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우주 비밀 밝힐 '新 결정' 개발

IBS, 중성미자 방출 결정 4개 1차 선정
최종 확정 결정 200kg 이상 만들어 실험 활용
이번 논문에 사용된 12종 결정섬광체의 샘플 사진<사진=IBS 제공>이번 논문에 사용된 12종 결정섬광체의 샘플 사진<사진=IBS 제공>

대규모 중성미자 실험의 원천이 될 새로운 결정이 개발됐다.

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.  

연구를 수행한 이무현 IBS 연구위원과 김홍주 경북대 교수.<사진=IBS 제공>연구를 수행한 이무현 IBS 연구위원과 김홍주 경북대 교수.<사진=IBS 제공>

연구진은 4개 결정을 6kg로 증가시켜 1단계 실험을 준비 중이다. 향후 선택된 결정은 200kg로 만들어 2021년 강원도 정선에서 진행되는 실험에서 약 5년간 사용된다.

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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