온라인으로 장종훈회원님, 수학모임에서 이종필박사님께 여쭈어보고 자료를 찾아서 정리해봤습니다.

 

작년 몇 월호 '뉴튼'에 일본에서 곧 가동될 가속기 JPARC에대한 특집이 나왔었죠. JPARC을 이용해서 이런저런 것들을 한다고 써있었고, 그 중 하나로 중성미자에대한 미스테리(?)에 한 발 다가갈 수도 있다는 내용이었습니다.

 

참고로

JPARC은 작년 12월 가동을 시작했습니다.

※공식 홈페이지 : http://j-parc.jp/index-e.html

※성공적인 가동을 축하하는 기사 : http://j-parc.jp/en/topics/2008/50Gev011.html

(이 기사에 나온 관련 사진은 '축하'하는 게 아니고, '농성'하는 분위기같군요 ㅎㅎ)

※중성미자의 질량에대한 참고 자료를 첨부했습니다. 아래 글은 거의 이 자료를 참고 했습니다.

※초초보 아마추어의 시각에서 쓴 글이므로 물리학 전공하신 분이 보면 걸리는 부분이 많을 겁니다. 오개념이 심하면 꼭 지적해주세요.

 

일단, '입자'와 '입자 사이의 상호작용'을 설명하는 물리이론인 표준모형은 1970년대 이래로 (거의) 모든 실험을 잘 설명해왔습니다. 그런데, 중성미자의 질량에대한 문제때문에 이론이 수정될 수도 있다는 겁니다.

 

중성미자가 등장한 배경은 이렇습니다.

불안정한 중성자는 베타붕괴라는 걸 하고, 이 때 중성자가 양성자로 바뀌면서 동시에 전자를 방출합니다. 이 과정에서 '에너지보존법칙','운동량보존법칙','각운동량보존법칙'이 성립하지 않았던 겁니다.

 

이 때문에 닐스보어는 '원자핵의 세계에서는 이런 보존법칙이 성립하지 않을지도 모른다'고 생각했답니다. 그런데, 1930년에 볼프강 파울리가 새로운 입자를 제안합니다. 전하 0, 스핀 1/2 인 입자를 제안해서 베타붕괴할 때 위의 보존법칙이 성립하도록 한거죠.

 

실제로 이런 물질이 있다는 걸 확인해야했습니다. 그런데 중성미자는 물질과 매우 약하게 반응하기 때문에 못찾고 있었죠. 그러다가 1956년에 '반'중성미자를 찾았다고 합니다. 그리고, 1958년에는 중성미자의 handedness를 측정했습니다.

 

handedness는 '입자의 운동방향에대한 스핀의 방향'을 의미합니다. 운동방향과 스핀의 방향이 일치하면 right-handed, 정반대이면 left-handed입니다.

실험결과 중성미자는 항상 left-handed였습니다. 이로부터 중성미자의 질량이 0이라는 결론이 나옵니다.

 

질량이 0인 이유를 설명하기위해 특수상대성이론에서 '질량이 있는 물질은 빛의 속도에 이를 수 없다'는 걸 이용합니다. (질량이 있다 → 빛의 속도에 이를 수 없다)

 

때문에 중성미자의 질량이 있다면, 빛의 속도보다 느립니다. 결국, 어떤 관찰자가 중성미자를 따라잡을 수 있습니다. (빛의 속도보다 느리다 → 따라잡힌다)

 

따라잡는 순간, 관찰자의 입장에서는 중성미자의 handedness가 바뀝니다. 그런데, 실험결과 중성미자는 항상  left-handed였습니다. right-handed의 중성미자는 발견된 적이 없습니다. 이것이 사실이라면, 중성미자는 (right-handed가 없기 때문에) 절대 handedness가 바뀔 수 없습니다. 즉, 다른 관찰자에의해 따라잡힐 수도 없으며, 질량은 0이 되어야 합니다.

 

표준모형에서 왜 중성미자의 질량이 0일까?

이 이론에서는 아무리 비어있는 진공상태도, '힉스보손'이라는 스핀이 0인 입자로 가득 채워져있습니다. 어떤 입자가 이 진공을 지날 때, 진공 안의 '힉스보손'과 상호작용을 하면, 그 때마다 handedness가 변합니다. 상호작용을 많이 할수록 (아마도 속도가 더 느려지기 때문에) 질량이 커집니다.

예를들어, 뮤온은 전자보다 더 자주 힉스보존과 충돌하기 때문에 뮤온의 질량은 전자의 질량보다 약 200배정도 더 크고, 가장 무거운 탑쿼크는 거의 항상 힉스보손과 충돌한다고 합니다. (충돌하는 것 자체가 질량을 만드는 거라고 보면 될 것 같습니다.)

 

진공에 중성미자를 발사해봤습니다. 이 때 left-handed의 중성미자가 힉스보손과 상호작용을 한다면, 당연히   right-handed로 바뀝다. 그런데, 실험결과 전혀 handedness가 바뀌지 않았습니다.

결국 right-handed의 중성미자는 없고, 때문에 handedness가 바뀔 수도 없어서 힉스보손과 상호작용을 하지 않는다. 즉, 질량이 없다는 결론이 나옵니다.

이러한 이유로 표준모형에서 중성미자의 질량은 0입니다.

 

그런데, 1998년 일본에서 슈퍼카미오칸데라는 중성미자 관측장치의 실험결과 중성미자의 질량이 있다는 결과가 나왔습니다.

'우주선'은 대기의 산소, 질소핵과 충돌하고 그 결과 중성미자를 생성합니다. 이 중성미자를 '대기 중성미자'라고 하고, 이의 대부분은 뮤온중성미자입니다. (중성미자는 세 종류가 있습니다. 전자중성미자, 뮤온중성미자, 타우중성미자) 뮤온중성미자는 물질과 아주 약하게 반응하기 때문에 관측이 매우 힘듭니다. 이 입자는 물과 반응합니다. 하지만, 역시 아주 약한 반응이므로 거대한 물탱크에 물을 담아서 관측을 시도했습니다. 그것이 슈퍼카미오칸데입니다.

 

슈퍼카미오칸데는 5만톤의 '물'로 채워져 있는 거대한 물통이고, 지하 깊숙이 있습니다. 중성미자가 물의 원자핵과 반응하여 전자, 뮤온, 타우를 생성합니다. 그 과정에서 세렌코프 방사선(Cerenkov radiation)이라 불리는 '빛의 충격파'를 생성합니다. 물탱크를 둘러싸고 있는 광증폭 센서가 이 방사선을 찾아냅니다.

 

슈퍼카미오칸데를 이용하면 중성미자의 '존재여부'뿐아니라, 중성미자가 날아오는 '방향'도 알 수 있습니다. 즉, 중성미자가 지구 반대편에서 날아왔는지 아니면 이쪽편에서 날아왔는지를 구분할 수 있습니다.

중성미자는 물질과 거의 반응을 하지 않으므로 지구 반대편의 '대기 중성미자'도 아무 문제없이 지구를 관통합니다. 때문에, 슈퍼카미오칸데에서 측정한 [지구를 관통한 대기 중성미자]와 [같은편의 대기 중성미자]의 양은 서로 거의 같아야 합니다. 하지만, 실험결과 지구를 관통한 중성미자의 양은 반으로 줄어 있었습니다.

 

이에대한 가장 그럴듯한 해석은 '슈퍼카미오칸데는 타우 중성미자를 측정할 수 없다'는 걸 이용합니다. 지구를 관통하면서 뮤온중성미자가 '진동'했고, 그 결과 약 절반의 뮤온중성미자가 타우중성미자로 변했습니다. (이걸 flavor oscillation이라고 합니다) 타우중성미자로 변했기 때문에 수퍼카미오칸데는 측정하지 못했던 겁니다. 중성미자가 저절로 변했다는 건, 빛의 속도보다 느리게 이동했다는 증거이고, 결국 질량이 있다는 겁니다.

 

중성미자 질량의 존재를 보여주는 다른 실험들도 있지만, 생략합니다.

 

이러한 이유 때문에 1970년 이래로 수많은 실험을 잘 설명해온 표준모형에 큰 수정이 필요하다는 의견이 있습니다. 그 중 여분의 차원을 도입하자는 의견, 물질과 반물질의 구분을 없애야 한다는 의견이 있습니다.

 

아래는 장종훈님께서 찾아주신 관련 자료들입니다.

http://en.wikipedia.org/wiki/Super-Kamiokande

 

아래는 첨부된 화일을 바탕으로 만든 웹페이지입니다.

 

덧붙이면, 제일 처음에 나온 베타붕괴를 기술하면 아래와 같습니다.

 

중성자가 붕괴해서 양성자, 전자, 반중성미자가 됩니다.

즉, 파울리가 생각했던 입자는 반중성미자였습니다.