[스크랩] 아~ 그대 이름은 작은 거인 뉴트리노 !!!

 

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물리학자들은 처음에는 빛과 전자, 양성자만 존재하면 된다고 생각해 왔는데 영국 물리학자 <채드윅>이 드디어 중성자를 발견하게 되었습니다.

 

그때가 카페 가족 여러분이나 제로존 또한 태어나지 않았던 1932년 이었습니다.

 

이 해는 물리학의 역사에서 아주 기념비적인 업적이 이루어지는 해이기도 합니다. 중성자 발견이외에 <콕 크로프트>와 <윌튼>에 의한 원자핵 인공파괴에 성공했으며 <앤더슨>의 양전자 발견과 <퀴리>의 중수소 분리에 성공한 해이기 때문 입니다.

 

여하튼, 중성자를 발견하여 실험 물리학에 큰 전기를 마련했는데 실험은 중성자를 원자핵에 조사시켜서 다른 원자핵으로 만드는 것에 관심이 주어졌던 것 입니다.

 

특히, 중성자는 물에 의해 감속되는 성질을 가지는데 이 때 쉽게 원자핵속으로 서서히 침투하여 진행되기 때문에 중성자는 핵과 반응할 기회가 많아집니다.

 

전문적인 용어로 중성자를 포획한 원자핵은 그 무게 만큼 증가하지만 핵이 안정하기 위해서 에너지를 조금 버리는 경향을 가집니다.

곧, β선을 방출해서 전기량이 하나 불어나는 셈이 되는 것이지요.

 

전기량이 본래의 원자핵보다 큰 것은 화학적으로 다른 성질을 갖습니다. 즉, 중성자에 의해서 어떤 원소를 다른 원소로 변환이 가능하다는 것 입니다.

 

유명한 이탈리아계 미국 물리학자인 <페르미>는 이런 실험에 깊히 참여하는데 <페르미>는 초우라늄 원소를 낳아서 원자핵이 분열되는 현상, 곧 원자핵 에너지 해방으로 이어질지는 정말 꿈에도 몰랐던것 같습니다.

 

1933년 <베크>와 <데지테>가 처음으로 β이론을 발표하게 되는데 원자핵 근처에서 전자와 양전자 쌍이 발생하고 그 중 양전자는 원자핵에 포획되고 나머지 전자가 β선으로 방출한다는 내용이 그것 입니다.

 

이때 β선 입자의 에너지가 여러가지 다양한 값을 취하는 것에 대하여 원자핵에 양전자가 포획될때 일견 에너지 보존법칙이 파괴되지 않나 하는 생각이 떠 돌기도 했습니다. 양자역학의 대부 <보어>가 그런 생각을 가진 물리학자 였습니다.

 

물리학자 <파울리>는 원자핵내에 존재하지 않는다고 추측되었던 전자나 중성미자가 어떻게 나올까 하고 골머리를 앓은 적이 있었는데 자연은 에너지 보존법칙을 충실히 수행하기 때문에 그런 사유의 결과로 그가 처음으로 중성미자라는 입자의 존재를 예언합니다.

 

이후 <페르미>는 전자와 양전자가 아니라 전자와 중성미자 쌍을 β선의 에너지 입자로 결론짓게 됩니다.

 

전자와 양전자 발생은 빛이 원자핵 도움을 발생하는데 그러면 전자와 중성미자 발생은 β선이 나올때 전기량이 하나 증가하는 것이 확실하다는 것 입니다.

 

원자핵은 외부에서 들어온 중성자를 포획하는 질량수가 하나 더 큰 원자핵이 되는데 얼마 후 β선을 방출해서 다른 원자핵이 되고 원자핵의 전기량이 증가한다는 사실은 양성자가 새로 하나 증가한 것으로 이해하게 된 것 입니다.

 

원자핵내에는 이미 중성자가 존재해 있는데 이것은 원자핵내의 중성자가 양성자로 변했다고 생각하지 않으면 안된다는 것으로 이 큰 변화가 전자와 중성미자 쌍을 낳게 한 원인과 그 결과를 추정한 것 입니다.

 

곧, β선 방출은 역사적으로 <인공 원자핵 반응>의 최초 동기 부여 현상으로 입증되기에 이르렀습니다.

 

문제는 중성자가 양성자로 변할때 전자와 중성미자 방출 현상이 어느 정도로 일어나는가 그것은 일단 상수로 정해놓고 실험으로 구하는 수 밖에 없었습니다.

그와 같은 생각으로 전자가 방출되는 비율이 전자의 에너지와 어떻게 관계하는가를 <페르미>가 생각한 것 입니다.

 

일찍이 미적분을 발견한 <뉴턴>이 꿈꾸어 왔던 것처럼 현실적으로 중성자를 사용해서 원자핵의 연금술을 행하게 된것은 역사의 이정표를 끊는 중요한 일이라는 것에 주목하시기 바랍니다.

 

흥미로운 것은 동양의 해뜨는 나라 한반도 옆에 있는 섬나라 일본 물리학자가 이러한 실험사실을 곰곰히 생각한 끝에 역발상으로 생각해서 전자를 원자핵에 넣으면 양성자가 중성자로 되고 동시에 중성미자를 방출하는 일도 일어날 것이라는 깜찍한 발상을 해냈다는 것 입니다.

 

그 사람이 바로 일본 물리학자 <유가와>, <사까다>가 그런 인물입니다.

 

이른바 'K전자 포획'으로 원자핵 물리학에서 일본이 세운 큰 공로로 오늘날 물리 교과서에 기록되어 있는데, 이는 원자핵에서 제일 가까운 K궤도의 전자가 원자핵 안으로 들어가는 것으로 K궤도에 뚫어진 구멍을 메꾸는 전자의 움직임으로서 그 아이디어가 사실임이 밝혀졌던 것 입니다.

 

곧, 바깥쪽 전자가 순서적으로 안쪽에 생긴 궤도 빈자리로 이동할때 발생하는 X선을 측정하기만 하면 확인되었던 것 입니다.

 

그후 위대한 실험 물리학자 <페르미>가 사랑했던 제자 <폰테 코르보,1913~1993> 가 중성미자 진동 모델을 제시하게 됩니다.

 

태양 내부에서 무엇인가 핵분열로 폭발할때 전자와 반응을 일으키는 중성미자를 생각했는데 그 중성미자가 지구에 도달할때는 어떤 영문인지 그 2/3가 전자와 반응을 일으키지 않는 중성미자로 변신하고 있다는 실험적 증거를 포착하게 된 것 입니다.

 

그렇게 되면 지상 실험실에서 염소를 아르곤과 전자로 만들지 않아서 기대했던 검출이 이루어지지 않는데 처음의 중성미자를 지킬 박사라고 하고 변신한 중성미자를 하이드 씨로 비유할때 그 문학적 비유로 묘사되는 선과 악이 어떤 비율로 섞여 있을까 하는 생각이 물리학 전반적으로 일어나게 된 것 입니다.

 

이 분야의 소립자 물리학에서는 전문적인 용어로 (선과 악이 어떤 비율로 섞여 있는 것을) 소위 '섞임 각도 (mixing angle)'라는 수학적 행렬 표현으로 이야기 합니다.

 

오직 '질량'을 가진 입자만이 <<형태>>가 변할수 있다는 점에서 '질량 존재'를 확인한 것 입니다. !!!

 

태양은 오직 한가지 종류의 전자 중성미자만을 방출하는데 지구에 도착하면 그 종류가 바뀐다는 것을 그 후 실험 물리학자들에 의해서 재확인 된 것 입니다.

 

오늘날 이 시각까지 중성미자는 핵물리와 입자물리학을 통털어서 역사상 가장 미스테리한 입자의 탐구 중심에 존재해 있습니다.

 

중성미자 섞임은 표준 모형에서 그야말로 예측되지 않는 사항이었는데 그 중 1-2 섞임(전자뉴트리노가 뮤온 뉴트리노로의 변화), 2-3섞임(뮤온 뉴트리노가 타우 뉴트리노로의 변화)의 질량 사이의 차이값은 어느 정도 밝혀졌는데 그 동안 몰랐던 것이 1-3섞임 이었습니다.

 

얼마전에 발표한 중국과 한국 물리학팀이 발표한 것이 바로 마지막 1-3섞임 문제로 이는 뮤온 중성미자가 전자 중성미자로 변화하는 섞임 비율에 관한 미스테리를 실험적으로 발견하여 그 확률치를 발표한 것 입니다.

 

그 동안 뮤온 뉴트리노가 당연히 전자 뉴트리노로 변화한다고 추정했는데 어쩐일인지 이러한 변화 방향이 실험적으로 발견하지 못해서 애를 태웠던 것 입니다. 이러한 발견에도 불구하고 그 이유에 대한 메카니즘은 아직도 잘 알려져 있지 않습니다.

 

우주선이 지구 대기와의 충돌로 인해서 생성된 대기 중성미자의  관측을 통해 뮤온 중성미자가 타우 중성미자로 진동 변화한다는 강력한 증거는 이미 여러차례 확인된 바 있습니다.

 

간략하게 중성미자의 발견사를 설명하면 25년간 가상의 입자로 소개되었던 중성미자는 1956년 핵반응로에서 나온 전자 중성미자를 관측하게 되었고 1962년 <레더만> 등이 뮤온 중성미자를 발견하게 되었으며 1989년 유럽공동 원자핵연구소 CERN에서 전자와 양전자를 고에너지에서 충돌시키는 실험(LEP)을 통하여 중성미자 종류가 3종이라는 사실을 확인하기에 이릅니다.

 

1977년 <마틴 펄>이 타우 중성미자와 관련된 경입자 타우입자를 발견하여 그야말로 그 전 실험에서 확인된 타우 중성미자 존재를 강력하게 믿게 된 것 입니다.

 

3종류의 중성미자는 전자 뉴트리노, 뮤온 뉴트리노, 타우 뉴트리노로 이들의 직접적인 질량을 측정하는 데는 상당한 어려움에 봉착해 있는데 위에서 이야기한 바대로 이를 중성미자들이 이동하면서 계속 그 정체를 변화시키기 때문 입니다.

 

그래서 실험적으로 확인한 뉴트리노에 대한 질량은 '향(flavor)'이라고 해서  전자뉴트리노의 특성을 가진 전자뉴트리노의 맛깔을 가진 질량, 뮤온 뉴트리노의 특성을 가진 뮤온 뉴트리노 맛깔을 가진 질량, 마지막으로 타우 뉴트리노의 특성을 가진  타우 뉴트리노 맛깔을 가진 질량으로 분류해서 PDG에서 최종 검토 발표하기에 이르게 된 것입니다.

 

'lepton mixing (경입자 섞임)'이란 자연에 존재하는 4가지 힘중에서 약한 상호작용에 의해서 전문적인 표현으로 중성미자 맛깔(flavor)이 바뀌는 현상을 말합니다.

 

이번 제로존 이론에서 논문으로 제출하는 3종 뉴트리노의 질량은 직접적인 개개 뉴트리노의 특성 질량등을 발표하는 것이 아니라 이러한 개개 뉴트리노의 특성을 가진 소위 3가지 mass-flavor spectrum의 질량치를 공식을 통해 계산해서 발표하는 내용 입니다.

 

그러니까 직접적인 개개 뉴트리노 '질량(mass)'이란 개념과 이들 개개 뉴트리노의 상호 섞임을 통해서 나타나는 '맛(flavor)' 이라는 개념 사이에는 교묘한 간극이 존재한다는 것을 느낄수가 있을 것 입니다.

 

핵심적인 논문 내용은 지금까지 밝히지 못하고 있는 변화하는 3종 뉴트리노의 특성적인 질량들의 아름답고 놀라운 패턴에 대한 공식 및 각각의 관련 질량-맛깔 스펙트럼에 대해서 발표하는 것 입니다.

 

그야말로 상상을 뛰어넘는 논문이라고 생각 합니다.

그것은 위에서 언급한 바대로 핵자와 더불어 3종 기본 경입자간의 행동거지에 대한 정성적, 정량적 분석(제로존 가상 가속기)을 통하여 그야말로 우여곡절 끝에 경천지동 할 만한 3종 뉴트리노 진동(오실레이션)간의 아름다운 대칭 패턴을 발견하게 된 사연에서 출발 합니다.

 

이론 및 실험 물리학자들에게 너무나 중요한 3종 뉴트리노의 질량을 비롯한 메카니즘 보다 나은 이해에 도움이 될 만한 1급 정보의 소스를 제공하는 것이 이번 논문의 핵심 가치로 간주하고 있습니다.

 

리뷰어들이 어떻게 받아들일지 가슴이 뜨겁고 심장이 뜁니다.

 

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[출처] 아~ 그대 이름은 작은 거인 뉴트리노 !!! (제로존 이론 공식 카페) |작성자 제로존