과학자들이 방사성 동위원소 제논(124Xe)에서 2-중성미자 이중 전자포획(two-neutrino double electron capture,2νECEC)이란 극히 드문 유형의 방사성 붕괴를 직접 탐지했다.

중력 측면에서 우주는 실제 관측으로 확인한 것보다 더 중요한 문제를 포함하고 있는 것처럼 보인다. 물리학자들이 소위 암흑물질 후보를 찾는 실험을 하는 이유다. 암흑물질을 찾기 위해 고안된 탐지장치(XENON1T)는 물리학자들의 우주 입자 관측을 돕고 있다.

가장 유망한 암흑물질 후보 자리는 지금까지 비어있다. ‘XENON1T’은 다중 탐지노력에도 잡히지 않았던 프로세스를 관찰했다. 과학자들은 중성미자라는 그림자 입자를 더 잘 이해할 수 있게 됐다.

독일 뮌스터(Münster)대학 대학원생 크리스티안 위트위그(Christian Wittweg)는 기즈모(Gizmodo) 지와의 인터뷰에서 “암흑물질 탐지에 사용하는 검출기 기술이 훨씬 더 다재다능하다는 것을 증명한다”며 “암흑물질을 찾기에 충분히 민감한 실험에서 훌륭한 분석결과를 얻었다”고 말했다.

과학자들은 빛 입자인 광자(photons) 다음으로 우주에서 두 번째로 풍부한 입자가 중성미자라는 것을 믿어왔다. 그러나 중성미자는 탐지하고 측정하기가 매우 어렵다. 질량이 있다는 정도 이외에는 알지 못한다.

두 입자가 만나게되면 상호 사라지는 일종의 반(反) 물질이 있지만 그 반입자의 성질을 알지 못한다. 중성미자와 관련해서는 해결해야하는 미스테리가 많았다.

특이 핵붕괴 2νECEC 첫 관측은 중성미자 미스테리에 접근하는 중요한 발판이다. 2νECEC는 1955년 처음 이론화 된 매우 희귀한 입자 상호작용이다. 수십 년 동안 탐지에 실패했다.

24일 네이처(Nature) 지에 발표 된 논문(Observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T)에 따르면 이 과정에서 원자핵 두 개의 양성자가 핵 주위를 도는 한 쌍의 전자를 흡수해 한 쌍의 중성미자를 방출한다.

2017년 2 월부터 2018년 2 월까지 XENON1T는 약 126 회 2νECEC 방출을 포착했다. 이는 방사성 물질에서 직접 측정한 반감기 중 가장 긴, 우주 나이보다 약 1 조 배 더 긴 반감기를 보였다(SN : 3/2/19, 32p).

이 사건에서 실험적으로 확인한 것은 핵으로 흡수된 두 전자를 대체한 궤도상 다른 전자로 인한 X선과 전자 탄막(barrage)이다. 논문에서 방사성동위원소 124Xe의 2νECEC 반감기(원자가 반으로 줄어드데 드는 평균시간)는 1.8 × 10^22 년으로 우주 나이 138억년의 1조배 이상에 해당한다고 말한다.

XENON1T는 이 드문 이벤트를 완벽하게 측정 할 수 있는 실험 장치다. 첫째, 장치에는 제논 원자, 3.2톤의 액상 제논을 포함했다(단, 측정에 사용된 제논 동위원소는 전체 제논 원자의 작은 부분을 차지한다). 둘째로, 전체 시설은 이탈리아 산속 깊이 묻혀있어 거짓 신호를 유발할 수 있는 입자를 배제 한다.

과학자들은 실험에서 신호를 생성 할 수 있는 거의 모든 소음을 파악하고 변칙적 신호를 관찰했다. 214일 동안 관찰(사용 가능한 데이터 177일)후, 연구원의 분석에 의하면 약 126개의 2νECEC가 발생했다.

이 과학적 성과에 대해 스위스 취리히대학(University of Zurich) 치아라 카펠리(Chiara Capelli) 박사는 “이것은 지금까지 직접 측정 한 것 중 가장 긴 반감기”라고 말했다.

연구자들은 그들의 통계가 ‘발견’이라는 단어를 사용하기 위해 물리학자들이 요구하는 5-표준 편차 임계값(five-standard deviation threshold)에 도달하지 않았기 때문에 결과를 “발견”이라고 부르지 않았다. 대신 결과가 4.4시그마(4.4sigma)의 의미를 지니고 있기 때문에 “관찰”이라고 칭했다.

수십만분의 1오드(odds) , 즉 실패할 확률이 성공할 확률의 수십 만 배라는 측면에서 과학자들은 확률적으로 이 결과값의 반응이 존재하지 않는 것으로 볼 것이다. 물리학자들이 요구하는 350만분의 1오드 확률에 도달하기 위해서는 더 많은 관찰이 필요하다. 오드(odds)는 성공할 확률이 실패할 확률의 몇 배인지를 나타낸다.

다음으로, 과학자들은 2νECEC과 그 이후 2중성미자가 충돌해 감마선을 방출하는 더욱 드문 이벤트를 추적할 계획이다. 이는 중성미자가 그들 자신의 반 입자로 이를 중성미자의 질량 계측에 포함할 수 있음을 제시하기 위함이다. 그것은 또한 ‘중성미자미방출(no-neutrino, or neutrinoless) 이중전자 포획’과 반대되는 ‘중성미자 미방출 이중 베타붕괴(neutrinoless double beta decay)’ 와 같은 반응에 보완적 이다.

두 개의 중성미자 방출 이중 베타붕괴현상은 반감기가 10^18년보다 길고, 희귀 핵 현상을 연구하는 핵물리에서 중요한 연구 중의 하나이다. 만일 중성미자가 질량이 있고, 중성미자 자신이 입자(또는 중성미자)이면서 반입자(또는 반중성미자)가 되는 마요라나(Majorana) 입자의 경우에는, 중성미자 미방출 이중베타 붕괴를 할 수 있다.

“중성미자 미방출(neutrinoless)”반응이 실제로 일어나는지는 알 수 없지만 입자물리학자에게는 중요한 질문이다. 만약 중성미자가 그들 자신의 반입자라면, 중성미자가 왜 그렇게 질량이 적은지, 왜 그들이 우주에서 반물질보다 더 중요한지를 설명하는 데 도움이 될 것이다.

중성미자의 정확한 절대 질량 측정 및 중성미자가 마요라나입자인지 디렉입자 인지를 규명하는 것은, 오랫동안 우주 천체물리 분야 과제였다. 중성미자가 마요라나 입자라면 우주 생성시 대부분의 반물질이 어떠한 메커니즘으로 없어졌는지에 대한 설명이 가능하다.