CERN LHC에서 중성미자 감지

국제 물리학자들이 입자 충돌기에서 중성미자의 징후를 감지했다.

미국 캘리포니아 대학교 어바인(University of California, Irvine) 물리학자들이 이끄는 국제 연구팀은 스위스 제네바 근처 CERN 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)가 생성한 중성미자 후보를 최초로 탐지하는 데 성공했다.

연구원들은 2018년 LHC에 설치된 소형 에멀젼 검출기의 파일럿 실행 동안 6개의 중성미자 상호 작용을 관찰한 방법에 대해 26일 Physical Review D 저널에 논문을 발표했다.

공동 저자이자 UCI의 물리학 및 천문학 석좌교수이자 FASER Collaboration의 공동 리더인 Jonathan Feng은 “이 프로젝트 이전에는 입자 충돌기에서 중성미자의 징후가 본 적이 없었다”라며 “이 중요한 돌파구는 이러한 파악하기 어려운 입자와 우주에서 이들이 수행하는 역할에 대한 더 깊은 이해를 발전시키는 단계”라고 말했다.

파일럿 기기는 납과 텅스텐 판과 에멀젼 층으로 번갈아 구성되어 있다. LHC에서 입자가 충돌하는 동안 일부 중성미자는 밀도가 높은 금속의 핵과 충돌하여 입자를 생성하여 에멀젼 층을 통과하고 처리 후 눈에 띄는 표시를 만든다. 이러한 에칭은 입자의 에너지, 타우, 뮤온 또는 전자 여부, 그것이 중성미자인지 반중성미자인지에 대한 단서를 제공한다.

Feng에 따르면 유제는 디지털 이전 시대의 사진과 유사한 방식으로 작동한다. 35밀리미터 필름이 빛에 노출되면 광자는 필름이 현상될 때 패턴으로 드러난 흔적을 남긴다. FASER 연구원들은 마찬가지로 검출기의 에멀젼 층을 제거하고 현상한 후 중성미자 상호작용을 볼 수 있었다.

Feng은 “입자 충돌기에서 생성된 중성미자의 상호 작용을 관찰하기 위한 에멀젼 검출기 접근 방식의 효율성을 검증한 후 FASER 팀은 이제 훨씬 더 크고 훨씬 더 민감한 완전한 기기로 새로운 일련의 실험을 준비하고 있다”고 말했다.

2019년부터 그와 그의 동료들은 LHC에서 암흑 물질을 조사하기 위해 FASER 기기로 실험을 수행할 준비를 하고 있다. 그들은 암흑 물질이 중력을 통해 우주의 일반 원자 및 다른 물질과 어떻게 상호 작용하는지 밝힐 암흑 광자를 감지하기를 희망하고 있다.

지난 몇 년 동안 중성미자 연구의 성공으로 9개국 21개 기관의 76명의 물리학자로 구성된 FASER 팀은 새로운 에멀젼 검출기를 FASER 장치와 결합하고 있다. 파일럿 탐지기의 무게는 약 64파운드인 반면, FASERnu 장비는 2,400파운드 이상이 될 예정이다.

공동 저자인 FASER 프로젝트 공동 저자인 UCI 물리학 및 천문학 부교수 David Casper는 “새로운 검출기의 성능과 CERN의 주요 위치를 고려할 때 LHC의 다음 실행에서 10,000개 이상의 중성미자 상호 작용을 기록할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

FASERnu를 독특하게 만드는 것은 다른 실험에서는 한두 가지 종류의 중성미자를 구별할 수 있었지만 세 가지 맛과 반중성미자 대응물을 모두 관찰할 수 있다는 점이다. Casper는 인류 역사상 약 10번의 타우 중성미자 관측이 있었지만 그의 팀이 향후 3년 동안 그 수를 두 배 또는 세 배로 늘릴 수 있을 것으로 기대한다고 말했다.

Savannah Shivy 및 Jason Arakawa, UCI Ph.D. 물리학 및 천문학 학생들도 연구에 기여했다.