중성미자가 가벼운 이유 (1) 물리 이야기


(**일본 수퍼 카미오칸데 입자 검출기, 우리도 이런 검출기를 갖고 싶다! **)


중성미자(neutrino)는 전자와 짝을 이루어 약한핵력에 의해 상호작용하는 기본입자다.

글라쇼-와인버그-살람의 전기약력 이론에 따르면 중성미자는 경입자(Lepton)에 속하며 SU(2)게이지 군에 대해 두짝(doublet)을 이룬다. 흥미롭게도 전자와 달리 왼손 성질(left chirality)을 가지는 중성미자만 발견되었고 오른손 성질(right chirality)을 가지는 중성미자는 발견된바 없다. 양자장이론의 스피너 이론에 익숙한 독자라면 중성미자가 전자와 달리 '힉스 메커니즘'을 통해 (디랙) 질량을 얻을 수 없는지 이해할 것이다. (Don't you?)

(참고 노트: 디랙 질량은 오른손 법칙으로 변환하는 스피너와 왼손 법칙으로 변환하는 스피너를 섞어주는 역할을 한다. 디랙 방정식을 잘 들여다보면 질량이라는 것이 실은 이 역할을 하는 것이란 것을 이해할 수 있다. 좀 더 직관적으로 생각해보면 질량이 없을 때 페르미온은 빛의 속도로 진행하게 되며 이 때 '왼손'과 '오른손'이 한 번 정해지면 좌표변환 따위를 통해 둘이 혼동될 수 없다는 것을 알 수 있다.)

그런데 물리학자들은 중성미자가 실제론 질량을 가지고 있다는 것을 알아내버렸다. 바로 그 유명한 "카미오카 광산실험"이 그것을 증명한 것이다. 한국의 물리학자들도 이 분야에서 공헌하고 계시다. 기사 타이틀은 오버지만 K2K 실험을 통해 더욱 정밀하게 중성미자에 대해 이해할 수 있을 것이라는 기대를 갖고 있다 : 중성미자 질량 입증한 김수봉 교수, 조선일보

왜 중성미자의 맛깔 섞임(flavor oscillation)을 관측한 실험이 중성미자의 질량을 입증한 실험이 되는지를 이해하기 위해서는 학부 수준의 양자역학이면 된다. 바로 맛깔 기저함수(flavour basis)와 질량 기저함수(mass or energy basis)가 서로 선형결합으로 나타낼 수 있다는 사실만 이해하면 되기 때문이다. 실제로 중성미자는 전자와 짝을 이루는 전자중성미자, 뮤온과 짝을 이루는 뮤온중성미자, 그리고 타우입자와 짝을 이루는 타우중성미자가 존재하는데 (짝? 바로 SU(2)에 대한 두짝(doublet)!) 이는 중성미자를 맛깔(flavour) 기저로 표현한 말이다. 하지만 중성미자가 질량을 가질 경우 가장 가벼운 중성미자, 두번째 가벼운 중성미자 그리고 가장 무거운 중성미자로 부를 수 있을텐데 가장 가벼운 중성미자가 예를들어 전자중성미자와 동일할 필요가 없으며 다른 중성미자들과 섞여있을 수 있다. 물론 이렇게 질량으로 나타낸 중성미자는 '질량 basis'에서 중성미자를 부른 것이다.

이제 예를들어 파이입자가 뮤온으로 붕괴하고 동반되는 뮤온중성미자가 생성되었다고 하자. 이제 이 중성미자가 어디론가 날아갈텐데 이때 'propagation'은 질량 기저에서 계산할 수 있다. (~exp (i H t), right?) 문제는 뮤온중성미자가 3개의 질량 기저의 섞임 상태이기 때문에 필연적으로 먼 거리를 날아간 후 뮤온중성미자 상태로 남아있는 것이 아니라 예를 들어 전자중성미자와 섞인 상태가 되어버릴 것이다. 물리학자들이 관측해낸 것이 바로 이것이다.

이리하여 중성미자는 질량을 가지고 있다는 것이 실험적으로 증명되었다.

그런데 처음에 이야기한바와 같이 전기약력을 기술하는 와인버그-살람의 이론에서 중성미자는 질량을 갖지 못한다. 힉스가 아무리 용해도 중성미자에 질량을 주지 못한 것이다. 따라서 무언가 잘못되었다.

실험이? 이론이? 어느쪽이 틀린 것일까?

당연히 이론이 잘못되었다. 중성미자 진동실험 (맛깔이 서로 변환하며 섞이는 것을 '중성미자 진동' 이라고 부른다..좋지 못한 용어라고 생각한다만 아무튼..)은 여러가지 독립적인 실험을 통해 거듭 확인되었고 더 이상 실험 결과에 대해서 의심할 수 없는 것으로 보이기 때문이다.

여기서 이론물리학자들이 해야할 일이 생긴 셈이다!! 유후~~!!

(1부끝)

핑백

  • 餘分D: physics and fun : 중성미자가 가벼운 이유 (3) 2009-04-20 20:48:09 #

    ... 이제 3부. 일단 2부에서 하다가 그만둔 계산을 완료하자. 지난 글을 요약하면 다음과 같다. **1부요약: 중성미자가 가벼운 이유 (1) 1. 표준입자물리학 이론에 따르면 중성미자는 질량을 갖지 못한다. 2. 그런데 실험을 해보니 중성미자는 질량을 갖고 있다. 3. 그래서 이론물리학자들은 물리학을 뜯 ... more

  • 스폭 : A better news from Harvard 2009-05-19 22:19:37 #

    ... 하버드에서 좋은 소식도 있다. NOvA 실험 (중성미자 진동)에 관한 것이다. (중성미자 실험에 관한 좋은 설명) 앞으로 미국의 입자물리학자들 중 상당수가 관련될 것인 모양이다. http://harvardscience.harvard.edu/foundations/article ... more

  • 餘分D: physics and fun : (관련글 첨가) 어떤 행렬: 새 논문 이야기 2009-09-21 08:24:11 #

    ... 기** 지난번에 썼던 관련글을 요약하면 다음과 같다. 어떤 의미로 이번에 발표한 논문은 이 글들의 연장선이고 내 나름의 답을 찾은 것이라고 할 수도 있겠다. **1부요약: 중성미자가 가벼운 이유 (1) 1. 표준입자물리학 이론에 따르면 중성미자는 질량을 갖지 못한다. 2. 그런데 실험을 해보니 중성미자는 질량을 갖고 있다. 3. 그래서 이론물리학자들은 물리학을 뜯 ... more

덧글

  • 초록불 2009/04/20 11:05 #

    역시 사실이 더 중요하군요. 잘 보았습니다.
  • snowall 2009/04/20 12:46 # 삭제

    저는 이거 이해할때 힘들었었습니다...-_-;
  • 하얀말 2009/04/24 13:02 # 삭제

    아.. 수퍼카미오칸데...
  • reno 2010/12/07 17:40 # 삭제

    이러한 검출기가 우리나라에도 있는지 아시는지? 그리고 지금 저 실험은 슈퍼카미오칸데이고 실제적으로 중성미자의 진동을 밝혀낸 첫 리포트는 카미오칸데 실험입니다. 이런 실험은 IBD, SNO 많이 있었으며 사용된 값은 SNO입니다. 왠지 SK를 강조하는 것 같군요.
  • ExtraD 2010/12/07 18:52 #

    RENO실험 말씀하시는 거죠? 저도 정말 기대가 큽니다. 중국 다이아베이와의 경쟁에서 좋은 성과를 얻을 수 있길 기대하고 있습니다.
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Physics

\begin{eqnarray} \hbar c =197.3 \text{MeV fm}\\ (\hbar c)^2=0.389 \rm{GeV}^2 \rm{mb}\\ 1.0{\rm pb}=\frac{2.568\times 10^{-3}}{\rm TeV^2}\\ =10^{-40} {\rm m}^2 \end{eqnarray}

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