과학자들은 50년 만에 원자로 근처에서 찾기 힘든 중성미자를 마침내 포착했습니다.

스위스 라이프슈타트 원자로 내 CONUS+ 검출기의 위치와 크기. 출처: MPIK

중성미자는 매우 포착하기 어려운 기본 입자입니다. 밤낮으로 매초 600억 개의 중성미자가 태양으로부터 지구의 모든 제곱센티미터를 통과하며 흘러나오는데, 이는 중성미자에게 투명하게 보입니다. 중성미자의 존재에 대한 최초의 이론적 예측 이후, 실제로 검출되기까지는 수십 년이 걸렸습니다. 이러한 실험은 중성미자와 물질의 매우 약한 상호작용을 설명하기 위해 대개 규모가 매우 큽니다. 하이델베르크에 있는 막스 플랑크 핵물리학 연구소(MPIK)의 과학자들은 검출기 질량이 3kg에 불과한 CONUS+ 실험을 이용하여 원자력 발전소 원자로에서 반중성미자를 검출하는 데 성공했습니다.

원래 브록도르프 원자력 발전소에 기반을 둔 CONUS 실험은 2023년 여름 스위스 라이프슈타트 원자력 발전소(KKL)로 이전되었습니다. 1kg 게르마늄 반도체 검출기의 개선과 KKL의 탁월한 측정 조건 덕분에 최초로 코히어런트 탄성 중성미자-핵 산란(CEvNS)으로 알려진 현상을 측정할 수 있게 되었습니다. 이 과정에서 중성미자는 검출기 내 원자핵의 개별 구성 요소를 산란시키지 않고 전체 원자핵과 코히어런트하게 산란합니다. 이는 매우 작지만 관찰 가능한 핵 반동의 가능성을 크게 높입니다. 중성미자 산란으로 인한 이 반동은 자동차에서 튕겨 나가는 탁구공과 유사하며, 감지되는 것은 자동차의 운동 변화입니다. CONUS+의 경우, 산란 파트너는 게르마늄의 원자핵입니다. 이러한 효과를 관찰하려면 원자로에서 대량으로 생성되는 것과 같은 저에너지 중성미자가 필요합니다.

이 효과는 1974년 초에 예측되었지만, 2017년 입자 가속기의 COHERENT 실험에서 처음 확인되었습니다. CONUS+ 실험은 최근 Nature 연구 논문에 설명된 바와 같이 원자로에서 완전한 결맞음과 더 낮은 에너지에서 이 효과를 처음으로 성공적으로 관찰했습니다. 컴팩트한 CONUS+ 장치는 원자로 노심에서 20.7m 떨어져 있습니다(위 이미지 참조). 이 위치에서는 매초 10조 개 이상의 중성미자가 표면 1제곱센티미터를 통과합니다. 2023년 가을과 2024년 여름 사이 약 119일간의 측정 후, 연구진은 모든 배경 신호와 간섭 신호를 뺀 후 CONUS+ 데이터에서 395±106개의 중성미자 신호를 추출할 수 있었습니다. 이 값은 측정 불확도 내에서 이론적 계산과 매우 잘 일치합니다. "이로써 CONUS+ 실험의 민감도와 원자핵에서 발생하는 반중성미자 산란을 검출하는 능력을 성공적으로 확인했습니다."라고 이 연구의 저자 중 한 명인 크리스찬 벅 박사는 설명합니다. 그는 또한 본 논문에서 제시된 CEvNS 기술의 향후 응용 분야로서 원자로 열 출력이나 동위원소 농도를 모니터링하기 위한 소형 이동식 중성미자 검출기의 개발 가능성을 강조합니다.

CEvNS 측정은 현재 우주의 구조를 설명하는 이론인 입자 물리학의 표준 모형 내의 근본적인 물리적 과정에 대한 독창적인 통찰력을 제공합니다. 다른 실험과 비교했을 때, CONUS+를 이용한 측정은 핵물리학 측면에 대한 의존도를 줄여 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리학에 대한 민감도를 향상시킵니다. 이러한 이유로 CONUS+는 2024년 가을에 이미 개선되고 더 큰 검출기를 장착했습니다. 결과적으로 측정 정확도가 향상되어 더욱 향상된 결과를 기대할 수 있습니다. 이 프로젝트의 창시자이자 연구 저자인 린드너 교수는 "CONUS+에 사용된 기술과 방법은 근본적인 새로운 발견을 위한 탁월한 잠재력을 가지고 있습니다."라고 강조하며, "획기적인 CONUS+ 결과는 중성미자 연구의 새로운 분야를 위한 출발점이 될 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250801020114.htm