‘유령입자’ 중 가장 무거운 놈과 가장 가벼운 놈의 질량 차이는?

2016.05.25 18:00
이미지 확대하기김수봉 서울대 교수팀은 영광 한빛원자력발전소에서 나오는 중성미자를 관측해 가장 무거운 중성미자와 가장 가벼운 중성미자의 질량 차이를 밝혀냈다. - 서울대학교 제공
김수봉 서울대 교수팀은 영광 한빛원자력발전소에서 나오는 중성미자를 관측해 가장 무거운 중성미자와 가장 가벼운 중성미자의 질량 차이를 밝혀냈다. - 서울대 제공

 

김수봉 서울대 물리학과 교수가 주도한 공동연구팀이 중성미자(中性微子·neutrino) 중에서 가장 가벼운 입자와 가장 무거운 입자 사이의 질량 차이를 측정하는 데 성공했다고 25일 밝혔다.


우주를 구성하는 기본입자 중 하나인 중성미자의 별명은 ‘유령입자’다. 핵분열이나 핵융합 과정에서 만들어지는 중성미자는 눈에 보이지 않는 것은 물론 우리가 알고 있는 물질과 상호작용을 거의 하지 않는다. 엄지손톱 위로 지금도 태양에서 만들어진 중성미자가 초당 700억 개씩 통과하지만 반응하지 않는다.


중성미자는 전자 중성미자와 뮤온 중성미자, 타우 중성미자 등 총 3종류가 있으며, 이들이 시시때때로 다른 종류로 변하는(진동) 특성이 있다.

 

지난해 노벨 물리학상을 수상한 가지타 다카아키 일본 도쿄대 교수와 아서 맥도날드 캐나다 퀸즈대 교수는 3종류의 중성미자 간 질량 차이가 있다는 사실을 발견해 중성미자가 질량을 갖고 있음을 증명했다. 1990년대까지만 해도 과학자들은 중성미자의 질량이 0이라고 생각했기 때문에 이는 큰 발견이었다.

 

김 교수팀은 2011년 8월부터 2013년 1월까지 약 500일간 전남 영광 한빛원자력발전소에서 방출되는 중성미자를 1.4㎞ 떨어진 리노(Reno) 검출장비를 이용해 찾아내고 데이터를 분석했다. 그 결과, 가장 무거운 중성미자와 가장 가벼운 중성미자의 질량 차이가 전자 질량의 약 10억 분의 1정도로 매우 적다는 사실을 알아냈다.


김 교수는 “2003년 일본 연구팀이 가장 가벼운 중성미자와 중간 무게의 중성미자 간 질량 차이를 알아냈고, 이번에 가장 가벼운 중성미자와 가장 무거운 중성미자 간 질량 차이를 알아낸 만큼 3종류의 중성미자 간 질량 차이가 모두 밝혀졌다”며 “중성미자 3종류의 질량 순서는 물론 왜 오늘날 우주에서 반물질이 사라졌는지에 대한 수수께끼를 푸는 데 한 걸음 다가간 셈”이라고 설명했다.


연구결과는 물리학 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 24일자에 실렸다.

 

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