입자가속기 최초 검출

대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)에 의해 촉발된 핵반응으로 생성된 중성미자가 처음으로 검출되었습니다. 물리학자들은 입자가 빛의 속도에 가깝게 가속되고 충돌할 때 발생하는 반응이 중성미자를 생성한다고 확신했지만, 증거를 포착하는 것은 다른 문제였습니다. 이번 성과는 입자물리학자들이 아원자 입자 거동에 대해 아직 알려지지 않은 몇 가지 미지의 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.

1930년대에 물리학자들은 많은 핵반응의 생성물이 그 반응 이전의 입자보다 더 적은 에너지를 운반하는 것처럼 보인다는 사실을 발견했습니다. 이는 에너지 보존 법칙에 위배되며, 우리가 놓친 추가 제품이 있다는 것이 당연한 설명이었습니다. 중성미자라고 불리는 이러한 입자는 매우 가벼워야 하며(오랫동안 질량이 없다고 생각되어 왔습니다) 더 친숙한 물체와 매우 약하게 상호 작용해야 합니다. 그렇지 않으면 우리는 그것들을 더 쉽게 발견할 수 있었을 것입니다.

순전히 문제를 해결하기 위해 발명된 감지할 수 없는 물체에 대한 일부 경멸에도 불구하고 중성미자는 1956년 원자로에서 나오는 것으로 확인되어 노벨상을 수상했습니다. 그 이후로 그들은 태양, 우주선과 상부 대기 사이의 상호 작용, 초신성과 같은 고에너지 천문학적 사건에서 발생하는 것으로 밝혀졌습니다.

FASER(Forward Search Experiment) 공동 작업은 "각각의 새로운 소스를 통해 입자 물리학에서 지구물리학, 천체 물리학 및 우주론에 이르기까지 다양한 분야에 중요한 영향을 미치는 새로운 통찰력을 얻었습니다."라고 썼습니다. 연구자들은 맛이라고 알려진 세 가지 유형을 확인하기도 했습니다. 매초 수조 개의 물이 여러분의 몸을 통과하지만, 통과하는 다른 입자를 생성하거나 변경하는 작은 부분에 의해 생성된 트랙을 보려면 지하에 묻혀 있는 거대한 물 탱크가 필요합니다.

CERN의 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)와 같은 기계에서 생성되는 숫자는 당연히 천문학적 기원의 숫자에 비해 매우 작기 때문에 이를 찾는 작업이 더욱 어렵습니다. 그럼에도 불구하고 이 작업은 이제 두 팀이 독립적으로 수행되었습니다.

SND@LHC Collaboration의 Cristovao Vilela는 "중성미자는 LHC와 같은 양성자 충돌기에서 매우 풍부하게 생산됩니다"라고 Phys.org에 말했습니다. "그러나 지금까지 이러한 중성미자는 직접적으로 관찰된 적이 없습니다. 중성미자와 다른 입자의 매우 약한 상호 작용으로 인해 검출이 매우 어려워지고 이로 인해 입자 물리학의 표준 모델에서 가장 잘 연구되지 않은 입자입니다."

실제로 중성미자는 입자 충돌기에서 감지되지 않은 표준 모델의 유일한 입자이므로 존재하는 것으로 확인되었습니다.

두 팀은 중성미자 포획에 대해 서로 다른 접근 방식을 취했습니다. FASER 협력은 빔 라인을 따라 탐지기를 배치하여 입자와 유사한 경로를 따라 계속되는 가장 높은 에너지 중성미자가 통과하도록 했습니다. 여전히 관찰하기는 어렵지만, 고에너지 중성미자는 저에너지 중성미자보다 다른 물질과 상호작용할 가능성이 더 높습니다.

FASER 검출기는 각 두께가 1.1mm(0.044인치)인 730장의 텅스텐 시트와 그 사이에 유제 필름으로 구성되어 있습니다. 팀은 5개월 간의 관찰을 통해 배경 수준보다 높은 153개의 탐지와 2000억 전자 볼트 이상의 에너지를 발견했습니다.

반면 SND@LHC는 감지기를 한쪽에 배치하고 8개의 후보 이벤트만 관찰했습니다. 두 팀 모두 수백 미터의 암석과 콘크리트로 탐지기를 보호하여 반응에서 생성된 대부분의 다른 입자를 차단했습니다. 그 모든 질량과 상호작용할 확률이 낮은 중성미자는 상처 없이 통과했습니다. 그럼에도 불구하고 Viela는 모든 중성미자에 대해 이렇게 설명했습니다. SND@LHC 검출기는 매우 유사한 신호를 발생시키는 수천만 개의 뮤온을 포착했습니다.

건초더미 속의 바늘 이야기는 뮤온으로 인해 발생하는 상호작용에서 중성미자 상호작용을 찾아내려는 노력을 제대로 보여주지 못합니다.

이 발견은 FASER와 SND@LHC의 Physical Review Letters에 게재된 두 편의 논문에서 발표되었습니다.