였다. 파울리의 이론에 따르면 이 입자는 질량도 0이고 다른 입자들과 상호작용을 거의 하지 않기 때문에 실제 존재하는 입자인지 많은 의문이 있었다. 하지만 1956년에 코완(C. Cowan, 1919-1974)과 라이네스(F. Reines, 1918-1998)가 실험으로 이 입자를 직접 검출하는 것에 성공했다.

파울리가 처음에 붙인 중성자라는 이름은 얼마 후 중성미자로 바뀐다. 1930년 당시에는 현재 우리가 알고 있는 핵의 구성입자인 중성자의 존재를 모르고 있었다. 중성자는 1932년에 채드윅(J. Chadwick, 1891-1974)이 발견하였는데 이름을 중성자로 붙였다. 즉, 같은 이름을 가진 두 입자가 존재하게 된 것이다. 이를 해소하기 위해 1932년에 페르미(E. Fermi, 1901-1954)는 파울리의 중성자(neutron)를 중성미자(neutrino)로 바꿔 불렀다. ino는 이탈리아어로 작다는 뜻의 접미사이다. 이후에 이 이름이 계속 사용된다.

중성미자는 1962년에 한 종류가 아님이 밝혀지면서 베타붕괴에서 나오는 중성미자를 전자 중성미자로 부르게 되었다. 뮤온 중성미자는 레더만(L. M. Lederman, 1922- ), 슈워츠(M. Schwartz, 1932-2006), 그리고 슈타인버거(J. Steinberger, 1921- )가 발견하였다. 마지막으로 1975년에 3세대 렙톤인 타우입자(τ)가 발견되면서 베타붕괴와 유사하게 에너지 등의 보존법칙이 성립하지 않는 것으로 나타나자 이론적으로 타우 중성미자도 있을 것으로 예측되었다. 타우 중성미자는 2000년에 페르미 국립 가속기 연구소의 DONUT 실험그룹이 직접 검출하는 것에 성공하였다.

생성

반중성미자가 생성되는 가장 대표적인 반응은 베타붕괴이다. 베타붕괴는 다음과 같이 중성자가 양성자와 전자, 전자 반중성미자로 붕괴하는 반응이다.

이 반응은 자유 중성자가 한 개가 붕괴할 수도 있고 불안정한 핵 안에서 일어날 수도 있다. 예를 들면

와 같은 것이다. 특히 원자로에서 우라늄이나 플루토늄의 핵분열이 일어날 때 많은 반중성미자가 생성된다.

양성자가 중성자로 변환되는 것은 그 자체로는 불가능하지만 불안정한 핵 안에서는 가능하다. 이 경우에는 중성미자가 생성된다. 예를 들면

이 있다.

태양에서는 핵융합이 일어나는데 이 과정에서 엄청난 전자 중성미자가 생성되어 태양 밖의 모든 방향으로 방출된다. 이 중성미자는 지구에도 도달하는데, 태양 쪽을 향해있는 지구 표면에 매 초당 그리고 매 제곱센티미터(cm2)당 650억 개의 중성미자가 도달한다. 이들 중성미자는 지구와 거의 반응을 하지 않으므로 대부분 지구를 통과하여 반대쪽 표면으로 빠져나간다.

유도 베타 붕괴를 통한 직접검출

중국의 왕칸창(Kan-Chang Wang)은 1942년 중성미자의 실험적 검출방법으로 베타포획의 사용을 처음으로 제안하였다. 이에 1946년 클라이드 카원과 프레더릭 라이너스 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. 이후 이 실험은 카원-라이너스 중성미자 실험으로 알려지게 되며, 이들에게 중성미자 검출의 공로로써 1995년의 노벨 물리학상이 주어졌다.

특성

중성미자는 1990년대까지만 해도 질량이 없는 입자로 생각했다. 질량이 있을 가능성은 이론적으로 계속 연구되어 왔지만 실험에서 질량이 있다는 확실한 증거가 없었기 때문이다. 그러나 1960년대부터 2000년대에 이르기까지 중성미자 진동이라는 현상이 관측되면서 질량이 0은 아니라는 결론이 나오게 되었다. 그러나 현재까지 각 중성미자의 질량이 얼마 이하라는 최댓값만 알려져 있을 뿐 정확한 값은 모른다.

렙톤에는 각 세대마다 독립적인 렙톤 수(lepton number)를 부여한다. 이에 따라 전자 중성미자는 전자 수(electronic number) Le=1, 뮤온 중성미자는 뮤온 수(muonic number) Lμ=1, 타우 중성미자는 타우온 수(tauonic number) Lτ=1이고 이들의 반입자에는 각각 해당 렙톤 수로 -1을 부여한다. 전체 렙톤 수는 이들 세 렙톤 수의 합이다. 표준 모형에 의하면 대부분의 반응에서 이러한 세대별 렙톤 수가 반응 전후에 각각 보존된다. 그러나 중성미자 진동이 일어나는 반응에서는 각 세대의 렙톤 수가 독립적으로 보존되지 않고 전체 렙톤 수만 보존된다.

논란

2011년 9월 22일 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 공식 발표에 의하면, 732km 떨어진 두 도시를 대상으로 뉴트리노 1만 6,000개를 쏘아 보낸 결과, 평균적으로 빛보다 60ns 더 빨리 도달하였다고 한다. 이는 같은 해 11월 20일 CERN의 재실험에서도 확인되었다.

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. 장비의 결함을 고치고 다시 실험한 결과 중성미자가 빛보다 빠르지 않은 것으로 나타났다.

참고자료

• 〈중성미자〉, 《위키백과》
• 〈중성미자〉, 《물리학백과》

같이 보기

• 중성자
• 페르미온

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