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1. 개요
中性微子 / neutrino렙톤의 한 종류. 어원은 '작은 중성자'다.[1] 1933년 엔리코 페르미가 중성자(neutron)에 작다는 뜻의 이탈리아어 접미사 -ino 를 붙여서 만들었다. 기호로는 [math(\nu)]를 사용한다.
각각 전자, 뮤온, 타우온에 대응되는 세 가지 맛깔(flavor)이 존재한다. 보통 짝렙톤을 첨자로 붙여서 표기한다([math(\nu_{\rm{e}}, \nu_{\mu}, \nu_{\tau})]).
2. 상세
약한 상호작용과 중력에만 반응하며, 다른 힘엔 무관심하여 거의 모든 물질을 다 통과해 버린다. 중성자가 붕괴할 때(베타 붕괴) 양성자, 전자와 함께 나온다. 처음에 중성자가 붕괴할 때는 양성자만 검출되었으나, 에너지 보존 법칙에 어긋나는 결과가 되어버려 도입한 게 이것이다. 이런 발상을 한 사람이 바로 파울리 배타 원리로 유명한 볼프강 에른스트 파울리다. 파울리가 이 입자를 처음 제안했을 때 '검출될 수 없는 입자를 가정했다'고 죄책감을 느꼈다고. 그러나 다행히도 살아생전에 중성미자가 검출되었다는 소식을 들을 수 있었다. 어떤 의미로는 검증된 플로지스톤쯤 되는 물건이라고도 할 수 있겠다.특이하게도 왼손잡이 입자만 존재한다. [math((\vec{S} \cdot \vec{p}) / \left| \vec{p} \right|)] ([math(\vec{S})]: 스핀, [math(\vec{p})]: 운동량)으로 정의되는 나선도(helicity)라는 값이 있는데, 예를 들어 전자나 쿼크, 중성미자와 같이 스핀 1/2인 입자는 helicity가 [math(\pm \hbar/2)] 이 두 가지 값을 가지게 된다. 그 중에서 +를 갖는 녀석은 오른손잡이, -를 갖는 녀석은 왼손잡이라고 부른다. 패리티(parity) 반전[2]으로 둘이 서로 교환된다는 게 중요하다. 통상적으로 질량을 가지는 모든 스핀 1/2짜리 입자들은 전부 오른손잡이과 왼손잡이 둘 다 관측이 된다. 그런데 관측된 모든 중성미자들은 전부 왼손잡이들뿐이다. 이 사실은 약한 상호작용이 오로지 왼손잡이 입자들과 상호작용하며 오른손잡이 입자들과는 상호작용하지 않는다고 가정하면 자연스럽게 도출되는데, 이 성질은 타우-세타 문제[3]로부터 양전닝과 리정다오가 제안한 것이며, 나중에 우젠슝의 실험으로 중성미자 중에 왼손잡이들만 관측된다는 것을 확인해[4] 그 제안이 맞다는 것이 확인되었다.[5][6] 주석에서도 밝혔듯이 워낙 충격적인 일이었는데, 파울리는 실험 결과를 듣고 "신이 왼손잡이였다니!"라고 경악을 금치 못했다고 한다.
현재 태양에서 1입방 센티미터당 650억 개가 방출되고 있으며, 그중 300만 개가 매 순간 인체를 뚫고 지나가지만 아무런 영향을 느끼지 못한다. 1광년 두께의 철판을 두고 중성미자를 쏘면 겨우 입자 1개와 반응할까 말까 하는 수준이다.[7] 물론 태양 뿐만 아니라 초신성 폭발 순간이나 우주 방사선이 대기를 때리는 순간, 원자붕괴로 인한 방사선 방출 시[8]라든가 양성자가 붕괴할 때 나온다.
xkcd에서 순수하게 중성미자만으로 인체에 영향을 주기 위해서는 어느 정도가 필요한지 계산한 바에 의하면 초신성이 폭발할 때 약 1057개의 중성미자가 생기며 2.3AU에 있을 때 5시버트, 즉 치사량의 중성미자 방사선을 맞게 된다고 한다. 중성미자는 초신성을 바로 빠져나오지만 빛은 별의 구성 성분과 많이 상호작용하므로 중심핵에서 표면까지 도달하는 데에 시간이 오래 걸리기 때문에 중성미자가 빛보다 약간 먼저 방출되므로 중성미자 방사선을 먼저 맞게 된다. 하지만 전신 5시버트라는 양은 단기간 조사 시 치사량에 가깝기는 해도 그 자리에서 즉사할 정도는 아니기에 실제 사망 원인은 곧바로 뒤따라올 X선, 감마선일 것이다.
3. 물리량
3.1. 질량
원래 표준 모형에서는 중성미자의 질량을 0이라고 상정했다. 하지만 중성미자가 작은 질량을 가진다는 사실이 1998년 일본 슈퍼 카미오칸데 연구팀에 의해 밝혀졌다. 기사가장 무거운 맛깔의 중성미자조차도 가장 가벼운 경입자로 알려졌던 전자보다 백만 배 이상 작은 질량을 가진다. 특정 방사성 붕괴에서 나오는 베타 입자의 에너지 분포를 정밀하게 측정하는 방법으로[9] 질량을 결정하려는 시도가 있었으나, 현재까지는 측정 정확도의 한계로 인해 대략적인 상한값을 추측하는 정도만 가능하다.
중성미자의 질량이 0이 아님이 밝혀지면서 이전까지는 다른 맛깔로 전환되지 않는다고 여겨졌던 중성미자 또한 모든 맛깔로 전환되는 것이 이론 및 실험적으로 입증되었다. 또한, 표준 모형 자체도 중성미자 질량을 반영하도록 수정이 필요하게 되었다.
2015년 노벨물리학상은 중성미자가 질량을 가지고 있다는 증거인 중성미자 진동을 실험적으로 밝혀낸 가지타 다카아키와 아서 B. 맥도날드가 수상을 하였다. 한국에서는 서울대학교 물리학과 김수봉 교수가 100억 원의 연구비로 영광 원전 근처의 산속 지하 터널에 중성미자 검출 장치를 건설해 중성미자의 질량값 등 성질에 관한 연구를 하고 있다. 또한 이분은 얼마 전에 중성미자 세 가지 중 가장 가벼운 것과 무거운 것의 질량 차이를 알아냈다고 한다. 그 종류가 뭔지만 알면 중성미자 각각의 질량도 알 수 있을 듯하다.
3.2. 속력
중성미자의 속력은 빛의 속도와 '거의' 같다. 여기서도 거의라는 모호한 표현을 사용했는데, 중성미자의 이동속도가 빛의 속도에 근접한다는 것만 알려졌을 뿐 아직 정확하게 속도값이 측정되지 않았기 때문이다. 일단 중성미자 진동으로 질량이 존재한다는 것 자체는 밝혀졌기 때문에 타디온으로 분류될 테니 빛보다는 느리다는 건 확실하다. 애초에 질량이 존재하면 정해진 속도가 있을 수 없다. 가진 에너지에 비례해서 속도가 결정되기 때문이다.이탈리아 그란사소 국립연구소에 위치한 OPERA 실험은 CERN에서 쏘아보낸 중성미자를 검출하여 그 특성을 확인하는 실험을 2006년부터 진행하였다. OPERA 실험은 2011년 9월 중성미자가 광속보다 더 빠르다는 연구결과를 프리프린트 형식으로 발표하였다. 알베르트 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 빛보다 더 빠른 물질은 존재할 수 없기에 전 세계적인 관심을 모았다. 이러한 충공깽스러운 실험 결과를 입증하기 위해 다른 물리학자들도 공개된 실험 조건을 토대로 재현 작업에 들어갔으나, 2011년 11월 2차 실험 결과는 OPERA 연구팀에서만 빛보다 60나노초 빠르다는 결론을 냈고, 다른 연구팀에서는 결과 재현에 실패했다. 이런 결과를 두고 중성미자가 빛보다 빠르다는 것이 단순한 착각이 아니었나 하는 의견이 물리학계에서는 지배적이었다. 그리고 2012년 2월 결국 측정상의 문제로 인한 오류로 결론이 났다.한겨레 사이언스온 기사
4. 오른손잡이 중성미자(sterile neutrinos)
위에서 서술된 것처럼 약한 상호작용과 상호작용하는 중성미자는 모두 왼손잡이이다. 만약 오른손잡이 중성미자가 존재한다면 약한 상호작용, 강한 상호작용, 전자기력과 모두 상호작용하지 않으며 오직 중력의 영향만을 받게 된다. 표준 모형에서 이들은 이론적으로 존재할 수 있으며, 지금까지 관측된 왼손잡이 중성미자보다도 상호작용이 훨씬 약하기에 비활성(sterile) 중성미자라고 불린다. 이들은 왼손잡이 중성미자와는 질량 등 다른 성질을 가질 수 있으며, 암흑물질의 후보 중 하나이다.약한 상호작용과 상호작용을 하게 하는 이러한 왼손/오른손잡이 성질은 전자와 같은 입자들도 가지고 있다.[10] 그리고 전자와 같이 질량이 있는 입자들은 힉스 보손과의 상호작용과정에서 왼손/오른손잡이 성질이 서로 지속적으로 바뀌는 현상을 가지는데 중성미자도 질량이 있기 때문에 이러한 왼손/오른손잡이 성질이 서로 지속적으로 바뀔 것으로 추측하고 있다.
질량을 가진 중성미자는 광속보다 느리기 때문에 중성미자보다 빠르게 움직이는 관측자가 존재할 수 있으며, 중성미자와 같은 방향으로 더 빠르게 움직이는 관찰자 입장에서 왼손잡이 중성미자를 관측하면 오른손잡이로 반중성미자처럼 관측된다.# 중성미자가 전하가 없는 것까지 고려하면 질량이 있는 중성미자는 그 자체로 자신의 반입자와 일치하는 마요라나 입자(Majorana particle) 성질을 가지는 것도 가능하다. 만약 중성미자가 마요라나 입자라면 오른손잡이 중성미자가 표준적인 힉스 메커니즘과는 다른 방식으로 질량을 부여받을 수 있게 된다.#
중성미자가 마요라나 입자일 때만 가능한 반응으로 중성미자 없는 이중 베타 붕괴(neutrinoless double beta decay)가 있으며, 이를 확인하려는 여러 실험이 이루어지고 있다.
현재 페르미 국립 가속기 연구소에서 이러한 추측을 바탕으로 간접적으로 오른손잡이 중성미자를 검출하는 실험이 진행 중이다.
5. 관측
중성미자는 전기적으로 중성이므로 전자기력을 이용해 찾을 수 없다. 렙톤이므로 색전하가 없어 강한 상호작용을 하지도 않고, 질량도 너무 작아서 중력을 이용해 찾기도 어렵다. 중성미자의 질량 자체도 관측이 안 될 정도로 작아서 사실상 약한 상호작용만을 이용해 검출할 수 있다. 비유하자면 체를 들고 다니면서 공기를 붙잡아 두려는 것과 같다. 그래서 간접적으로 관찰한다.관측 방법에는 여러 가지가 있지만 제일 잘 알려진 방법은 중성미자가 물분자를 이루는 원자핵과 아주 낮은 확률로 상호 반응하여 발생하는 고 에너지의 해당 렙톤(전자, 뮤온, 타우)이 물 안에서 이동할 때 발생하는 체렌코프 현상을 관측하는 것이다.[11] 반응도 매우 적기에 관측기 크기가 매우 커야한다. 그래서 중성미자 관측기는 대부분 거대과학으로 분류된다.
중성미자는 매질에 따라 상호작용에 차이를 보이며 빛처럼 매질에 따른 굴절률 차이도 존재한다. 이를 Mikheyev–Smirnov–Wolfenstein 효과라 부른다.
예전 금성출판사에서 나온 과학 학습만화에 일본에 있는 중성미자 관측기인 카미오칸데 시리즈를 그려뒀던 적이 있다. 최초의 카미오칸데는 3,000톤의 중수를 담는 물탱크로, 크기가 높이 16 m, 지름 15.6 m였다. 2014년 10월 8일 기준 현재 동작하고 있는 슈퍼 카미오칸데는 높이 41.4 m, 너비 39.3 m의 증류수 탱크고, 2021년 8월 29일 기준 2027년 완공을 목표로 현재 건설중인 하이퍼 카미오칸데는 높이 71 m, 지름 68 m의 증류수 탱크이다.
세계에서 2번째로 큰 중성미자 관측기는 러시아[12]의 바이칼-GDV로 세계최대 담수호이자 수질이 가장 맑은 바이칼호에 길이 2 km 짜리 관측기 클러스터를 넣어 만든것으로 카미오칸데나 아래 아이스큐브보다 접근이 용이하기 때문에 클러스터가 매년 늘어나 미래에는 세계 최대 중성미자관측기가 될것으로 예상된다.
현재 제일 거대한 중성미자 관측기는 미국이[13] 남극에 박아넣은 아이스큐브라는 물건인데, 이 물건은 남극점 얼음을 뚫어 거기다가 줄줄이 소시지로 연결한 관측기를 집어넣어둔 것이다. 줄 하나당 길이가 2.5 km에 달하며, 이 줄이 86개에 달한다.
첫 번째 사진이 아이스큐브를 설치한 지역의 연구시설을 보여주며, 두 번째와 세 번째 사진이 아이스큐브 내에 설치된 관측기의 모습이다. 마지막 사진은 설치형태를 그림으로 나타낸 것.
아이스큐브 2세대는 2024년 완공 예정으로, 기존 아이스큐브보다 관측 센서가 10배로 늘어나고 크기도 커져서 세계 최대 중성미자 검출장치가 될 예정이다. 크고 정밀해서 중성미자 탐지를 통해 천체 망원경 역할도 겸할 예정이다.
2011년, 한국은 국내 기술로 구축한 중성미자 검출 시설 '르노(RENO)'를 전남 영광 원자력발전소 인근에 완공하였고 운영하면서 2016년 연구성과를 내고 있다.
2017년 8월 6일 언론보도에 따르면, 유종희 KAIST 물리학과 교수(IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단 그룹리더)를 포함해 미국, 캐나다, 러시아 등 4개국 18개 대학과 기관 소속 과학자 90명이 참여한 국제 공동연구진은 파동 성질을 가진 중성미자가 원자핵을 미세하게 흔드는 '결맞음 상호작용' 현상을 처음으로 측정하는 데 성공했다고 국제학술지 사이언스 3일자에 발표했다고 한다. 실험에 쓰인 중성미자 검출 장치는 토스트기 정도라고 한다. 이는 기존의 중성미자 검출 방식이 Inverse Beta Decay 혹은 Charged-Current 방식인데 반해, 해당 실험에서는 기존 방식보다 반응단면적(cross section)이 100배 이상인 Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering(약칭 CEvNS) 방식을 검출에 사용했기 때문이라고 한다.
2017년 이후 각국은 대규모 차세대 중성미자 검출 시설을 건설 및 추진하고 있으며 한국은 한국중성미자관측소(KNO· Korean Neutrino Observatory)를 구축하려는 계획을 추진하고 있으며 별개로 기초과학연구원(IBS) 지하 실험 연구단은 이미 양양군에 지하 700 m에 관측소가 있으나 부족해서 정선군 철광산 지하 1100 m에 중성미자의 질량을 확인할 '우주입자 연구시설(ARF)'을 2019년 착공하여 2021년 정선 우주입자연구시설 예미랩(Yemilab)을 완공하였다. 영상은 기초과학연구원 문서 참고.
6. 매체에서
영화 《2012》에서는 '태양 중성미자의 반응성이 급격하게 커져서 물이나 맨틀을 데우기 때문에 지각변동이 일어난다'라고 언급했는데, 실제로 그렇게 되면 이 우주를 구성하는 물리법칙이 통째로 무너진다. 다른 걸 다 떠나서, 중성미자가 관여하는 기본힘은 약한 상호작용뿐인데, 이 약한 상호작용의 미세작용계수[14]의 크기가 터무니 없이 커지는 것과 마찬가지라는 해석이 나오기 때문. 덧붙여서 약한 상호작용의 미세작용상수의 크기가 커지면 당장 베타 붕괴는 우주에서 사라지게 되며(정확히는 존재는 하겠지만 확률이 터무니 없이 낮아진다), 중성미자 때문에 지구 속이 데워져서 재앙이 나는 게 아니라, 오히려 중성미자의 발생률이 급감하지 늘어나서 위험해지지는 않는다. 게다가 베타 붕괴는 태양의 핵융합 과정의 대부분을 차지하는 양성자-양성자 연쇄 반응의 첫 단계에 관여하기 때문에, 중성미자의 반응성이 늘어난다 → 태양이 빛나지 않게 된다. 라는 전혀 다른 의미의 대재앙이 발생하게 된다.폴란드의 SF 문호인 스타니스와프 렘의 작품인 솔라리스에서는 외계 행성에 머무르고 있는 지구인들에게 수수께끼의 방문자들이 찾아오는데, 이들은 신체가 뉴트리노로 구성된(...) 존재들이었다.
영화 에이리언: 커버넌트에서 커버넌트 호가 중성미자 폭풍에 의해 고장이 나는 것처럼 묘사되는데, 상술했던 내용을 보면 알겠지만 말이 안 되는 얘기이다.
메트로이드 프라임 헌터즈에 나오는 무기인 쇼크 코일은 설정상 중성미자를 사용하는 무기다.
아이작 아시모프의 단편 죽은 과거 (The Dead Past)에서는 시간 탐사기를 만드는데 중성미자를 활용했다.
라이트 노벨 사랑 이야기에서 카이키 데이슈가 언급한다.
앤디 위어의 세 번째 장편 소설 프로젝트 헤일메리에서 아스트로파지가 방출하는 에너지의 원천이 된다.
[1] 물론 중성자와 중성미자는 상당히 다른 특성을 가진다.[2] 거울 반전으로 생각하면 된다. 우리가 생각하는 그 거울 맞다.[3] 1950년도 초 무렵 타우 메존(타우 렙톤과는 다르다)과 세타 메존이 발견되었다. 이들은 각각 파이온 2개, 3개로 붕괴하는데, 붕괴 후 결과물들의 총 패리티(각각 +1, -1) 말고 이들 메존들의 질량이며 전하며 수명이며 모든 게 다 똑같았다. 결국 패리티 보존이 약한 상호작용에 의하여 깨진다는 것으로부터 두 메존이 사실 같은 것이라는 결론을 얻을 수 있었다. 지금 이 입자는 케이온이라고 불리고 있다. 재밌게도 또다른 종류의 케이온(이건 중성 입자다)으로부터 CP 역시 깨지는 것을 볼 수 있다.[4] 어차피 중성미자는 중력은 무시하고 약한 상호작용 외의 다른 상호작용을 하지 않는다. 만약 오른손잡이 중성미자가 있다고 해도 사실상 상호작용을 전혀 하지 않는다는 것인데, 그러면 아예 존재하는지 안하는지 알 길이 없고 존재 안 한다고 해도 달라질 게 없으므로 없다고 하는 편이 더 낫다. 그래도 표준 모형 너머의 다른 이론들 중에 오른손잡이 중성미자를 가정한 것들이 있긴 하지만 얘네들은 워낙 무거워서 간접적으로 보는 것조차 어렵다.[5] 워낙 충격적인 발견이라 제안된 지 1년 밖에 안 지났음에도 양전닝과 리정다오에게 바로 노벨상이 수여되었다. 오랫동안 연구되어 온 업적들에 노벨상이 주로 수여된다는 사실을 보면 놀라운 사실. 실제로 이 업적은 노벨물리학상이 제일 빠르게 수여된 업적으로 꼽힌다.[6] 다만 결정적인 실험을 수행한 우젠슝에겐 상이 수여되지 않았다. 분명 한 명 분이 남았음에도 불구하고 선정되지 못했다. (노벨 물리학상은 한 해에 최대 3명까지 받을 수 있다.) 이 사건은 여성 과학자에 대한 차별로 인한 피해 사례로 오랫동안 회자되기에 이르렀다.[7] 단, 중성자별은 밀도가 극단적으로 높아 중성미자가 투과하지 못한다. 때문에 초거성이 초신성 폭발을 일으키는 과정에서 중심핵이 붕괴해 중성자별이 생겨날 때는, 중심핵 안쪽의 중성미자가 중성자별이 된 핵을 탈출하지 못하고 붙잡히는 것을 넘어 아예 축퇴 상태가 되며(중성미자도 페르미온이므로 개수밀도가 극단적으로 높아지면 축퇴된다), 핵이 붕괴된 직후의 원시 중성자별에서 일어나는 중성미자의 흡수가 중성자별과 분출물을 데우는 열원으로 작용한다.[8] 같은 원리로 원자력 발전 중에도 뉴트리노가 생성된다.[9] 베타 붕괴에서는 베타 입자와 중성미자가 각각 붕괴 에너지를 무작위의 비율로 나눠 갖고 방출되는데, 베타 입자의 에너지 상한을 정밀하게 측정하면 이론상으로는 핵 결합에너지 차에서 중성미자의 정지질량 에너지를 뺀 값이 베타 입자가 갖는 에너지의 상한이 될 것이다.[10] 따라서 왼손잡이 전자는 약한 상호작용과 상호작용하지만, 오른손잡이는 약한 상호작용을 무시한다.[11] 고에너지 하전입자가 해당 매질에서 빛의 위상속도보다 빠르게 이동할 때 파란색의 빛이 발생하는 현상이다.[12] 물론 본부는 러시아에 있지만 독일과 체코 등, 유럽에 소재한 많은 대학이 공동 연구자로서 참여하고 있다.[13] 물론 본부는 미국의 위스콘신 대학 매디슨 교에 있지만 독일이 2번째로 큰 참여국이며, 한국과 일본, 대만, 기타 유럽에 소재한 많은 대학이 공동 연구자로서 참여하고 있다.[14] 현재 측정값은 1/29.5