빛 보다 빠른 중성미자 물리 이야기

21세기에 들어서면서 부쩍많은 '흥미로운 실험적 결과'들이 이탈리아의 실험학자들로부터 보고되고 있다. 특히 그랑사소 국립 연구소 (Laboratori Nazionali Gran Sasso, LNGS)에서 발표한 암흑물질의 연간 플럭스의 모듈레이션 현상 (DAMA/LIBRA)과 며칠전 발표한 '빛보다 빠른 중성미자' 시그널은 통계적으로 각각 8 sigma, 6 sigma 이상의 이상현상이라는 점에서 적어도 '무언가'를 본 것임에는 틀림없어 보이며 그 '무언가'가 무엇인지 알기위해서 교차실험등 추가 검증이 필요한 것으로 여겨진다. 그만큼 실험결과가 의미하는 바가 대단히 혁명적이다.

일단 DAMA/LIBRA의 결과는 보다 정밀한 다른 실험 (특히, CDMS-II)의 결과와 배치되는 결과로 의심을 받고 있다. 하지만 여전히 7GeV 정도로 낮은 질량 영역에 대해서는 DAMA 실험이 CDMS-II가 보지 못한 영역을 커버한다는 주장이 있다.

이틀전 CERN에서 세미나 발표와 함께 arXiv에 발표한 논문 1109.4897의 제목은 "Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam" 즉, CNGS 빔을 이용한 OPERA 검출기에서의 중성미자 속도 측정"이다. 결과적으로 대략 17 GeV에너지 중성미자 빔의 경우 빛보다 60 나노초 빠르게 검출기에 도달한다는 결론을 내리고 있다.

초록을 읽어보자.



뮤온 타입 중성미자 빔은 LHC로 유명한 CERN에서 만들어졌고, 730km 떨어진 곳에 위치한 OPERA 검출기에 도달하는 시간을 2009, 2010, 2011 3년간에 걸쳐 측정한 결과 진공에서의 빛의 전파속도보다 60 나노초빠르게 도달한다는 결과를 얻었다. 60나노초 동안 빛의 전파거리는 18.2 미터. 따라서 이 실험 결과에 따르면 중성미자는 의외로 큰 차이로 빛을 앞선 셈이다.

이 실험을 성공시키기 위해 필요한 정밀도를 생각해보자.

1. 거리

730킬로 미터의 거리에서 18미터 차이는 대략 0.002%에 해당한다. 이정도로 정확하게 거리를 측정하기 위해 측지학 전문가와 수년간 함께 일을 했다고 한다. 요즘 GPS 위치 측정의 정밀도를 고려하면 18미터 차이가 거리 측정 오차에 기인했을 가능성은 지극히 낮다고 본다.

2. 시간

CNGS에서 중성미자가 만들어진 시간과 OPERA에 도달한 시간 차를 측정하는데도 GPS를 이용한 정밀한 타이밍 기술이 동원되었다. GPS를 이용한 타이밍 기술은 1나노초 정도의 정밀도를 가지는 것으로 알려져 있기 때문에 60 나노초의 차이가 이로부터 기인하기는 역시 어렵다고 본다.



하지만 좀더 살펴보면 이 부분이 간단치 않아보인다.

실제로 중성미자 각각에 대해 출발->도착 타이밍을 재는 것은 현재 기술로 불가능하다. 아래 그림은 양성자 빔으로부터 중성미자 빔을 만들어내는 장치다.



CERN은 양성자 빔의 시간축에 따른 형상에 대해 대단한 노하우를 갖추고 있는데 대략 10.5 마이크로초에 걸쳐서 '펼쳐진' 양성자 빔의 '어딘가'에서 만들어진 중성미자가 '통계적으로' 유사하게 일치하는 형상을 가지고 검출기에 도달하는 시간을 결정하는 대단히 복잡한 과정이 필요하다. 이 테크닉은 다른 실험에서 검증을 거쳤으며 OPERA측은 이때 수반되는 통계적 오차는 수 나노초 이하라고 한다.

OPERA측이 제시한 systematic error는 다음과 같다. (결론적으로 60나노초를 설명하기에 턱없이 작다)




그 외..

1. 과학적 검증

일단 2시간 가량 진행되었다는 CERN 세미나에서 나온 질문들에 적절한 대답이 나오지 않은 바가 없다.

물론 추가 실험이 필요하다고 누구나 여기고 있으며, 일본과 미국에서 비슷한 실험 (중성미자 빔을 수백킬로미터 떨어진 검출기에서 검출하는 실험)을 수행할 준비가 거의 되어 있기 때문에 조만간 검증 실험이 수행될 것으로 기대한다. GPS를 이용한 타이밍과 정밀 거리측정은 상대적으로 쉬운 부분이라고 여겨진다.

OPERA 결과와 2007년 MINOS 결과 (대략 3 GeV-100 GeV)를 비교해 보는 것도 흥미롭다.



OPERA에서 측정한 에너지 범위 17 GeV-28 GeV 내에서 중성미자의 속도는 늘 비슷한 비율로 빛보다 빠르다.

2. 만약 검증되면?

특수상대성이론에 따르면

[1]자연계에는 '한계 속도'가 내재하며
[2]빛은 그 '한계 속도'로 달린다.

하지만 만약 빛보다 빠른 중성미자가 실제로 검증된다면 '한계 속도'가 중성미자 속도로 대체될 수 있겠다. 혹은 빛의 속도가 실제로 한계속도가 맞으며 중성미자는 특수상대성 이론을 따르지 않는 별도의 입자일 수 있겠다. 물론 둘다 엄청난 물리학적 혁명으로 받아들여져야 할 것이다.

3. 개인적으로 실험 결과에 대해 일단 의심을 해본다. 하지만 그 의심이 근거를 갖고 있지 않다. 타이밍 측정 기법, 거리 측정, 양성자 빔 형태 분석 기법 등을 의심할 이유가 없다. 단순히 기존의 '물리학적 상식'에 비추어 삼켜지지 않는다는 것이다.

일단 어떤 물리학이 실제로 이 현상을 설명할 수 있는지 생각해볼 때고 또 추가 실험 결과를 기다릴 때다.

(*인터넷 에러로 원글이 삭제 되었어요..다시 게시합니다. 죄송합니다. 덧글은 저장했습니다.*)

덧글

hogh 2011/09/25 11:16 # 삭제 답글
웃긴 얘기로 나온게 오차원인중에 유라시아판과 이탈리아 반도쪽의 판이 서로 수렴해서 오차가나싸! 인데 역시 고려됫겟죠?
애쉬 2011/09/25 11:45 # 삭제
GPS상의 두점의 거리가 실험에 쓰인 요소이니
지형적 특성은 고려할 필요가 없지싶습니다
굉장한 속도로 진동 중이 아니라면 말이죠 ^^
sanxiyn 2011/09/25 17:08 # 삭제
논문 보시면 대륙 이동에 의한 오차가 고려되어 있습니다. (무시할 수 있는 수준입니다.)
사바욘의_단_울휀스 2011/09/25 11:23 # 삭제 답글
어렸을때 타키온이라는 입자에 대해서 들은적이있었습니다.
빛보다 빠른 입자를 읽컷는 가설 용어였는데
누군가에게 이런 단어가 있다고 이야기해주면
빛보다 빠른게 어디있냐며 비웃음 샀었죠.
드디어 찾은거 같아 제가 다 기분이 좋습니다.
Dancer 2011/09/25 16:17 # 삭제
타키온은 애초부터 광속보다 빠른 입자이며, 광속보다 느린 경우가 존재하지 않습니다.

에너지가 가장 낮을때 그 속도가 무한대이며, 가장 에너지가 높을때 광속이죠.
사바욘의_단_울휀스 2011/09/25 17:08 # 삭제
그런데 옛날엔 (한 20년쯤 전에...?) 가설안에서 그냥 빛보다 빠른 입자를 기술하는 용어로서만 쓰인것이지.
실제로 그것이 존재했는지 몰랐던때였죠
에린 2011/09/25 22:32 # 삭제
루트안에 음수가 들어갈 수 없는데 허수를 정의한 것처럼
타키온을 정의한 것이기 때문에
음...
해정 2011/09/25 11:24 # 삭제 답글
과학 혁명이길 빌어 봅니다.
서사 2011/09/25 11:33 # 삭제 답글
재미있군요. 의문점인 것은 18미터 오차가 별거 아니라고 말씀하시는데 18m/30만km= 60나노초입니다. 즉 광속과 동일한 입자가 가는 거리측정에서 이정도 오차가 나면 속도측정도 오차에 의한 것이라는 결과가 나오는데 이정도도 고려하지 않았을 리는 없을 것 같구요, 아무래도 위치측정 자체에 문제가 있지 않았나 싶습니다.
sac 2011/09/25 11:55 # 삭제
18m가 무시가능한 오차라는 이야기는 위에 없습니다. 위의 글은 '60ns의 오차가 발생하려면 18m의 거리특정의 오차가 있어야 한다. 하지만 현대 GPS를 이용한 측량법은 매우 정밀하므로 이러한 오차를 냈을 가능성이 적다'에 해당합니다.
서사 2011/09/25 12:00 # 삭제
으앜ㅋㅋㅋ 난독증 지적 감사. "요즘 GPS 위치 측정의 정밀도를 고려하면 18미터 차이가 거리 측정 오차에 기인했을 가능성은 지극히 낮다고 본다." 만 보고 썼는데 위까지 보니 그냥 18미터 오차가 났을 리가 없다라는 문장을 잘못쓰신 모양이군요.
지리즈 2011/09/25 13:18 # 삭제
GPS의 원리가 상대성이론을 바탕으로 하는 것인데...

실험결과가 상대성이론에 모순을 보여준다니 참으로 아이러니 하군요. -_-
ㅈㄴㄱㄷ 2011/09/26 03:14 # 삭제
아무 문제 없는 문장을 혼자만 이상하게 읽으니 난독증 맞는 듯.
애쉬 2011/09/25 11:47 # 삭제 답글
으음

미자는 츤데레
Frey 2011/09/25 12:06 # 삭제 답글
궁금한 것이 있어 질문 드립니다. CERN에서 OPERA까지의 730km에 달하는 거리는 어떤 매질로 채워져 있는 것인지요? 매질이 진공이라면, 뉴트리노와 함께 빛의 전파 속도를 함께 측정하여 비교할 수 있지 않을까요? 매질이 대기라면, 대기 때문에 오차가 생겼을 가능성이 있을까요?
... 2011/09/25 12:52 # 삭제
그 사이 매질이 진공이라면 딱히 게임셋인거 같고.. 진공에서의 빛의 속도야 이미 알고 있으니..
그 사이 매질이 대기라면, 진공에서의 중성미자의 속도보다 느리게 측정되면 되었지 빠르게 측정되지는 않지 않나요?
sanxiyn 2011/09/25 17:07 # 삭제
그 거리는 지구 내부의 암석으로 채워져 있습니다. 중성미자는 암석을 진공처럼 통과하죠. 그러니 빛과 직접 비교하는 것은 불가능합니다.

중성미자와 빛을 직접 비교하는 것이 아니기 때문에 대기 때문에 오차가 생겼을 가능성은 전혀 없습니다.
긁적 2011/09/25 12:51 # 삭제 답글
이거 정말 흥미롭더군요. 잘 읽었습니다.
커티군 2011/09/25 12:56 # 삭제 답글
이 포스팅을 올리시길 기다리고 있었습니다ㅋ 의외로 기기 오차일 확률이 상당히 낮네요
몽몽이 2011/09/25 13:33 # 삭제 답글
빔을 똑같은 경로에서 방향을 반대로 해서 쏴 볼 필요가 있는게 아닌가 싶군요.
에테르 실존 여부를 테스트했을 때처럼...
jane 2011/09/25 14:29 # 삭제 답글
이 포스팅 기다리고 있었습니다(2) 기기 오차일 확률이 저렇게 낮을 줄을 몰랐네요.
kidsmoke 2011/09/25 15:41 # 삭제 답글
와.. 제 살아있는 동안 패러다임의 전환을 보는 걸까요.. 매우 기대되네요.
물리과학생 2011/09/25 15:50 # 삭제 답글 비공개
현대물리시간에 시간나면 들을 수 있는건가요???
Mr.hun 2011/09/25 15:51 # 삭제 답글
자세한 설명 잘 읽었습니다. 어느 블로그보다 잘 설명되어 있는 것 같아 이해가 잘 되었습니다.

저는 이 뉴트리노의 뉴스가 CERN의 언론 플레이라고 생각합니다.

올해 미국의 Fermi Lab과 CERN의 언론의 뉴스를 보면 bump가 있었다!, higgs로 보이는 초과 event가 있었다! 이렇게 언론에 크게 보도하더니

미국의 Fermi Lab에서는 다른 검출기에서는 bump가 보이지 않는다. CERN에서도 다른 검출기에서는
higgs로 보이는 초과 event가 보이지 않는다는 뉴스는 아주 작게 보도된 것을 볼 수 있습니다.

미국의 Fermi Lab에서는 한쪽에서는 bump가 보이고 다른쪽에서는 bump가 보이지 않는것을
task 팀을 구성해 조사한다고 하더니 깜깜 무소식입니다.

게다가 지금 CERN의 8월 보고에서 낮은 에너지 단계에서 higgs가 있을지 모른다는 보고를 하고
거의 한달이 지났습니다. 게다가 뉴스를 검색해보면 higgs를 찾고자 만든 소프트웨어에서
엄청 많은 버그가 발견되어 실제로 higgs를 검출할지 어떨지 모른다는 블로그의 글까지 나오고
있습니다.

이런 상황에서 뉴트리노의 뉴스는 힉스에 대한 언론과 유럽연합측의 관심을 돌리기에 충분한
뉴스거리입니다. 뉴트리노의 소식은 그 사실이 실험적 오류이든 아니든 그 사실을 입증하는데는
또 상당한 시간소요가 걸릴 것입니다. 미국과 일본에서 재차 실험한다 해도 또 시간이 걸린것이니
이는 higgs에 대한 실험에 대한 압박감을 받는 CERN으로서는 시간을 벌기에 충분할 것입니다.

물론 이 말이 음모론처럼 들릴지 모르나, 올해의 두 실험실에서 언론에 보도하는 작태를 보니
의심하지 않을 수 없군요..

블로그 주인장은 어떻게 보시는지 모르겠습니다.

도대체 미국과 유럽의 입자실험실에서 뭣들을 하고 있는지.. 뭔가 대단한 것이 나왔다! 언론에 대대적으로 광고하더니 그게 오류인 것 같다는 슬쩍 후에 보도도 안하고 말이죠!!!
병아리99 2011/09/25 18:10 # 삭제 답글
사실, 이게 실제인지 아닌지는 좀 더 지켜봐야 알겠지만....
물리학자들에게는 좋은 떡밥이 될 듯 하군요...
불별 2011/09/25 21:52 # 삭제 답글
이 포스팅을 기다리고 있던 사람 한명 더 있습니다^^;
뉴트리노가 공간 도약을 했으리라는 가설도 있더군요. SF덕으로서 가장 두근거리는 가설이었습니다.
흑지 2011/09/25 23:08 # 삭제 답글
저도 포스팅을 기다렸습니다.
세미나에서 봣던 슬라이드를 여기서도 보게 되네요
지나가다가 2011/09/26 00:04 # 삭제 답글
시간 공간의 대칭성으로부터, 이 세계는 갈릴레이 변환 아니면 로렌츠 변환 둘 중의 하나이고, 빛의 속도가 관측자에 무관하므로, 로렌츠변환을 따르는 것이고, 따라서 한계속도는 빛의속도가 되는 것인데, 빛의 속도가 일정하다는 것이 굉장히 높은 정확도로 증명되어 의심할 여지가 없다고 하면, 그 보다 빠른 속도를 가진 입자라는게 논리적으로 말이 되는지 모르겠군요 ^^
jys34 2011/09/26 00:21 # 삭제 답글
안녕하세요^^ extrad님 포스팅 언제나 기다리면서 보고 있는 물리학도입니다. 제 생각엔 뉴트리노가 상대론을 만족하지 않는다고 보기에는 다른 대부분의 많은 실험결과들을 special relativity와 quantum mechanics들이 요구하는 symmetry를 만족시키는 양자장론에서 예측한 대로 보여주는 것처럼 보이는 것 같아요..

(여기다가 질문 드려도 될지 모르겠지만..) 궁금한 것이 4-dimensional Minkowski space내의 모든 matter와 particle, coordinate는 lorentz symmetry 등을 만족해야 할 텐데.. 5-dimension 이상의 추가적인 D.O.F을 가지거나 spacetime의 기하학적인 구조가 바뀌면 (또는 non-local한 성질을 가지면?) massive한 입자의 velocity가 c보다 커질 수 있는 걸까요?;

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    ... 입자물리학은 학부 과목 하나 달랑 들은 게 전부기 때문에 이것에 관한 글을 쓰고 싶어도 능력이 부족한지라, 그냥 전문가가 쓴 좋은 글 하나로 설명을 대체한다. 빛보다 빠른 중성미자 그냥 덧붙여서 한 가지. 한심한 기사 중에 "빛보다 빠른 새로운 입자가 이번에 새로 발견되었다!"라는 식의 헛소리를 써놓은 기사들이 많던데, 뉴트리노는 ... more

  • 자연학을 위하여 : 빛보다 빠른 중성미자? 좋은 글 소개 2011-09-26 23:32:02 #

    ... 참고하시길...http://extrad.egloos.com/3740339 ... more

덧글

  • 死海文書 2011/09/26 11:17 #

    해명이 어떻게 될지, 언제 나올지 참 기대됩니다.
  • 지리즈 2011/09/26 11:39 # 삭제

    안녕하세요.. ExtraD님.

    이번 뉴트리노 사건을 보면서 개인적으로 의문이 들어 글을 남겨 봅니다.

    M이론에 의하면
    우리 우주는 3차원 브레인에 열린 고리 형태의 입자로 묶여 있고, 중력자는 닫힌 고리형태로 이 브레인을 벗어 날 수 있기 때문에 약한 것이다 라고 추정하고 있습니다.

    그런데, 이 3차원의 브레인 역시 끈이기 때문에 역시 휘어지거나 굽어질 수 있을 겁니다.

    그럼, 브레인에 묶여 있지 않는 중력자 같은 닫힌 고리형태의 입자들은 휘어진 브레인을 가로지를 수 있기 때문에 실제 브레인에서 관측될 때는 실제 속도보다 빠르게 측정될 수 있지 않을까요? 심지어면 광속보다도 더 빠르게 측정될 수도 있겠죠.

    그런데, 아직까지 M이론에서 중력(자)이 광속보다 빠를 수 있다라는 주장을 본적이 없는 것 같습니다.

    제가 뭔가 잘 못 생각하는 점이 있나요?
  • snowall 2011/09/29 20:11 #

    http://www.aip.org/enews/physnews/2003/split/620-1.html

    중력의 전달 속력은 빛의 속력과 같다는 것이 관측되었습니다.

    따라서, 이 실험 결과가 크게 틀리지 않는 한 M이론에서 중력자가 광속보다 빠르다고 주장하기는 힘들겠죠.
  • 그린 2011/09/26 14:55 #

    검증 결과가 어떻게 될지 매우 궁금해지네요...
  • 코스모스 2011/09/27 01:48 #

    중성미자가 빛보다 빠르다면 백조자리 X-1으로 알려진 블랙홀에서
    중성미자의 검출도 가능하겠네요. 그 이유는 블랙홀은 광속 이하의
    물체에만 적용되는 것이니까요.
  • 비소 2011/09/29 01:19 # 삭제

    잘 알지는 못하지만 블랙홀의 질량에 따라 다르지 않을까요?? ..
  • Draco 2011/09/27 01:53 # 삭제

    그 중성미자 이름은 "엔터프라이즈 호".....
  • zzzz 2011/09/27 13:39 # 삭제

    ㅋ 뮤온 중성미자가 약간 빠르군요. 초속7킬로미터정도....너무 적군요. 상한속력도 미세구조를 갖나요
  • triumph 2011/09/28 12:34 # 삭제

    저두 궁금한게있어 글남깁니다. 그러면 뉴트리노 검출당시 뉴트리노의 운동량은 얼마인지 알수있을까요? 상대론으로 값을 구하면 C를넘기때문에 발산하겠지만, 실험에서는 유한한 값을 구할테니
  • 지리즈 2011/09/29 20:55 # 삭제

    Snowall//

    Snowall 님 KLDP말고 여기서 뵙니 반갑네요.

    해당 링크의 글을 읽어 보니 실험 방법론에 대해서 의문을 가지고 있는 과학자들도 있네요.

    제 생각에는 M이론이 옳다면 닫힌 고리의 질량없는 입자들은 최하속도 광속이고 경우에 따라서는 광속보다 빠르게 관측될 수 있다라고 추정해야 할 것 같아요. 여전히 ^^
  • dyanos 2011/09/30 13:42 # 삭제

    (우문일지도 모르는데) 궁금한건 저 실험에서 뉴트리노 대신에 빛에 대해서 해볼때 어떻게 나오는지 궁금합니다. 그렇게 해서 측정된 결과가 현재 알고 있는 광속과 동일하다면 뉴트리노에 대한 속도 측정결과는 신뢰할수있지 않을까요? (물론 입자가 다르니;; 먼가 다른게 있을수도)
  • sanxiyn 2011/09/30 17:53 #

    지구를 뚫고 가는거라 같은 경로로 빛에 대해 실험하기는 불가능합니다.
  • BUG 2011/10/02 04:52 # 삭제

    게임상의 버그인 것 같네요. 제가 운영자에게 버그리포팅 하고 오겠습니다.
  • rechido 2011/11/25 20:30 # 삭제

    와 좋은글이네요. 윗글에 댓글을 남겼는데 이글도 혹시 같이 인용해도 괜찮을까요?
※ 이 포스트는 더 이상 덧글을 남길 수 없습니다.



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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