입자 물리학의 표준 모델은 과학에서 가장 인상적인 업적 중 하나입니다. 우주의 네 가지 기본 힘, 즉 전자기력, 강한 핵력 및 약한 핵력 중 세 가지를 이해하고 설명하기위한 엄격하고 정확한 노력입니다. 중력은 지금까지 없었기 때문에 표준 모델에 맞추는 것이 매우 어려웠습니다.
그러나 표준 모델에는 약간의 구멍이 있으며 그 중 하나에는 중성미자가 포함되어 있습니다.
중성미자의 존재는 1930 년에 처음 제안 된 후 1956 년에 발견되었습니다. 그 후 물리학 자들은 세 가지 유형의 중성미자가 있다는 것을 배웠고 풍부하고 애매했습니다. 다른 시설과의 상호 작용이 거의 없기 때문에 특수 시설 만 탐지 할 수 있습니다. 그것들에 대한 몇 가지 출처가 있으며, 그중 일부는 빅뱅 이후 우주를 통해 압축되었지만 지구 근처의 대부분의 중성미자는 태양에서 나옵니다.
표준 모델은 중성미자가 광자와 같은 질량을 가지고 있지 않다고 예측합니다. 그러나 물리학 자들은 세 종류의 중성미자가 움직일 때 서로 변형 될 수 있다는 것을 발견했습니다. 물리학 자에 따르면, 그들은 질량이있는 경우에만 그렇게 할 수 있어야합니다.
그러나 얼마나 많은 질량? 그것은 입자 물리학자를 괴롭히는 질문입니다. 그리고 그 질문에 대답하는 것은 KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment)의 과학자들을 이끄는 것의 일부입니다.
“KATRIN 협력에 의한 이러한 발견은 중성미자의 이전 질량 범위를 2 배로 줄였습니다…”
워싱턴 대학에서 물리학의 카트 리언 과학자이자 교수 인 해미 로버트슨.
연구팀은 이에 대한 해답 중 일부를 제시했다. 중성미자의 질량은 1.1 전자 볼트 (eV)를 초과 할 수 없다. 이것은 중성미자의 질량의 상한을 거의 1 eV만큼 줄인다. 2eV에서 1.1eV까지 질량 하한을 0.02 eV로 설정 한 이전 실험을 바탕으로이 연구자들은 중성미자 질량의 새로운 범위를 설정했습니다. 중성미자는 전자 질량의 1 / 500,000보다 작은 것을 보여줍니다. 이것은 표준 모델의 발전에서 중요한 단계입니다.
“중성미자의 질량을 알면 과학자들은 우주론, 천체 물리학 및 입자 물리학의 근본적인 질문에 대답 할 수 있습니다…”
KATRIN의 워싱턴 대학 (University of Washington) 물리학과 명예 교수이자 Hamish Robertson.
이 연구의 배후에있는 연구원들은 전 세계 20 개의 다른 연구소에서 왔습니다. 그들은 독일의 Karlsruhe Institute of Technology에서 KATRIN과 함께 일하고 있습니다. KATRIN 시설에는 10 미터의 고해상도 분광계가있어 전자 에너지를 매우 정밀하게 측정 할 수 있습니다.
KATRIN 팀은 9 월 13 일 일본 도야마에서 개최 된 2019 Astroparticle and Underground Physics 주제 주제에서 결과를 발표했습니다.
KATRIN의 과학자이자 물리학의 명예 교수 인 Hamish Robertson은“중성미자의 질량을 알면 과학자들이 우주가 어떻게 진화했는지 또는 물리가 표준 모델을 넘어 존재하는지와 같은 우주론, 천체 물리학 및 입자 물리학의 근본적인 질문에 대답 할 수있게 될 것입니다. 워싱턴 대학에서. “KATRIN 협력에 의한 이러한 결과는 중성미자의 이전 질량 범위를 2 배로 줄이고 중성미자의 실제 질량에 대해 더 엄격한 기준을 제시하며 그 가치를 확실하게 측정 할 수있는 길을 제공합니다.”
뉴트리노는 풍부하지만 탐지하기가 어렵다. 광자 만이 더 풍부합니다. 그들의 이름처럼 전기적으로 중립적입니다. 이로 인해 탐지가 매우 어려워집니다. 중성미자 관측소가 남극 얼음 깊숙이 침몰하고 버려진 광산에도 깊은 곳이 있습니다. 그들은 종종 중성 수를 사용하여 중성미자가 상호 작용하도록 유도합니다. 중성미자가 상호 작용하면 측정 할 수있는 Cherenkov 방사선이 생성됩니다.
Robertson은“태양계를 명왕성 궤도를 넘어 50 배까지 납으로 채운다면 태양에서 방출되는 중성미자의 절반 가량이 그 납과 상호 작용하지 않고 태양계를 떠날 것입니다.
중성미자의 역사는 KATRIN과 같은 실험으로 시간이 지남에 따라 진화했습니다. 원래 표준 모델은 중성미자가 질량이 없을 것으로 예측했습니다. 그러나 2001 년에 두 개의 서로 다른 탐지기가 질량이 0이 아닌 것으로 나타났습니다. 2015 년 노벨 물리학상은 중성미자가 종류를 오가며 질량이 있음을 보여주는 두 과학자에게 수여되었습니다.
KATRIN 시설은 중성미자 질량을 간접적으로 측정합니다. 방사성이 높은 수소 형태 인 삼중 수소의 붕괴를 모니터링하여 작동합니다. 삼중 수소 동위 원소가 붕괴함에 따라 전자와 항 중성미자 (anti-neutrino)와 같은 입자 쌍을 방출합니다. 그들은 함께 18,560 eV의 에너지를 공유합니다.
대부분의 경우 한 쌍의 입자는 18,560 eV를 동일하게 공유합니다. 그러나 드문 경우지만 전자는 대부분의 에너지를 흡수하여 중성미자가 거의 남지 않습니다. 이 드문 사례는 과학자들이 집중하고있는 것입니다.
E = mC2로 인해,이 드문 경우에 중성미자가 남은 적은 양의 에너지도 질량과 같아야합니다. KATRIN은 전자를 정확하게 측정 할 수있는 힘을 가지고 있기 때문에 중성미자의 질량을 결정할 수도 있습니다.
KATRIN에서 일하는 워싱턴 대학 물리학 교수 인 피터도 (Peter Doe)는“뉴트리노의 질량을 풀어 새로운 표준 모델을 만드는 용감한 새로운 세계로 인도 할 것입니다.
Doe가 언급 한이 새로운 표준 모델은 암흑 물질을 설명 할 가능성이 있으며, 이는 우주에서 대부분의 물질을 구성합니다. KATRIN과 같은 노력은 언젠가 멸균 중성미자라고하는 또 다른 네 번째 유형의 중성미자를 감지 할 수 있습니다. 지금까지이 네 번째 유형은 추측 일 뿐이지 만 암흑 물질의 후보입니다.
Doe는“뉴트리노 스는 이상한 작은 입자입니다. "유비쿼터스이므로이 값을 결정하면 많은 것을 배울 수 있습니다."
중성미자가 질량을 가지고 있고 그 질량의 범위를 제한한다는 것을 보여주는 것이 중요합니다. 그러나 입자 물리학 자들은 여전히 질량을 얻는 방법을 모릅니다. 아마도 다른 입자가 얻는 것과는 다를 수 있습니다.
KATRIN의 이와 같은 결과는 표준 모델과 우주에 대한 전반적인 이해를 돕습니다. 우주는 빅뱅의 고대 중성미자로 가득 차 있으며, 중성미자의 모든 발전은 우주가 어떻게 형성되고 진화했는지 이해하는 데 도움이됩니다.
더:
- 보도 자료 : KATRIN, 어려운 중성미자의 질량 추정치를 반으로 줄였습니다
- 카를 스루에 공과 대학 : KATRIN
- CERN : 표준 모델
- 대칭 매거진 : 표준 모델이 설명 할 수없는 5 가지 미스터리
- MIT 뉴스 : 3 분기 : 과학자들은 중성미자의 질량을 절반으로 줄였습니다.
