100배 높은 민감도로 중성미자 질량 예측 기대

대규모 중성미자 실험의 원천이 될 새로운 결정이 개발됐다.

기초과학연구원(IBS) 지하실험 연구단 김영덕 단장과 경북대 김홍주 교수를 비롯한 국제공동연구진은 중성미자를 방출하는 결정들을 4년 간 개발·시험한 끝에 다이소듐몰리브데이트(Na2Mo2O7) 등 4개를 1차 선정했다. 최종 선정된 결정은 향후 200kg 이상 만들어져, 현재 10kg 가량의 결정을 사용하는 전 세계 경쟁그룹 중 가장 큰 규모의 중성미자 실험이 될 것으로 예상된다.

중성미자는 우주를 이루는 기본 입자들 중 가장 가벼운 입자로 다른 물질과 거의 반응하지 않는다. 매초 700억 개의 중성미자가 엄지손가락을 뚫고 지나가지만 우리는 전혀 느낄 수 없다. 이처럼 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.

지하실험 연구단이 이끄는 AMoRE연구진은 앞서 2015년부터 2018년까지 무게 1.9kg의 칼슘몰리브데이트(CaMoO4)결정으로 강원도 양양에서 파일럿 실험을 진행했다. 중성미자를 얻기 위해서는 결정 속 100Mo가 다른 원자로 변하면서 전자와 중성미자를 방출하는 ‘이중베타붕괴’ 현상을 이용한다. 이중베타붕괴는 어떤 동위원소의 핵이 두 개의 전자와 중성미자를 방출하며 다른 원자로 바뀌는 현상이다. 예를 들면 100Mo(몰리브데넘)에서 중성자 2개가 양성자 2개로 바뀌며 100Ru(루테늄)이 된다.

이 때 실험에 사용하는 몰리브데이트 결정이 내뿜는 빛 특성이 중요하며, 결정의 총량이 많을수록 이중베타붕괴가 더 많이 발생한다. 이 때문에 전세계 중성미자 연구들이 더 좋은 결정을 찾고 그 무게를 늘리는 방향으로 실험을 갱신하고 있다.

이번 연구에서는 먼저 기존 칼슘몰리브데이트(CaMoO4) 결정의 문제점을 해결할 여러 결정들을 성장시켰다. 칼슘몰리브데이트 결정은 방출하는 빛이 많아 데이터를 얻는 데 유리하지만, 칼슘(Ca) 중 0.18% 비율로 존재하는 48Ca이 또다른 이중베타붕괴를 일으켜 잡음이 발생한다. 연구진은 기존에 연구되지 않았던 결정들의 여러 화학적 단계를 연구해 리튬, 세슘, 나트륨이 든 새로운 몰리브데이트 결정 8개를 성장시키고, 기존 국제공동연구로 성장시켰던 아연, 납 함유 결정 4개와 함께 테스트를 진행했다.

연구진은 12개의 후보 결정들이 방출하는 빛과 파장 특성 등을 상온에서부터 약 10 켈빈(섭씨 -263도)의 저온까지 연구하고, 이를 기존의 칼슘몰리브데이트(CaMoO4) 결정과 비교했다. 방출하는 빛의 양과 시간 등을 측정한 결과 후보 결정 중 다이소듐몰리브데이트(Na2Mo2O7)가 가장 적합함을 확인하고, 이를 비롯한 4개 결정을 1차 후보로 선정했다. 결정을 연구, 개발 및 성장하는 데 2년, 특성 시험에 2년이 걸렸다.

실험에 사용할 결정은 극저온 시험을 거쳐 앞으로 1-2년 후에 최종 선정될 것으로 예상된다. 이중베타붕괴를 다른 배경 신호와 구분하기 위해 절대0도인 -273도씨에서 0.01~0.09도씨 높은 약 수십 밀리켈빈(mK)의 극저온환경이 필요한데, 결정이 이 온도에서 어떻게 작동하는지 보는 과정이다. 최종 실험에는 다이소듐몰리브데이트(Na2Mo2O7), 다이리튬몰리브데이트(Li2MoO4), 레드몰리브데이트(PbMoO4)와 기존의 칼슘몰리브데이트(CaMoO4)를 비교할 예정이다.

왼쪽은 6개 결정을 사용한 아모레 파일럿 실험의 검출기 사진, 중앙은 아모레 1단계 실험에 사용될 18개 결정 검출기, 오른쪽은 아모레 2단계 실험에 사용될 약 200개의 결정 검출기의 예상도이다.

AMoRE 국제 연구진은 현재 6kg의 결정으로 1단계 실험을 준비 중이며, 향후 선택된 결정 200kg는 강원도 정선에서 2021년 착수할 2단계 실험에 약 5년 동안 사용된다.

공동교신저자인 이무현 연구위원은 “최근의 1.9kg 결정 실험으로는 중성미자 질량이 수소원자 질량의 10억분의 1보다 더 작다는 정보를 얻었다”며 “향후에 결정 200kg로 실험하면 민감도가 100배 더 좋아져, 수소원자 질량의 1000억분의 1 수준과 중성미자 질량을 비교할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 결정 연구와 기술에 관한 전문학술지 크리스탈 리서치 앤 테크놀로지(Crystal Research and Technology)에 11월 13일(한국시간) 게재됐으며, 이 달의 표지논문으로 채택됐다.

중성미자 미방출 이중베타붕괴

한편, 실험의 목적에 따라 중성미자를 얻는 방법은 우주에서 날아오는 중성미자를 채집하는 방법과, 방사능 물질에서 발생하는 중성미자를 얻는 방법으로 나뉜다. I연구진이 방사능 물질 실험을 통해 궁극적으로 규명하고자 하는 것은 ‘중성미자 미방출 이중 베타붕괴’ 현상이다.

실험결과 중성미자 미방출 이중베타붕괴신호가 보이지 않을 경우라도, 실험을 통해 중성미자의 ‘질량 최고 한계값’을 알 수 있다. 이는 중성미자의 질량이 이 값보다 작다는 검증에 해당한다.

김영덕 단장은 “중성미자 미방출 이중베타붕괴 신호 검출에 성공한다면 중성미자가 반중성미자와 같다는 것을 입증하게 된다. 전하가 없는 중성미자와 광자의 경우 입자와 반입자가 같은 입자일 수 있다는 것”이라고 말했다.