오페라 국제실험팀, 타우 중성미자로의 진동 변환현상 직접 확인
-경상대 물리학과 윤천실 박사 등 5명 한국측 대표로 참가
-‘변환 후의 타우 중성미자 반응을 직접 관측’ 의의

한국, 일본, 유럽 11개국 국제공동연구인 오페라(OPERA: Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) 실험팀이 뮤온 중성미자가 타우 중성미자로 변환하는 현상을 직접 확인하였다고 16일 발표하였다.

이 실험에 한국측 대표로 경상대학교 자연과학대학 물리학과 윤천실 박사(59)를 비롯해 사범대학 물리교육과 박인곤 교수(64), 성균관대학교 삼성창원병원 의학물리사 박병도 박사(42, 경상대 물리학과 출신), 기초과학연구원 연구위원 김성현 박사(56, 전 경상대 연구교수), 경상대 물리학과 박사과정 김지현 대학원생(29) 등 5명이 참가하였다.

윤천실 박사에 따르면, 유럽입자물리연구소(CERN)의 양성자 가속기(SPS)에서 만들어진 뮤온 중성미자 빔이 730km 떨어진 이탈리아의 그란사소 지하실험실에 있는 4000여t의 대형 검출기를 향해서 5년에 걸쳐 조사되었다(2008~2012). 이 과정에서 연구진은 뮤온 중성미자들이 광속에 가깝게 날아가면서 타우 중성미자로 변환하는 현상을 검출하는 데 성공하였다. 

 
그란사소의 검출기에서는 총 2만여 개의 중성미자 반응들이 검출되었는데, 이중에서 5개가 진동 변환 후에 나타난 타우 중성미자로 확인되었으며, 이러한 실험결과의 신뢰수준은 5시그마(99.99994%) 정도였다.

중성미자 진동변환이란 양자역학적 섞임현상(quantum mechanical mixing)으로 한 종류의 중성미자가 다른 종류의 중성미자로 바뀌는 현상을 말한다. 예를 들어, 개가 달려가면서 고양이로 변하는 것과 같이 자기동일성(self identity)이 유지되지 않는 현상인데, 물론 일상생활에서는 이러한 일이 일어나지 않으며 소립자들의 세계에서만 일어나는 양자역학적 현상이다. 이러한 현상은 중성미자가 질량이 있는 경우에만 일어날 수 있으며, 힉스입자를 예견한 표준모형(standard model)을 넘어서는 새로운 물리가 있다는 것을 뜻한다.

 
타우 중성미자 반응에서는 타우 입자가 발생하는 특징이 있기 때문에 (뮤온 중성미자 반응에서는 뮤온 입자가 발생) 타우 입자를 확인하는 것이 매우 중요하다. 하지만 이 입자는 너무나 빨리 붕괴되기 때문에 마이크로미터 정도를 식별할 수 있는 핵건판(Nuclear emulsion)에서만 확인이 가능하다. 한국그룹은 주로 타우 입자를 확인하기 위한 핵건판 스캐닝과 반응분석에 기여하였다.

오페라실험의 한국측 대표인 경상대학교 물리학과 윤천실 박사는 “과거에 일본의 슈퍼카미오칸데 실험 등에서 이러한 현상을 보았다고 발표하였지만 통계적 분석에 의한 간접적인 방법이었다. 하지만 이번 결과는 변환 후의 타우 중성미자 반응을 직접 관측하였다는 데 그 중요성이 있다.”고 말했다.

이로써 몇 년 전에 결국 실험적 오류로 밝혀졌지만 ‘빛보다 빠른 중성미자’로 세간의 관심을 끌었던 오페라실험은 그 본래의 목적을 달성한 셈이다.

연락처: 
윤천실 박사 chunsil.yoon@ymail.com, csyoon@gnu.kr
관련 사이트: http://tenri.mireene.com/emulsion/5th_tau.html
http://tenri.mireene.com/emulsion/
관련 뉴스
http://www.nature.com/news/neutrinos-found-to-switch-to-elusive-tau-flavour-1.17777
http://phys.org/news/2015-06-opera-tau-neutrino.html

▯사진 설명: 한국측 참가자와 실험 관련 사진
▯내용 문의: 윤천실 박사