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중성미자 결맞음 상호작용, 드디어 관측했다

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2017년 08월 04일 07:00 프린트하기

한국 연구진을 포함한 국제 공동 연구진이 중성미자가 다른 입자와 상호작용을 하는 것을 최초로 관측했다.

유종희 KAIST 물리학과 교수와 미국과 러시아 국제 공동 연구진은 중성미자가 원자핵과 ‘결맞음 상호작용’하는 것을 최초로 관측해 과학전문학술지 사이언스 3일자에 발표했다. 중성미자와 원자핵의 결맞음 상호작용은 1974년 이론적으로 예측됐으나 실제로 관측된 것은 이번이 처음이다.

 

이번 실험에서 사용한 탐지기(왼쪽)과 탐지기가 있는 미국 오크리지국립연구소의 전경(오른쪽) - 사이언스 제공
이번 실험에서 사용한 탐지기(왼쪽)과 탐지기가 있는 미국 오크리지국립연구소의 전경(오른쪽) - 사이언스 제공


중성미자는 에너지 보존 법칙을 이해하는 핵심 입자다. 예를 들어 태양에서는 수소 원자 4개가 모여 헬륨 원자 1개가 되는 핵융합이 일어난다. 이때 남는 질량은 에너지와 중성미자가 된다. 에너지는 빛 형태로 방출되고 중성미자 역시 전 방향으로 방출돼 지구를 통과한다.


1990년대 중반까지만 해도 중성미자는 질량이 없는 입자로 생각됐지만 중성미자 진동 현상이 관측되면서 질량이 있다는 사실이 밝혀졌다. 질량이 있는 입자만이 진동 현상을 보이기 때문이다. 특히 중성미자의 진동이 원자핵에 있는 중성자나 양성자 같은 핵자와 파동이 맞을 때 진동이 크게 증폭된다. 이 현상을 ‘결맞음 상호작용’이라고 부른다. 그러나 중성미자를 관측하는 것조차 어려워 이 현상은 이론적으로만 존재할 뿐이었다.


연구팀은 미국 오크리지국립연구소에 있는 소형 탐지기를 이용했다. 일반적으로 중성미자를 관측할 때 사용하는 탐지기는 크기가 거대해 중성자와 핵자가 상호작용하는 작은 현상을 관찰하기에는 적합하지 않다. 양성자가 수은 표적을 때리는 순간을 이용해 파동이 증폭되는 결맞음 상호작용을 관측할 수 있었다.

 

이번 연구는 우주의 생성 과정을 밝히는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 우주에서 별이 탄생하거나 초신성이 폭발할 때면 중성미자와 핵자들이 수많은 힘을 주고받는데, 결맞음 상호작용은 이 과정을 설명할 중요한 단서다. 유 교수는 “핵분열이나 핵융합 같은 고에너지 변환 현상을 원격으로 관측하는데도 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.

 


오가희 기자

solea@donga.com

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