과학자들이 중성미자(neutrino) 입자 규명에 한 걸음 다가섰다.

한 때 질량이 없다고 여겨졌던 입자는 전자보다 50만 배 적은 무게를 갖는 것으로 밝혀졌다. 새로운 중성미자 질량 상한선인 1.1전자볼트(Ev)는 이전에 알려진 2전자볼트의 거의 절반으로 중성미자 입자의 정확한 질량을 고정하는 데 더 근접했다.

독일 뮌스터 대학 크리스티안 와인하이머(Christian Weinheimer)는 “뉴트리노는 원자보다 우주에서 10억 배나 더 많기 때문에 극미한 중성미자조차도 우주 질량에 부분을 차지할 것”이라며. “중성미자의 질량을 알아내는 것은 초기 우주의 구조를 분별하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 가장 작은 것의 물리학을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.

중성미자 질량의 상한을 추정하기 위해 국제 연구팀은 전자와 중성미자를 동시에 방출하는 삼중수소(tritium)라고 불리는 수소 동위원소에 대해 방사성 붕괴를 분석했다. 방출된 전자 에너지를 측정함으로써 이전에 가능한 것보다 더 정밀하게 중성미자의 질량을 추정할 수 있었다.

논문은 25일(현지시각)피지컬 리뷰 레터스에 실렸다(논문명:Physical Review Letters)Improved Upper Limit on the Neutrino Mass from a Direct Kinematic Method by KATRIN).

(하단) KATRIN 설정 스케치. (위)실험의 작동 원리. 가스 공급원은 헬륨 -3 (3He), 전자 (e-) 및 전자 항 중성자 (ν̄)로 베타 붕괴되는 삼중수소 원자 (3H)를 생성한다. 전자는 분광계 검출기에 도달하기 전에 종점에 가장 가까운 최고 에너지 전자를 선택한다. credit:KATRIN/ adapted by APS/Alan Stonebraker.

와인 하이머는 칼스루허 삼중수소 뉴트리노(KArlsruhe TRItium Neutrino, KATRIN) 실험을 수행한 과학자들의 국제적인 협력의 일원이었다. 와인하이머와 그의 동료들은 높이 24미터, 폭 10미터인 거대 전자 분광계를 사용해 전자의 정확한 에너지를 측정 할 수 있었다.

향후 연구진은 중성미자의 질량을 실제로 측정하거나 기계 감도가 허용하는 한 추정 범위를 좁힐 계획이다. 우주론적 관찰은 중성미자의 질량이 0.1 eV 또는 더 가벼울 수 있음을 시사한다.

영국 케임브리지대학 멜리사 우치다(Melissa Uchida)는 “이것은 우리가 가졌던 가장 정확한 측정치 “라며 “이 프로젝트가 향후 몇 년 동안 중성미자의 질량을 정확히 찾아 낼 수 있는 희망을 준다. 우리는 우주 발생에 대한 퍼즐을 마침내 풀 수 있을 것”이라고 뉴사이언티스트 인터뷰에서 밝혔다.

한편, 와인하이머와 동료들은 이탈리아 그랑사소(Gran Sasso) 산맥 1500미터 지하에 묻힌 암흑물질 탐지기 LNGS(Laboratori Nazionali del Gran Sasso)에서 우주에서 가장 흔하지 않은 현상인 크세논(Xenon) -124 원자의 붕괴를 기록했다. 그들은 크세논-124의 반감기가 1.8×10^22 년 또는 우주보다 몇 조 년 더 길다고 계산했다.

모든 방사성 물질은 일반적으로“반감기 (half-life)”라고 불리는 것에 의해 측정되는데, 이는 주어진 샘플에서 방사성 원자의 절반이 붕괴되는 데 걸리는 시간으로 정의된다. 반감기는 원소에 따라 크게 다르다. 예를 들어, 플루토늄과 칼슘을 핵융합해 생성한 원소 플레로븀(Flerovium)-289의 반감기는 2.6 초에 불과하지만, 플루토늄 -239는 2만4110년이 걸린다.

이탈리아 LNGS(Laboratori Nazionali del Gran Sasso)는 섭씨 영하 -95 도의 온도에서 3200 킬로그램의 액체 크세논으로 채워진 원통형 탱크로 구성된 암흑 물질 탐지기다. 검출기는 가능한 모든 방사성 간섭으로부터 완전히 밀봉돼 암흑물질이 입자에 부딪히면 발생하는 작은 신호가 명확하다.

관련 연구는 지난 4월 네이처(Nature) 저널에 발표됐다.