공부하고 정리하고

어제 세상을 이루는 기본 입자가 무엇일까 라는 생각을 고대부터 현대까지 쭉 따라오면서 입자의 존재에 대해서 알아보았습니다. 마지막 부분에서 원자는 양성자와 중성자 그리고 각각은 쿼크로 이루어진다고 설명했었는데 오늘은 이 부분에 대해서 조금 더 자세히 알아보도록 하죠.

우선 쿼크에 대해 이야기하기 앞서 간단하게 핵의 내부를 먼저 들여다보겠습니다. 핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있습니다. 양성자와 중성자의 개수의 차이로 물리적, 화학적 성질이 달라집니다. 수소는 핵의 구성성분이 양성자가 하나임에 반해 헬륨은 양성자가 두개 중성자가 두 개인 것처럼 말이죠. 이처럼 양성자와 중성자의 수로 다른 원소가 될 수 있습니다. 그리고 이 상태가 불안정할 경우 붕괴라는 활동을 하는 방사성 동위원소가 되는 것 이지요. 그럼 여기서 궁금한 것이 이 양성자와 중성자가 어떻게 결합을 하고 있는지 혹은 그 내부는 어떻게 생겼을까? 궁금하신가요? 이 내부는 표준 모델로서 정의된 입자로 구성되어 집니다.

현재 정의하고 있는 입자에 대한 모델링은 표준 모형을 통해서 제시하고 있습니다. 6 종류의 쿼크와 6종류의 렙톤 4종류의 힘의 근원, 그리고 질량을 부여해주는 힉스입자까지… 이렇게 구성되어 있습니다. 쿼크는 뭐고 렙톤은 또 무엇일까요?

이 세상의 기본입자라는 존재들의 상태의 차이로 종류가 나눠집니다. 우선 상태라는 것은 각각의 특징을 결정지을 수 있는 값들을 말합니다. 이러한 값을 고유 성질이라고 하며 여기에는 스핀, 전하량, 질량이 있습니다. 우선 쿼크와 렙톤들은 스핀값은 동일합니다. 여기서 스핀이라는 것은 각각의 입자가 가지는 고유의 각운동량으로 스핀 각운동량이라고 합니다. 각운동량이라는 것이 고전에는 회전하는 물체가 가지는 운동량을 말했는데 여기서의 각운동량은 회전하지 않지만 자체적으로 그 입자가 가지는 물리량을 말합니다. 이 부분을 자세히 이해하려고 하면 머리가 아프니 아 그런게 있구나 정도로만 보고 넘어가죠. 이 스핀이라는 존재덕분에 전하량이라는것도 현재의 모습으로 결정이 됩니다. 그리고 이들이 가지는 스핀값은 1/2입니다.

쿼크는 여기서 전하량과 질량에 따라 6종류로 나눠집니다. 업쿼크와 다운쿼크, 참쿼크와 스트레인지 쿼크, 톱쿼크와 보텀쿼크로 나눠지며 전하량은 두 개씩 묶은 세트 중 앞에 쿼크가 +2/3을 뒤에가 -1/3을 가지게 됩니다. 그리고 질량은 업, 다운이 가장 가볍고 톱쿼크가 가장 무겁습니다. 그런데 현재 우리가 알고 있는 모든 물질들은 업쿼크와 다운쿼크로 이루어집니다. 나머지 4개의 쿼크는 안 쓰입니다. 음 왜 있을까요? 저도 잘 모릅니다….ㅎㅎ 저 먼 우주에서는 이 쿼크를 사용한 물질이 있을지도 모르고 혹은 지금 옆에 있지만 파악이 안된 암흑물질과 같은 물질을 이루고 있을지도 모릅니다. 이것은 아직은 아무도 모릅니다. CERN에서 열심히 찾고 있을것으로 생각이 됩니다.

표준모델에서 6개의 쿼크는 알아보았고 이번에 렙톤을 한 번 보겠습니다. 렙톤은 경입자라하여 쿼크는 자기 혼자 존재하지 못하지만 이 렙톤은 쿼크와 다르게 핵력의 힘을 받지 않습니다. 대표적으로 전자가 있죠. 여기에는 전자, 뮤온, 타우가 있고 각각에 해당하는 전자 뉴트리노, 뮤온 뉴트리노, 타우 뉴트리노가 있습니다. 이들은 각각이 반입자를 가지게 되고 전하량과 질량이 전자와, 뮤온과 타우간에 차이가 존재합니다. 반입자라는것은 제가 추후에 자세히 설명하겠지만 전하량을 반대 부호로 가지는 입자를 말합니다.

여기서 뉴트리노는 처음에는 질량이 없다고 판단이 되었는데 서로 간에 교환이 일어나는 현상이 발견되었습니다. 그런데 서로간에 바뀌는 현상이 있기 위해서는 질량을 가져야 합니다. 그래서 이론적으로는 질량이 있다고 생각을 하고 있고 지금 검출을 하려고 노력하고 있습니다.

그리고 마지막으로 보존 입자는 힘을 매개하는 입자입니다. 4가지의 힘의 근원이 있고 또한 진짜 마지막으로 입자들에게 질량을 부여해주는 힉스입자가 존재합니다. 이 부분들은 따로 포스팅하도록 하겠습니다.

이 표준모델의 입자를 이해하려면 양자역학에 대한 이해도가 존재해야 합니다. 저 또한 물리학을 공부하였지만 아직 양자에 대한 이해도는 양자를 접해보지 않은 분들과 크게 다르지 않습니다. 왜냐하면 배우기는 배웠지만 제대로 이해를 아직 못했기 때문이죠…ㅠㅠ 양자는 정말 어렵답니다. 그래서 저는 아직도 이해를 하고 있는 과정 중에 있습니다. 하지만!! 이 미세입자를 들여다보고 있노라면 정말 이 세상이 신기하고 우리가 알고 있는 부분이 얼마나 빙산의 일각일까 라는 생각을 하곤 합니다. 저는 단지 이런 저의 감정만이라도 전달되었길 바랍니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지의 출처는 구글 이미지임을 알립니다”

여러분들은 뉴트리노에 대해서 들어본 적이 있으신가요? 오늘 소개할 연구는 뉴트리노 검출에 관한 연구입니다. 일단 뉴트리노를 한 번 알아보고 시작하겠습니다.

기본입자의 표준모델

이 세상을 이루는 가장 작은 물질이 무엇이라고 생각하시나요? 그 옛날 아리스토텔레스 시절에는 자연의 물, 불, 공기, 흙 등이 가장 기본입자라는 방식으로 생각하였습니다. 육안으로 관찰할 수 있는 가장 기본 단위로 보이기 때문이죠. 하지만 그 후 시간이 흘러 사람들은 분자, 원자라는 존재를 알게 되었고 돌턴에 이르러서는 원자의 모델을 제시합니다. 이후 이 구조가 더 자세히 구조화가 되어 결국 보어의 모델에 이어 현대 물리학에서 생각하는 표준 모델까지 이릅니다. 여기서 중요한 점은 원자라는 것이 Atom으로 그리스어에서 파생된 단어입니다. 그리스어로 더 이상 나뉠 수 없는 이라는 뜻인데 실상은 그럴까요? 원자를 들여다보면 원자를 이루는 구성물질들이 존재합니다. 이 물질들은 아래 그림과 같습니다.

위 그림에 나오는 쿼크, 렙톤, 보존을 각각 설명하는 것은 여기서는 한계가 있기에 다음에 기회가 되면 따로 포스팅을 하도록 하겠습니다.

여기서 눈여겨볼 것은 렙톤에 속한 전자, 뮤온, 타우입니다. 이러한 것들이 발생할 때는 보통 각각의 뉴트리노가 동반으로 발생합니다. 제가 오늘 소개하는 연구는 전자 뉴트리노입니다. 이를 검출하는 연구가 있습니다.

뉴트리노 검출

뉴트리노는 반응을 잘 안 합니다. 즉, 주의의 매질과 상호작용을 안 한다는 말인데 기본적으로 현재 우리가 사용하는 검출기라는 장비들은 검출기에 상호작용을 하는 대상을 찾아내는 것입니다. 하지만 반응을 안한다면 찾기에 어려움이 있을 겁니다.
그래서 뉴트리노를 검출할 수 있는 방법은 두 가지가 있습니다. 하나는 우주선(cosmic ray)으로부터 찾아내는 것이고 하나는 뉴트리노를 내는 인공 방사성 동위원소를 활용하는 방법입니다. 첫번째 방법은 아주 거대한 계측기를 만들어야 하며 신호대 잡음비가 클 것입니다. 하지만 두번째는 인공 방사성 동위원소가 규칙적으로 만들어내는 뉴트리노를 검출합니다. 제가 소개하는 방법은 두 번째 방법입니다.

방사성 동위원소를 이용한 뉴트리노 검출

우선 사용하는 방사성 동위원소는 중성자가 원래 안정 핵종보다 많은 중성자 과잉 핵종이어야 하며 보통 두 번 정도 베타 붕괴를 하는 더블베타 붕괴핵종을 사용합니다. 즉, 붕괴를 하면서 베타선을 내는 핵종입니다. 그리고 베타선과 뉴트리노가 동반 방출됩니다.

이러한 실험을 위해 방사성 동위원소를 우선 만듭니다. 연구용 원자로나 사용 후 핵연료에서 이 물질이 많이 들어 있습니다. 바로 방사성 폐기물안에 말하는 것입니다 . 그대로 들고 가서 사용하면 알파선 감마선 등등 실험에 불필요하며 방해되는 잡음이 많으므로 최대한 농축된 순순한 한 선원만 사용하기 위해 재처리와 농축을 실시하며 순수한 방사성 동위원소를 만듭니다. 이 실험을 위해 사용하는 물질은 100MO 이라는 물질이며 더블 베타 붕괴를 하게 됩니다.
자 그럼 뉴트리노를 내는 물질을 만들었으면 바로 실험을 하면 될까요? 아닙니다. 만약 지상에서 실험을 하게 된다면 잡음이 나오게 됩니다. 그리고 말했듯이 뉴트리노는 반응을 거의 안 합니다. 그러므로 잡음보다 약한 신호를 내기 때문에 잡음을 없애기 위해 지하 깊숙한 곳으로 들어가서 이 동위원소와 검출 장비를 두고 검출을 시도합니다. 뉴트리노는 빛의 속도로 날아오고 확률은 극히 미미하지만 0은 아닙니다. 가끔 검출기에 부딪혀 에너지를 발산하는데 이때 빛으로서 방출됩니다. 이 빛은 체렌코프 복사라 하는데 원자로에서 보면 푸른색 빛이 나오게 되는데 이 빛과 동일한 원리입니다.

뉴트리노를 왜 찾으려 하나?

뉴트리노를 떠나서 기본 입자의 성질을 명확히 파악하는 일은 중요한 일입니다. 적을 알아야 적을 이길 수 있는 것처럼 기본 입자 모델에 대한 명확한 이해가 있어야 결국 응용 분야도 더 발전할 수 있을 것이고 또한 우리가 모르는 새로운 물리이론을 발견하거나 우주 탄생의 기원의 비밀을 알게 될지도 모릅니다. 전에 포스팅하였던 암흑물질과 암흑에너지도 직접 검출을 위해 노력하고 있습니다. 

-이미지 출처-

1. https://www.symmetrymagazine.org/article/is-the-neutrino-its-own-antiparticle
2. https://www.visionlearning.com/en/library/Chemistry/1/
3. https://phys.org/news/2015-05-particle-physics-discovery-theory.html
4. https://www.wired.com/2012/03/strange-neutrinos-experiments/
5. http://photonterrace.net/en/photonlab/ohsuka/02/
6. http://www.rogerarm.freeuk.com/Pages/NeutrinoLessDblBetaDecay.htm
7. http://cerncourier.com/cws/article/cern/68795