일본에서 진행되는 장거리 중성미자 진동 실험인 T2K는 최근 중성미자 와 그에 상응하는 반물질 입자인 반중성미자의 기본적인 물리적 성질에 차이가 있다는 강력한 증거를 관측했다고 발표했습니다. 이 관측 결과는 과학계의 가장 큰 수수께끼 중 하나인 우주 에서 물질이 반물질보다 훨씬 많은 이유, 그리고 궁극적으로 우리의 존재 이유 에 대한 해답을 제시할 가능성을 보여줍니다.
우주론에 따르면, 빅뱅 당시 복사로부터 입자와 반입자가 쌍으로 생성되었습니다. 반입자는 물질인 입자와 거의 동일한 물리적 성질을 가지지만, 전하와 자기적 성질이 반전된 반물질입니다. 그러나 우주가 오직 물질로만 이루어져 있다는 사실은 빅뱅 과정에서 물질-반물질 대칭성이 깨졌음을 시사합니다. 이로 인해 입자와 반입자 쌍이 완전히 소멸하여 다시 복사를 생성하지 못했을 가능성이 있습니다. 물리학자들은 초기 우주 에서 깨진 물질-반물질 대칭성을 설명할 수 있는 CP 대칭성 위반의 흔적을 찾기 위해 연구를 진행하고 있습니다.
CP 대칭은 전하 켤레 대칭(C)과 패리티 반전 대칭(P)이라는 두 가지 서로 다른 대칭의 산물입니다. 전하 켤레 대칭(C)이 대전 입자에 적용되면 전하의 부호가 바뀌어 양전하 입자는 음전하를 띠게 되고 그 반대도 마찬가지입니다. 중성 입자는 C의 작용에도 변화 없이 그대로 유지됩니다. 패리티 반전 대칭은 작용하는 입자의 공간 좌표를 반전시켜 오른손잡이 입자는 왼손잡이 입자가 되는데, 이는 마치 사람이 거울 앞에 섰을 때 일어나는 현상과 유사합니다. 마지막으로, CP가 오른손잡이 음전하 입자에 작용하면 왼손잡이 양전하 입자, 즉 반입자로 변환됩니다. 이처럼 물질 과 반물질은 CP 대칭을 통해 서로 관련되어 있습니다. 따라서 CP 대칭이 깨져야만 관측된 물질-반물질 비대칭이 발생할 수 있으며 , 이는 1967년 사하로프(Sakharov)에 의해 처음 지적되었습니다(1).
중력, 전자기력, 강한 상호작용은 CP 대칭에 대해 불변이므로 자연에서 CP 위반을 찾을 수 있는 유일한 곳은 약한 상호작용을 통해 상호작용하는 쿼크 및/또는 렙톤의 경우입니다. 지금까지 쿼크 영역에서 CP 위반이 실험적으로 측정되었지만, 우주의 추정 비대칭을 생성하기에는 너무 작습니다 . 따라서 렙톤 영역에서의 CP 위반을 이해하는 것은 우주 의 존재를 이해하기 위해 물리학자들에게 특별한 관심사입니다 . 렙톤 영역에서의 CP 위반은 렙토제네시스(2)라고 불리는 과정을 통해 물질-반물질 비대칭을 설명하는 데 사용될 수 있습니다.
중성미자는 왜 중요한가?
중성미자 는 전기적으로 중성인, 자연계에서 가장 작고 질량이 큰 입자입니다. 전기적으로 중성이므로 전자 기적 상호작용을 할 수 없으며, 강한 상호작용도 하지 않습니다. 중성미자의 질량은 약 0.1 eV(약 2 × 10⁻³⁷ kg) 정도로 매우 작기 때문에 중력 또한 매우 약합니다. 중성미자가 다른 입자와 상호작용할 수 있는 유일한 방법은 단거리 약한 상호작용을 통해서입니다.
중성미자 의 이러한 약한 상호작용 특성은 멀리 떨어진 천체들을 연구하는 데 있어 흥미로운 도구로 작용합니다. 광자조차도 성간 매질에 존재하는 먼지, 가스 입자 및 배경 복사에 의해 가려지고, 산란되고, 걸림돌이 될 수 있지만, 중성미자는 대부분 방해받지 않고 통과하여 지구 기반 탐지기에 도달할 수 있습니다. 이러한 약한 상호작용 특성 때문에 중성미자 분야는 CP 대칭성 위반에 기여할 수 있는 유력한 후보로 여겨집니다.
중성미자 진동 및 CP 위반
중성미자(𝜈)에는 𝜈e , 𝜈𝜇 , 𝜈𝜏 의 세 종류가 있으며, 각각 전자(e), 뮤온(𝜇), 타우(𝜏)라는 세 가지 렙톤 종류에 해당합니다. 중성미자는 해당 종류의 대전된 렙톤과 결합하여 약력 상호작용을 통해 생성되고 검출되지만, 전파될 때는 질량을 가진 고유상태로 나타납니다. 따라서 생성 시점에서 특정 종류의 중성미자 빔은 일정 경로를 이동한 후 검출 지점에서 세 가지 종류의 중성미자가 혼합된 상태가 됩니다. 이때 각 종류별 중성미자의 비율은 시스템의 매개변수에 따라 달라집니다. 이러한 현상을 중성미자 진동이라고 하며, 이 때문에 이 작은 입자는 매우 특별한 존재입니다!
이론적으로, 각 중성미자 맛 고유 상태는 세 가지 질량 고유 상태 모두의 선형 조합으로 표현될 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이고, 혼합은 Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata(PMNS) 행렬(3,4)이라고 하는 유니타리 행렬로 기술될 수 있다. 이 3차원 유니타리 혼합 행렬은 세 가지 혼합 각도와 복소 위상으로 매개변수화될 수 있다. 이러한 복소 위상 중 중성미자 진동은 𝛿 𝐶𝑃 라는 하나의 위상에만 민감하며 , 이는 렙톤 영역에서 CP 위반의 유일한 원인이다. 𝛿 𝐶𝑃는 −180°에서 180° 사이의 임의의 값을 가질 수 있다. 𝛿 𝐶𝑃 =0,±180°는 중성미자와 반중성미자가 동일하게 행동하고 CP가 보존됨을 의미하며, 𝛿 𝐶𝑃 =±90°는 표준 모형의 렙톤 영역에서 최대 CP 위반이 발생함을 나타냅니다. 이 중간값들은 모두 다양한 정도의 CP 위반을 시사합니다. 따라서 𝛿 𝐶𝑃 값 을 측정하는 것은 중성미자 물리학계에서 가장 중요한 목표 중 하나입니다.
진동 매개변수 측정
중성미자는 태양, 다른 별 및 초신성과 같은 핵 반응 동안 풍부하게 생성됩니다. 그들은 또한 고에너지 우주선과 원자핵의 상호 작용을 통해 지구 대기에서 생성됩니다. 중성미자 플럭스에 대한 아이디어를 얻으려면 초당 약 100조 개의 에너지가 우리를 통과합니다. 그러나 그들은 매우 약하게 상호 작용하기 때문에 우리는 그것을 깨닫지조차 못합니다. 이것은 중성미자 진동 실험 동안 중성미자 속성의 측정을 정말 어려운 작업으로 만듭니다!
이러한 파악하기 어려운 입자를 측정하기 위해 중성미자 검출기는 크기가 크고 질량이 킬로톤에 달하며 통계적으로 유의미한 결과를 얻으려면 실험에 몇 년이 걸립니다. 약한 상호 작용 때문에 과학자들은 25년 Pauli가 핵 베타 붕괴에서 에너지-운동량 보존을 설명하기 위해 중성미자의 존재를 가정한 후 실험적으로 첫 번째 중성미자를 탐지하는 데 약 1932년이 걸렸습니다(그림 (5) 참조).
과학자들은 99.73%(3𝜎) 신뢰도에서 90% 이상의 정밀도로 세 가지 혼합각을 모두 측정했습니다(6). 두 개의 혼합각은 태양 및 대기 중성미자의 진동을 설명할 만큼 크고, 세 번째 각도(𝜃 13 으로 명명됨 )는 작으며, 최적 적합값은 약 8.6°이고, 2011년 중국의 다야베이 원자로 중성미자 실험에서 최근에야 실험적으로 측정되었습니다. PMNS 행렬에서 위상 𝛿 𝐶𝑃는 sin𝜃 13 𝑒 ±𝑖𝛿 𝐶𝑃의 조합에서만 나타나 므로 𝛿 𝐶𝑃 의 실험적 측정이 어렵습니다.
쿼크 및 중성미자 영역 모두에서 CP 위반량을 정량화하는 매개변수는 Jarlskog 불변량 𝐽 𝐶𝑃 (7)이라고 하며, 이는 혼합각과 CP 위반 위상의 함수입니다. 쿼크 영역의 경우 𝐽 𝐶𝑃 ~3×10 -5 이고, 중성미자 영역의 경우 𝐽 𝐶𝑃 ~0.033 sin𝛿 𝐶𝑃 이므로 𝛿 𝐶𝑃 값에 따라 쿼크 영역의 𝐽 𝐶𝑃 보다 최대 3배 더 클 수 있습니다.
T2K의 결과 – 물질-반물질 비대칭의 미스터리를 풀기 위한 힌트
장거리 중성미자 진동 실험인 T2K(일본 도카이-카미오카)에서는 일본 양성자 가속기 연구 단지(J-PARC)에서 생성된 중성미자 또는 반중성미자 빔이 지구를 295km 통과한 후 슈퍼 카미오칸데의 물-체렌코프 검출기에서 검출됩니다. 이 가속기는 𝜈𝜇 또는 그 반입자 𝜈̅𝜇 빔을 생성할 수 있고, 검출기는 𝜈𝜇 , 𝜈𝑒 및 그 반입자 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒 를 검출할 수 있으므로 , 네 가지 서로 다른 진동 과정에 대한 결과를 얻을 수 있으며, 이를 분석하여 진동 매개변수에 대한 효율적인 상한값을 구할 수 있습니다. 그러나 CP 위반 위상 𝛿 𝐶𝑃는 중성미자가 맛을 바꾸는 과정, 즉 𝜈𝜇→𝜈𝑒 및 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 진동에서만 나타납니다. 이 두 과정의 차이는 렙톤 영역에서 CP 위반을 의미합니다.
최근 통신에서 T2K 협력단은 2009년과 2018년 동안 수집된 데이터를 분석하여 중성미자 부문에서 CP 위반에 대한 흥미로운 제한을 보고했습니다(8). 이 새로운 결과는 𝛿 𝐶𝑃 의 가능한 모든 값의 약 42%를 배제했습니다 . 더 중요한 것은 CP가 보존되는 경우가 95% 신뢰 수준에서 배제되었으며, 동시에 자연에서는 최대 CP 위반이 선호되는 것으로 보인다는 것입니다.
고에너지 물리학 분야에서는 새로운 발견을 주장하기 위해서는 5𝜎(즉, 99.999%)의 신뢰도가 필요하므로 CP 위반 단계의 발견을 위해 충분한 통계와 더 높은 정밀도를 얻으려면 차세대 실험이 필요합니다. 그러나 최근의 T2K 결과는 물질-반물질 비대칭에 대한 우리의 이해를 향한 중요한 발전입니다. 우주 중성미자 부문에서 처음으로 CP 위반을 통해.
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참조 :
1. 사하로프, 안드레이 D., 1991. ''CP 불변성 위반, C 비대칭성 및 우주의 바리온 비대칭성''. 소련 물리학 저널, 1991, 34(5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. 렙토제네시스와 중성미자 특성에 대한 소개. Contemporary Physics 제53권, 2012년 – 제4호, 315-338쪽. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. 및 Sakata S., 1962. 기본 입자의 통합 모델에 대한 고찰. 이론 물리학의 진보, 제28권 5호, 1962년 11월, 870-880쪽, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. 역 베타 과정 및 렙톤 전하의 비보존. 실험 및 이론 물리학 저널(소련) 34, 247-249 (1958년 1월). 온라인에서 이용 가능: http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. 2020년 4월 23일 접속.
5. Inductiveload, 2007. 베타 마이너스 감쇠. [온라인 이미지] https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg에서 이용 가능. 2020년 4월 23일 접속.
6. Tanabashi M., et al. (Particle Data Group), 2018. 중성미자 질량, 혼합 및 진동, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) 및 2019 업데이트. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog의 답변. 물리. Lett 목사. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. T2K 협력단, 2020. 중성미자 진동에서 물질-반물질 대칭성 위반 위상에 대한 제약 조건. Nature 580권, 339-344쪽(2020). 발행일: 2020년 4월 15일. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
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