연세대 김충선 교수 "중성미자 질량 비밀 LHC실험으로 풀 수 있다"

(대전) 이주영 기자 = 올해 노벨물리학상을 받은 중성미자(neutrino) 질량의 근본 비밀을 밝혀줄 새 이론을 한국·칠레 물리학자가 제시해 큰 관심을 끌고 있다.

미국물리학회 뉴스 사이트(APS Physics : http://physics.aps.org/)는 최근 'LHC 데이터가 중성미자 본질을 밝혀줄 수 있다'(LHC Data Might Reveal Nature of Neutrinos)는 제목으로 연세대 물리학과 김충선 교수의 논문을 소개했다.

'LHC에서의 W-보손 입자보다 가벼운 비활성 중성미자 탐색(Discovering sterile neutrinos lighter than Mw at the LHC)'이라는 이 논문은 김 교수가 칠레 산타마리아대 클라우디오 딥 교수와 함께 APS 학술지 '피지컬 리뷰 D'(Physical Review D, 11월 18일자)에 발표한 것이다.

가지타 교수 등은 우주에 빛 입자인 광자에 이어 두번째로 많은 중성미자가 전자, 타우, 뮤온 등 세가지 다른 형태변환을 하는 것을 발견, 중성미자에 질량이 있음을 증명한 공로로 노벨물리학상 수상자가 됐다.

그러나 이는 중성미자가 영(0)이 아닌 매우 작은 크기의 질량을 가지고 있음을 밝힌 것일 뿐 중성미자 질량이 왜 그렇게 작은지 등에 대한 답은 전혀 주지 못했다.

중성미자의 정확한 질량을 측정하고 왜 그렇게 질량이 작은지 밝혀내는 후속연구는 앞으로 노벨상을 받을 수 있는 중요한 연구주제로 꼽힌다.

미립자 가운데 전자나 양성자 같은 페르미 입자(페르미온)들은 질량은 같지만 전하만 반대인 별도의 반입자가 있는 디랙(Dirac) 입자와 입자-반입자가 똑같은 마요라나(Majorana) 입자로 나뉜다.

유럽입자물리연구소(CERN) 거대강입자충돌기(LHC) 실험에 참여 중인 서울대 양운기(물리학과) 교수는 "중성미자가 마요라나형 페르미온인지, 디랙형 페르미온인지는 중성미자 질량의 근원에 대한 중요한 문제"라며 "이를 밝히기 위해 과학자들은 지금까지 '중성미자가 없는 이중베타붕귀 현상'에 주목해 왔지만, 아직 밝혀내지 못했다"고 말했다.

김 교수팀은 논문에서 중성미자가 마요라나형인지 디랙형인지에 관한 입자물리학의 근본 의문에 대한 답을 LHC 실험으로 밝혀낼 수 있다는 새 이론을 제시했다.

현재 LHC에서 진행되고 있는 실험에서 극단적으로 드물게 생성될 수 있는 무거운 중성미자가 전자, 뮤온, 중성미자의 특정한 결합으로 붕괴되는 현상이 일어나는지 관찰하면 그 정체를 확인할 수 있다는 것이다.

연구진은 이런 특정 붕괴가 아직 실험실에서 관측되지 않았지만, 비활성 중성미자(Sterile Neutrino)를 이용해 이런 붕괴가 이론적으로 가능하다고 예측하고 LHC의 다음 작동에서 이런 붕괴가 수천번 정도 일어날 것으로 추정했다.

APS Physics는 김 교수팀이 제안한 이론이 LHC 실험에서 머지않아 검증될 것이라며 중성미자를 마요라나 입자로 가정하는 모델들은 중성미자의 극히 작은 질량을 자연스럽게 설명할 수 있어 매우 흥미롭다고 밝혔다.

김 교수는 "비활성 중성미자 존재가 실험실에서 밝혀지면 이는 새로운 형태의 무거운 중성미자 존재가 증명되는 것이고 우주 속에 있어야만 하는 암흑물질 존재도 최초로 밝혀지는 것"이라고 말했다.

또 "이는 1930년에 제안된 입자·반입자가 같은 새로운 형태의 입자가 실험실에서 처음 밝혀지는 것이고, 입자물리 표준모형에 존재하는 매우 가벼운 중성미자 질량 문제를 해결할 실마리도 동시에 제공하게 된다"고 덧붙였다.

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