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“수소원자 무게의 10억분의 1보다 더 작은 중성미자 개발 ”IBS, 104명의 전세계 입자물리학자와 공동연구 결과
IBS는 중성미자를 방출하는 결정 시험을 진행 중이다. 위 사진은 중성미자 시험을 위해 1차로 선정한 4개의 결정이다. 왼쪽부터 칼슘몰리브데이트, 다이리튬몰리브데이트, 레드몰리브데이트, 다이소듐몰리브데이트. 아래 사진은 IBS가 그동안 성장시킨 결정. 위의 4개가 포함돼 있다.

“중성미자 질량은 수소원자 무게의 10억분의 1보다 더 작다 .”

기초과학연구원(IBS) 지하실험 연구단(단장 김영덕)이 최근 중성미자 실험을 통해 얻은 결론이다.

그러나 이 연구 결과를 얻기까지 지하실험연구단은 중성미자 개발부터 시험까지 장장 4년이 걸렸다.

IBS 지하실험 연구단과 경북대학교 김홍주 교수를 비롯한 국제공동 연구진은 12일 중성미자를 방출하는 다이소듐몰리브데이트(Na2Mo2O7) 등 결정 4개를 1차 선정했다고 밝혔다.

연구진은 이들 결정을 향후 200kg 이상으로 만들어 연구로서는 전세계에서 가장 규모가 큰 중성미자 실험을 진행할 계획이다.

중성미자는 우주를 이루는 기본입자들 중 가장 가벼운 입자다. 다른 물질과 거의 반응하지 않는 특성이 있다. 매초 700억 개의 중성미자가 인간의 엄지손가락을 뚫고 지나가지만 전혀 느낄 수 없을 정도로 작다. 이처럼 관측이 힘들기 때문에 ‘유령입자’로 불린다. 입자물리학의 수수께끼로 남아 있다.

미국 샌포드 지하연구시설, 일본 카미오카 우주관측소, 이탈리아 그랑사소 연구소 등 이 중성미자의 성질과 질량을 측정하기 위한 대규모 실험을 진행하고 있다.

우리나라에서는 IBS 지하실험 연구단이 다른 나라 과학기술자와 공동으로 ‘AMoRE’라는 중성미자 국제공동연구 프로젝트를 수행해 왔다.

AMoRE(Advanced Molybdenum-based Rare process Experiment)에는 전세계 8개국 104명 입자물리학자와 기술자가 참여하고 있다.

지하실험연구단은 지난 2015년부터 2018년까지 강원도 양양에서 무게 1.9kg의 칼슘몰리브데이트(CaMoO4)결정을 이용한 파일럿 실험을 진행했다. 또 기존 칼슘몰리브데이트(CaMoO4) 결정의 문제점을 해결할 여러 결정을 성장시켰다.

  중성미자 방출을 실험해온 국내 결정 연구 책임자들. 왼쪽부터 이무현 
 IBS 지하실험연구단 연구위원, 김홍주 경북대교수.

칼슘몰리브데이트 결정은 사실 방출하는 빛이 많아 데이터를 얻는 데 유리하지만, 칼슘(Ca) 중 0.18% 비율로 존재하는 48Ca이 또다른 이중베타붕괴를 일으켜 잡음이 발생한다.

이에 연구진은 기존에 연구되지 않았던 결정들의 여러 화학적 단계를 분석해 리튬, 세슘, 나트륨이 든 새로운 몰리브데이트 결정 8개를 성장시키고, 기존 국제공동연구로 성장시켰던 아연, 납 함유 결정 4개와 함께 테스트를 진행했다.

연구진은 이들 12개의 후보 결정들이 방출하는 빛과 파장 특성 등을 상온에서부터 약 10 켈빈(섭씨 -263도)의 저온까지 연구하고, 이를 기존의 칼슘몰리브데이트(CaMoO4) 결정과 비교했다.

방출하는 빛의 양과 시간 등을 측정한 결과 후보 결정 중 다이소듐몰리브데이트(Na2Mo2O7)가 가장 적합하다는 사실을 확인했다. 또 이를 포함한 4개 결정을 향후 실험을 위한 1차 후보로 선정했다.

이무현 연구위원은 “결정을 연구, 개발 및 성장하는 데 2년, 특성 시험에 2년이 걸렸다”고 말했다.

IBS 측은 실험에 사용할 결정은 극저온 시험을 거쳐 앞으로 1~2년 후에 최종 선정될 것이라고 설명했다.

최종 실험에는 다이소듐몰리브데이트(Na2Mo2O7), 다이리튬몰리브데이트(Li2MoO4), 레드몰리브데이트(PbMoO4)와 기존의 칼슘몰리브데이트(CaMoO4)를 비교할 예정이다.

AMoRE 참여 연구진은 현재 6kg의 결정으로 1단계 실험을 준비 중이다. 향후 선택된 결정 200kg는 강원도 정선에서 2021년 착수할 2단계 실험에 약 5년 동안 사용된다.

이무현 연구위원은 “최근의 1.9kg 결정 실험으로는 중성미자 질량이 수소원자 질량의 10억분의 1보다 더 작다는 정보를 얻었다”며 “향후에 결정 200kg로 실험하면 민감도가 100배 더 좋아져, 수소원자 질량의 1000억분의 1 수준과 중성미자 질량을 비교할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 결정 연구와 기술에 관한 전문학술지 크리스탈 리서치 앤 테크놀로지(Crystal Research and Technology) 표지논문으로 게재(11월 13일자)됐다.

■ 논문명
Search for new molybdenum-based crystal scintillators for the neutrinoless double beta decay experiments./ Crystal Research and Technology

■저자
Hong Joo Kim, Indra Raj. Pandey, Arshad Khan, Ju-Kyung Son, Moo Hyun Lee

, Yeongduk Kim

박희범 기자  snews@s-news.kr

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