[스크랩] 주요 소립자 데이터 분석완료(Particle Data Group : PDG 2012.06.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

참고

[출처] 주요 소립자 데이터 분석완료(Particle Data Group : PDG 2012.06.) (제로존 이론 공식 카페) |작성자 제로존

제로존;

오늘은 2013년 7월 4일 목요일 입니다.

오늘날 눈부신 첨단 물질 문명을 주도하고 있는 자연과학으로서 물리학 분야는 소립자 물리학 분야입니다.

표준 모델은 역사 이후로 과학이란 이름으로 인류가 구축한 가장 정교하고 성공적인 소립자 분야의 모델로서 자연과학 분야에 있어서 인류의 지성들이 거의 다 이 분야에 결집하고 있다고 해도 과언이 아닙니다.

성공적인 표준 모델이 선도하고 있는 고에너지 및 소립자 물리학 분야에 있어서 가장 인용지수가 높은 분야가 바로 뉴트리노 '중성미자'에 관한 논문 입니다.

그만큼 1급 물리학자들의 지대한 관심이 집중돼 있는 입자이기도 합니다.

그래서 중성미자에 관한 논문이면 소립자 물리학자들은 눈빛이 반짝거립니다.

다른 입자들은 그런대로 질량 스케일이 밝혀졌는데 중성미자에 관한 제대로 된 질량 제원이 밝혀지지 않아서 무척 애를 태우기 때문 입니다.

 

그렇기 때문에 뉴트리노 질량에 관한 납득할 만한 논문이 나온다면 물리학자들은 아예 노벨상 0 순위라고 입을 모읍니다.

왜 하필 중성미자에 대한 질량 제원의 발견이 쉽지 않을까요?

그것은 중성미자의 탄생과 관찰에 있어서 중성미자가 지킬 박사와 하이드 박사와 같은 변신을 거듭하고 있기 때문입니다.

우주의 기원과 은하의 형성 과정 등 암흑에너지 및 암흑 물질에 중성미자라는 입자가 차지하는 중요성이 더없이 높아지고 있는 이유도 주관심을 가지는 이유도 될 것 입니다.

 

뛰어난 고에너지 물리학자들 그룹이 태양에서 온 중성미자를 관측할 때 측정된 중성미자의 갯수가 이론적으로 예측한 값의 1/3에 불과하다는 수수께기가 '태양 중성미자 문제'라고 잘 알려져 있습니다.

이 문제는 세기를 넘어서 입자 물리학자와 천문학자들에게 수수께기로 골치를 아프게 했는데 1967년 이탈리아 출신 물리학자 <폰테코르보>가 매우 의미심장한 문제풀기에 실마리를 던지기 시작했습니다.

그는 만약 중성미자가 질량이 있다면, 양자역학의 효과 때문에 중성미자가 만들어질 때의 상태와 실제로 존재하는 상태가 반드시 일치하지는 않게 된다는 점을 지적한 것 입니다.

 

중성미자가 만들어질 때의 상태라는 것은 중성미자가 어떤 입자와 관련해서 만들어지는가에 따라서 결정된다는 것이지요.

가령, 태양에서 만들어지는 중성미자의 경우, 핵반응에서 생성되는 것이 틀림없음으로 전자의 짝인 중성미자가 만들어지는 바, 만약 중성미자에 질량이 있다면 실제로 존재하는 상태는 전자 중성미자는 뮤온 중성미자 각각이 아니라 이들이 섞여있는 상태가 될 수 있다는 것 입니다.

전문 용어로 '뉴트리노 믹싱(neutrino mixing)'으로 명명되어 있습니다.

태양에서 만들어지는 중성미자는 전자 중성미자이지만 입자로 존재하는 순간부터 중성미자는 전자 중성미자일 확률과 함께 다른 중성미자가 될 확률을 가지게 된다는 것 입니다.

이 확률은 시간에 따라 변하는 바, 시간이 지남에 따라 전자 중성미자였다가 뮤온 중성미자였다가 하는 지킬박사와 하이드 박사의 변신이 이루어진다는 이야기이지요.

이런 현상을 소립자 물리학자들은 '중성미자 진동(neutrino oscillation)'이라고 부르고 있습니다.

 

중성미자 진동이란 용어에 유의할 점은 입자가 진동한다는 뜻이 아니라 입자의 성질이 진동한다는 뜻 입니다.

다른 방법으로 만들어지는 중성미자에도 태양 중성미자 문제와 같은 지킬 박사와 하이드 박사의 변신 현상이 생기는데 설명하자면 우주 공간을 날아다니는 입자인 우주선이 대기권에 들어오면 공기 분자와 무수히 충돌하여 수많은 다른 입자를 만들어내는데 그런 입자들은 다시 2차 충돌을 하거나 더 가벼운 입자로 붕괴되면서 지상으로 쏟아져 내려옵니다.

이때 가장 중요한 반응은 게시글에 올린 '파이온'이 생성되는 반응인데 이 파이온은 곧바로 뮤온으로 붕괴하고 뮤온은 전자로 붕괴하거나 드물게 지상까지 내려와서 관측되는 실험적 현상도 발견되기도 합니다.

 

이 과정에서 중성미자를 보면 뮤온이 생성되거나 붕괴할 때 모두 뮤온 중성미자가 만들어진다는 것을 관측한 것 입니다.

또한 뮤온이 붕괴되어 전자를 만들때 전자 중성미자가 만들어진다는 것 입니다.

이렇게 만들어진 중성미자는 우주선이 대기권과 충돌하여 만들어진 것임으로 별도의 이름을 붙혀서 '대기 중성미자' 라고 합니다.

여러 실험의 결과 대기 중성미자 역시 이론적인 예상과 차이를 보였는데 관측된 뮤온 중성미자의 갯수가 전자 중성미자 수의 두배가 되지 않는다는 것 입니다.

 

1970년도 중성미자 실험을 대표하는 곳이 유럽 공동원자핵 연구소(CERN)이라면 1990년대 이후 중성미자 실험을 주도하고 있는 연구소가 바로 이웃나라 일본 입니다.

정리하면 중성미자 실험은 중성미자를 만들어내는 근원에 따라서 우주에서 오는 중성미자와 지상에서 만들어지는 중성미자로 크게 나누고 있습니다.

우주에서 오는 중성미자는 태양의 핵반응에서 만들어진 태양 중성미자, 초신성이나 더 먼 별에서 온 중성미자, 그리고 우주선이 대기권과 충돌해서 만드는 대기 중성미자 등이 있습니다.

지상에서 만들어진 중성미자는 가속기에서 만들어진 중성미자와 원자력 발전소에서 만들어진 중성미자 등이 있습니다.

서울대학교의 김수봉 교수가 이끄는 RENO(Reactor Experiment for Neutrino Oscillation) 팀의 실험은 영광 원자력 발전소에서 나오는 중성미자를 검출해서 전자 중성미자와 타우 중성미자 사이의 진동을 조사하는 실험 입니다.

 

지금까지 태양에서 오는 중성미자 실험으로부터는 주로 전자 중성미자와 뮤온 중성미자 사이의 진동을, 대기 중성미자 데이터로부터는 뮤온 중성미자와 타우 중성미자 사이의 진동을 측정했기 때문에 전자 중성미자와 타우 중성미자 사이의 진동을 정확히 측정하는 것은 앞으로의 중성미자 실험의 중요한 과제로 잘 알려져 있습니다.

2004년 미국의 물리학회는 원자로에서 나오는 중성미자를 여러개의 검출기를 이용해서 관찰해서 전자 중성미자와 타우 중성미자 사이의 진동을 측정하는 것이 시급하다는 제안을 담은 보고서를 제출한 바 있습니다.

 

우리나라의 RENO 실험은 2005년 당시에 과학 기술부에서 승인을 받아서 연구비를 지원받고 검출기를 건설한 바 있는데, 2011년 9월 검출기가 완성되어 이 형태의 실험으로는 최초로 데이터를 모으기 시작한 것 입니다.

그런데 놀랍게도 중국의 다야베이 실험은 RENO 실험보다도 뒤늦게 시작했지만 무려 6개의 원자로와 6개의 검출기를 사용해서 재빠르게 데이터를 모아서 2012년 3월 전자 중성미자와 타우 중성미자 사이의 섞임이 존재한다는 것을 최초로 보여 데이터를 발표한 것 입니다.

이에 뒤질세라 RENO 팀도 한달 후인 4월에 전자 중성미자와 타우 중성미자 사이의 섞임 정도를 발표하게 된 바 있습니다.

두팀의 측정에 의해서 전자 중성미자와 타우 중성미자 사이의 섞임이 거의 결정되어 이로써 중성미자의 섞임 정도가 모두 측정된 것 입니다.

 

이제 마지막 목표가 바로 게시글에서 올린 '중성미자 질량의 수치'를 정확히 발표하는데 피치를 올리고 있는 것 입니다.

제로존은 개인적으로 2000년 전에 이미 전자형, 뮤온형, 타우형 뉴트리노에 대한 질량 제원을 계산하고 유럽 물리학회에 논문으로 제출한 바 있습니다.

이때 심사위원장이 바로 일본 학자였습니다.

이유야 어쨌든 리뷰 기간이 1년 3개월을 넘기고 물리학회에서 소동을 벌인 날 저녁에 학회로부터 거절 사유를 받은 바 있습니다.

위에서 이야기 한 바 뉴트리노 진동과 관련해서 절대적인 뉴트리노의 질량(m1,m2,m3)은 2012년 후반기에 계산이 끝났습니다.

게시글에 올린 주요 입자인 소립자들이 일관된 수학적 형식으로 모두 개입되어 있는 관계식이 바야흐로 논문 발표를 앞두고 있습니다.

 

아마 제대로 된 형식을 갖춘 논문의 구조에는 게시글에서 올린 입자들의 실험치를 모조리 만족시키면서 아름다운 대칭 형식과 간결한 수식의 형태로 보여줄 것으로 보입니다.

어떻게 파이온과 케이온, 중성자, 양성자 렙톤가족 그리고 6개의 쿼크들이 실험적, 정합성을 만족시키면서 조합되어 중성미자의 구조에 관한 질량의 예측값을 제시한다면 아마 크게 놀라지 않을까 기대해 봅니다.

어떻게 해서 이런 일관된 하나의 스토리를 기반으로 계산이 나왔는지 그 충격이 결코 적지 않으리라 생각해 봅니다.

지금은 표준 모델을 이용한 고에너지 물리학자들이나 소립자 물리학자들은 자신들이 전공하는 입자의 영역을 떠나게 되면 상호 작용에 관한 정보를 얻을 수 없습니다.

뉴트리노는 아는데 쿼크는 잘 모른다? 하기야 기본 입자들인 경입자들 간의 관계도 안개속에 헤매이고 있습니다.

기본 단위와 유도 단위, 그리고 물리상수, 수학상수 등의 관계도 안갯속 사정이 마찬가지 입니다.

이런 말이 앞으로 나오지 않게 될 성 싶습니다.

 

모든 것이 하나라는 '불이문(不二門)'!

하나가 머꼬?

우리는 禪家에서 나오는 동양 철학사상이 머지않은 장래에 그 깊고 심오한 뜻을 제대로 이해할 날이 오지 않을까 기대해 봅니다.