중성미자 질량 발견한 카지타·맥도널드, 노벨물리학상 수상

[白山]

중성미자 질량 발견한 카지타·맥도널드, 노벨물리학상 수상

기사입력 2015-10-06 22:07

      

올해 노벨 물리학상 수상자는 타카아키 카지타 일본 도쿄대 교수와 아서 B.맥도날드 캐나다 퀸즈대학 명예교수가 수상했다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 6일 중성미자가 질량을 갖고 있다고 밝힌 카지타 교수와 맥도날드 교수를 올해

노벨 물리학상 수상자로 결정했다.

중성미자는 원자핵이 붕괴될 때 방출되는 중성전하를 띤 기본입자로 전자와 뮤온, 타우 등 세종류가 존재하며

1998년까지 질량이 없는 것으로 여겨져 왔다.

중성미자의 존재는 1930년부터 예상됐지만, 수십년동안 천체 물리학의 수수께끼로 남아있었다.

 

 타카아키 카지타 일본 도쿄대 교수와 아서 B.맥도날드 캐나다 퀸즈대학 명예교수

카지타 교수는 지난 1998년에 중성미자의 존재가 발견됐다는 연구결과를 밝힌 바 있다.

맥도날드 교수도 1999년 퀸스대학 서드베리 중성미자 관측소에서 검출기에 의해 중성미자가 발견됐다고 발표했다.

노벨위원회는 이러한 발견이 “물질 내부의 작용에 대한 이해를 바꾼 역사적인 발견”이라고 설명했다.

지난 2013년 힉스 입자와 관련해 노벨상이 수여된 후 2년 만에 입자물리학 연구 분야에 또 한 번 노벨상이 주어졌다.

중성미자 연구로 노벨 물리학상을 받은 경우는 네 번째다.

카지타 교수는 일본의 슈퍼카미오칸테 검출기에서 중성미자를 발견했다.

중성미자가 질량이 있으면 두개가 섞인다는 것을 발견한 것.

비슷한 시기 맥도날드 교수는 태양에서 나온 전자 중성미자가 타우 중성미자와 뮤온 중성미자로 바뀌는 것을 발견했다.

태양의 행융합 반응에서 중성미자가 나오는데, 이것이 사라진다는 것은 다른 중성미자로 변했기 때문이고,

그것은 곧 질량이 있다는 것을 의미한다. 특히 중수를 사용해 태양 중성미자를 검출한 것이 특징이다.

박인규 서울시립대 물리학과 교수는 "이 발견은 중성미자가 질량이 있어 형태를 바꾼다는 것을 알아낸 것"이라며

"입자물리학을 하는 사람들에게는 엄청난 발견"이라고 설명했다.

한편 노벨 물리학상 수상자 두 명은 노벨상 상금 800만 크로나(약 11억2천만원)를 나눠받게 된다.

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중성미자

[ 中性微子 , neutrino음성듣기 ]

중성자(neutron)가 β붕괴로 양자와 전자로 파괴될 때 이와 함께 방출되며

'뉴트리노(neutrino)'라고도 한다. 뉴트리노는 전자기의 전하가 없어 '중성입자'라는 뜻의

뉴트로(neutro)라는 말과 '작다'라는 뜻의 이탈리아 어 접미어인 이노(-ino)의 합성어다.

중성자(neutron)와 구별하기 위해 이 접미사가 붙여졌다.

정지 질량이 0, 속도는 광속과 비슷하며 스핀이 2분의 1인 소립자다.

전하를 가지지 않아 물질과의 작용이 거의 없기 때문에 관통력이 크다.

결합하는 미립자에 따라 일렉트론, 뮤온, 타우 등 세 가지 타입으로 분류할 수 있다.

방사성 물질의 붕괴, 태양 같은 별 내부의 핵융합, 그리고 초기 우주의 대폭발 과정의 부산물로

생성된다. 중성미자는 1930년대에 예견되었으며 1950년대 이후에 보통 물질과 중성미자의

상호작용이 검출됨으로써 그 존재가 증명되었다.

중성미자의 발견

중성미자의 존재는 일찍이 1930년대에 예측되었지만 실제 발견된 것은 1956년 미국의 과학자들이 핵반응기로부터

검출한 것이 처음이다. 중성미자는 역사적으로 방사능 물질의 베타붕괴 때에 에너지보존법칙을 설명하기 위해 도입되었다.

20세기 초 물리·화학현상 중 가장 불가사의한 것은 방사능 물질의 베타 붕괴 전후 에너지보존법칙이 성립되지 않는다는

사실이었다. 1930년 파울리는 '전기적으로 중성이며 질량이 0이거나 전자에 비해 훨씬 작은 입자'가 전자와 함께 방출된다

고 가정하면 에너지보존법칙이 성립한다는 것을 지적해 중성미자의 존재를 이론적으로 예언했다.

그 후 1953년에 이르러 실험적 검출을 거쳐 중성미자의 존재가 실증되었고

1989~90년에 걸쳐서 중성미자의 종류가 전자형, 뮤온형, 타우형의 세가지뿐이라고 결정되었다.

중성미자는 다른 입자들과 상호작용을 거의 하지 않아 우주 내에서 가장 포착하기 힘들며,

따라서 중성미자를 검출하기 위한 관측소는 지하 깊은 곳에 설치된다.

일반적으로는 오래된 깊은 광산 속에 검출기를 만든다.

중성미자의 질량

그동안 중성미자는 질량이 0이거나 0에 가깝다고 알려져 왔다.

그런데 1998년 이후 중성미자가 질량을 가지고 있음으로 보여 주는 실험결과가 나와 관심을 끌었다.

한·미·일 공동 연구진으로 이루어진 '중성미자진동실험(K2K: KEK to Kamioka) 국제연구팀'은 1998년 세계 최대의

뉴트리노 검출기인 일본의 슈퍼카미오칸데가 2년 동안 관측한 결과를 발표했는데, 그에 따르면 지구 대기층에서

생성된 뉴트리노는 검출기에 도달하기 전 진동을 일으켜 다른 뉴트리노로 변환됐다.

이러한 사실은 뉴트리노가 질량을 가지고 있다는 것을 간접적으로 증명하는 것이다.

또 2000년 국제 공동연구팀은 뉴트리노(중성미자)에 질량이 있을 확률이 95%에 달한다는 연구결과를 발표했으며,

2004년에는 세계 최초로 인위적으로 만든 중성미자 빔을 이용한 실험을 통해 중성미자의 질량을 확인했다.

우주에서 중성미자의 존재

현대 과학에서 중성미자는 우주론적으로 매우 중요시되고 있는데, 빅뱅이론에 의하면 중성미자는 태초에 빅뱅이 있은

직후 생성된 전파(우주 배경복사)와 함께 생겨나 아직까지 붕괴되지 않고 남아 우주를 떠돌고 있다.

또 중성미자는 태양 같은 별 중심부의 핵융합을 통해서도 생성된다.

그래서 이 중성미자를 검출해 우주를 관측하려는 중성미자망원경도 발명되었다.

이 중성미자망원경은 별의 표면에서 나온 빛과 전파를 탐지하는 광학망원경이나 전파망원경과는 달리 별 속 깊은 곳에서

핵융합반응을 일으켜 방출되는 중성미자를 검출함으로써 별의 내부 정보를 알아내려는 것이다.

현재 이 망원경은 미국, 일본, 러시아, 이탈리아 등 몇 군데밖에 존재하지 않는다.

그것도 빛이나 다른 전파의 간섭을 피하기 위해 호수나 광산 깊숙이 위치한다.

이곳에서는 지구의 지층을 꿰뚫고 지구 반대편의 태양을 사진으로 찍는다.

태양이 핵융합을 할 때 중심부에서 방출된 중성미자가 태양과 지구를 뚫고 망원경에서 검출되는 것이다.

유도 베타 붕괴를 통한 직접검출

표준모형의 왼손 중성미자

이름	기호	질량
1세대 (전자-)
전자 중성미자		< 2.5 eV
전자 반중성미자		< 2.5 eV
2세대 (뮤온)
뮤온 중성미자		< 170 keV
뮤온 반중성미자		< 170 keV
3세대 (타우온)
타우 중성미자		< 18 MeV
타우 반중성미자		< 18 MeV

중국의 왕칸창(Kan-Chang Wang)은 1942년 중성미자의

실험적 검출방법으로 베타포획의 사용을 처음으로 제안하였다^[2].

이에 1946년 코웬 클라이드(Clyde Cowan) 과

라이너스 프레드릭(Frederick Reines) 외 그의 동료

( 해리슨 F. B.(F. B. Harrison), 크루스 H. W.(H. W. Kruse),

그리고 맥과이어 A. D(A. D. McGuire)) 은 이 과정을 통해 실제로

중성미자를 검출하였다^[3]. 이후 이 실험은

코웬-레인스 중성미자 실험으로

알려지게 되며, 이들에게 중성미자 검출의 공로로써

1995년의 노벨 물리학상이 주어졌다.

[白山]

전자의 정지 질량 = 0.911MeV
중성미자 질량은 0.911 X 10^6 / 0.28 = 3.25 X 10^8 즉, 전자질량의 3억2천 5백만배 적습니다.
약 3억분의 1이지요
* 1eV = 1.782662 x 10^-36 kg

우주 초기 모든 에너지(열과 물질)들은 GeV단위로 표현하곤 합니다^^