IBS, 중성미자 방출 결정 4개 1차 선정
최종 확정 결정 200kg 이상 만들어 실험 활용
IBS(기초과학연구원·원장 노도영)는 김영덕 지하실험 연구단장팀이 국제공동연구진과 함께 중성미자를 방출하는 결정 4개를 1차 선정했다고 12일 밝혔다.
최종 선정되는 결정은 향후 200kg 이상 만들어져 중성미자실험에 활용될 예정이다. 현재 가장 큰 규모의 중성미자 실험에서 사용되는 결정의 크기는 10kg이다.
중성미자는 우주를 이루는 기본입자들 중 가장 가벼운 입자로 다른 물질과 거의 반응하지 않는다. 매초 700억 개의 중성미자가 엄지손가락을 뚫고 지나가지만 우리는 전혀 느낄 수 없다. 관측이 힘들기 때문에 '유령입자'로 불리며 입자물리학의 수수께끼로 남아있다. 중성미자의 성질과 질량을 측정하기 위해 미국 샌포드 지하연구시설, 일본 카미오카 우주관측소, 이탈리아 그랑사소 연구소 등 세계 곳곳에서 대규모 실험들이 진행되고 있다.
중성미자를 얻기 위해서는 동위원소가 다른 원자로 변하면서 전자와 중성미자를 방출하는 이중베타붕괴현상을 이용해야한다. 이때 실험에 사용하는 몰리브데이트 결정이 내뿜는 빛의 특성이 중요하다. 결정의 총량이 많을수록 이중베타붕괴가 더 많이 발생해 더 좋은 결정을 찾아 무게를 늘리는 방향으로 실험방향이 갱신되고 있다.
연구진은 기존의 칼슘몰리브데이트의 단점을 해결할 여러 결정들을 성장시켰다. 칼슘몰리브데이트 결정은 방출하는 빛이 많아 데이터를 얻는 데 유리하지만 칼슘을 포함하고 있어 또 다른 이중베타붕괴를 일으켜 잡음을 발생시켰다.
이에 연구진은 기존에 연구되지 않았던 결정들의 여러 화학적 단계를 연구해 리튬, 세슘, 나트륨이 든 새로운 몰리브데이트 결정 8개를 성장시켰다. 이어 기존 국제공동연구로 성장시켰던 아연, 납 함유 결정 4개와 함께 테스트를 진행했다.
총 12개 후보 결정들의 테스트를 진행한 결과 연구자들은 다이소듐몰리브데이트(Na2Mo2O7)가 가장 적합함을 확인했다. 다이소듐을 포함한 4개 결정(다이리튬몰리브데이트, 레드몰리브데이트, 칼슘몰리브데이트)을 후보로 선정했다. 최종 선정은 극저온실험 등 추가 실험 1~2년을 거친 후에 진행할 계획이다.
이무현 IBS 연구위원은 "최근의 1.9kg 결정 실험으로는 중성미자 질량이 수소원자 질량의 10억분의 1보다 더 작다는 정보를 얻었다"며 "향후에 결정 200kg로 실험하면 민감도가 100배 더 좋아진다. 수소원자 질량의 1000억분의 1 수준과 중성미자 질량을 비교할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.
연구성과는 크리스탈 리서치 앤 테크놀로지에 게재되며, 이달의 표지논문으로 채택됐다.
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