공부하고 정리하고

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