유령 입자에 숨겨진 단서가 우리가 존재하는 이유를 설명할 수 있습니다.

처음으로 세계 최대 규모의 중성미자 실험 두 곳인 일본의 T2K와 미국의 NOvA가 데이터를 결합하여 우주를 채우지만 어떤 것과도 거의 상호작용하지 않는 거의 눈에 보이지 않는 입자인 중성미자 연구에서 전례 없는 정밀도를 달성했습니다.

최근에 발표된 공동 분석 자연중성미자가 우주를 여행하면서 한 유형에서 다른 유형으로 어떻게 변하는지에 대한 가장 정확한 측정값을 제공합니다. 이 이정표는 우주의 진화에 대한 우리의 이해를 심화시키거나 심지어 현재의 과학 이론에 도전할 수 있는 미래 연구의 길을 열어줍니다.

미시간 주립대학교의 물리학 및 천문학 교수이자 T2K의 공동 대변인인 Kendall Mahn이 협력 조정을 도왔습니다. 두 실험의 장점을 결합함으로써 팀은 둘 다 자체적으로는 도달할 수 없는 결과를 달성했습니다.

만씨는 “이것은 우리 분야의 큰 승리였다”고 말했다. “이것은 우리가 이러한 테스트를 수행할 수 있고 중성미자를 더 자세히 조사할 수 있으며 함께 작업하는 데 성공할 수 있음을 보여줍니다.”

물질이 존재하는 이유

물리학자들에 따르면, 초기 우주에는 동일한 양의 물질과 반물질이 포함되어 있었어야 했습니다. 그랬다면 둘은 서로를 완전히 멸망시켰을 것이다. 그러나 물질은 어떻게든 살아남았으며 그 이유에 대한 명확한 이유는 없습니다.

많은 연구자들은 끊임없이 우리를 통과하지만 거의 상호 작용하지 않는 작은 입자인 중성미자의 이상한 행동에 그 답이 숨겨져 있을 수 있다고 믿습니다. 이러한 입자가 움직일 때 “맛”이 바뀌는 중성미자 진동이라는 과정을 이해하면 물질이 반물질보다 승리한 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 프로젝트에 참여했던 MSU 박사후 연구원인 Joseph Walsh는 “중성미자는 잘 이해되지 않았습니다.”라고 말했습니다. “그들의 질량이 매우 작다는 것은 그들이 자주 상호 작용하지 않는다는 것을 의미합니다. 태양에서 나온 수백 조 개의 중성미자는 매초 여러분의 몸을 통과하지만 거의 모두 곧바로 통과할 것입니다. 우리는 강력한 소스를 생성하거나 매우 큰 탐지기를 사용하여 우리가 보고 연구할 수 있도록 상호 작용할 수 있는 충분한 기회를 제공해야 합니다.”

실험의 작동 방식

T2K와 NOvA는 모두 장기 기준선 실험으로 알려져 있습니다. 각각은 두 개의 검출기로 집중된 중성미자 빔을 보냅니다. 하나는 소스 근처에 있고 다른 하나는 수백 마일 떨어져 있습니다. 두 검출기의 결과를 비교함으로써 과학자들은 중성미자가 어떻게 변화하는지 추적할 수 있습니다.

실험은 설계, 에너지, 거리가 다르기 때문에 데이터를 결합하면 연구자들이 더 완전한 그림을 얻을 수 있습니다.

NOvA 공동 작업자인 Liudmila Kolupaeva는 “공동 분석을 수행하면 각 실험만으로 생성할 수 있는 것보다 더 정확한 측정값을 얻을 수 있습니다.”라고 말했습니다. “원칙적으로 고에너지 물리학 실험은 동일한 과학적 목표를 갖고 있더라도 서로 다른 설계를 갖고 있습니다. 공동 분석을 통해 이러한 설계의 보완적인 기능을 사용할 수 있습니다.”

중성미자 질량의 수수께끼

이 연구의 주요 초점은 어떤 중성미자 유형이 가장 가벼운지를 묻는 ‘중성미자 질량 순서 지정’입니다. 이것은 저울로 입자의 무게를 재는 것만큼 간단하지 않습니다. 중성미자는 세 가지 질량 상태로 존재하며, 중성미자의 각 맛은 실제로 이러한 상태의 혼합입니다.

과학자들은 질량 배열이 “정상적인” 패턴(가벼운 두 개와 무거운 것 하나)을 따르는지 아니면 “역전된” 패턴(무거운 두 개와 가벼운 것 한 개)을 따르는지 확인하려고 노력하고 있습니다. 일반적인 경우, 뮤온 중성미자는 전자 중성미자가 될 가능성이 더 높은 반면, 반물질 파트너는 그렇게 될 가능성이 적습니다. 반전 패턴에서는 반전이 발생합니다.

중성미자와 반물질 사이의 불균형은 이러한 입자가 전하 패리티(CP) 대칭으로 알려진 원리를 위반한다는 것을 의미할 수 있습니다. 즉, 중성미자는 반대편 거울과 정확히 동일하게 행동하지 않는다는 의미입니다. 그러한 위반은 물질이 우주를 지배하는 이유를 설명할 수 있습니다.

결과가 보여주는 것

NOvA와 T2K의 결합된 결과는 아직 대량 주문을 결정적으로 가리키지 않습니다. 향후 연구에서 정상적인 순서가 확인된다면 과학자들은 CP 대칭이 깨졌는지 여부를 명확히 하기 위해 더 많은 데이터가 필요할 것입니다. 그러나 역순이 옳다고 입증된다면, 이 연구는 중성미자가 실제로 CP 대칭을 위반할 수 있으며 물질이 존재하는 이유에 대한 강력한 단서를 제공할 수 있음을 시사합니다.

중성미자가 CP 대칭을 위반하지 않는 것으로 밝혀지면 물리학자들은 물질의 존재에 대한 가장 강력한 설명 중 하나를 잃게 될 것입니다.

이러한 결과는 중성미자 미스터리를 완전히 해결하지는 못하지만, 과학자들이 파악하기 어려운 입자에 대해 알고 있는 지식을 확장하고 물리학 분야의 국제 협력의 힘을 보여줍니다.

NOvA 협력에는 8개국 49개 기관의 250명 이상의 과학자와 엔지니어가 포함됩니다. T2K 팀에는 15개국 75개 기관의 560명 이상의 구성원이 참여하고 있습니다. 두 그룹은 2019년부터 이 분석 작업을 시작하여 8년간의 NOvA 데이터와 10년간의 T2K 결과를 병합했습니다. 두 실험 모두 향후 업데이트를 위해 계속해서 새로운 정보를 수집합니다.

T2K 공동 작업자인 Tomáš Nosek은 “이러한 결과는 중성미자 물리학, 탐지 기술 및 분석 기술 분야의 많은 전문가가 참여하고 매우 다른 환경에서 작업하며 다양한 방법과 도구를 사용하는 두 가지 고유한 협업에 대한 협력과 상호 이해의 결과입니다.”라고 말했습니다.