과학자들은 지하 깊은 곳에서 세계 최대의 중성미자 검출기를 작동시킵니다.

장먼 지하 중성미자 관측소(JUNO)는 인공 및 자연 발생원에서 생성되는 중성미자를 관측하는 다목적 관측소 역할을 하는 대형 액체 섬광 중성미자 실험 시설입니다. 출처: JUNO 협력

장먼 지하 중성미자 관측소(JUNO)가 2만 톤 용량의 액체 섬광체 검출기에 대한 충진을 성공적으로 완료하고 8월 26일부터 데이터 수집을 시작했습니다. 10년이 넘는 준비 및 건설 끝에 JUNO는 차세대 초대형 ​​중성미자 실험의 첫 번째 단계로, 이 단계에 도달했습니다. 초기 시운전 및 데이터 수집 결과, 핵심 성능 지표가 설계 기대치를 충족하거나 초과하는 것으로 나타났으며, 이를 통해 JUNO는 입자물리학에서 2010년대의 주요 미해결 문제 중 하나인 중성미자 질량의 정렬, 즉 세 번째 질량 상태(ν₃)가 두 번째 질량 상태(ν2)보다 무거운지 여부에 대한 문제를 해결할 수 있게 되었습니다.

중국과학원 고에너지물리학연구소(IHEP) 연구원이자 JUNO 대변인인 왕 이팡 교수는 "JUNO 검출기 충전을 완료하고 데이터 수집을 시작한 것은 역사적인 이정표입니다. 중성미자 전용으로 이처럼 크고 정밀한 검출기를 처음으로 가동하게 되었습니다. JUNO는 물질과 우주의 본질에 대한 근본적인 질문에 답할 수 있게 해 줄 것입니다."라고 말했습니다.

광둥성 장먼시 인근 지하 700m에 위치한 JUNO는 타이산(Taishan) 및 양장(Yangjiang) 원자력 발전소에서 53km 떨어진 곳에서 생성된 반중성미자를 감지하고 그 에너지 스펙트럼을 기록적인 정밀도로 측정합니다. 다른 접근 방식과 달리, JUNO는 지구 물질 효과와 무관하게 질량 순서를 결정하며 매개변수 축퇴 현상도 거의 없습니다. 또한 JUNO는 여러 중성미자 진동 매개변수의 정밀도를 10배 향상시키고 태양, 초신성, 대기, 그리고 지구에서 발생하는 중성미자에 대한 최첨단 연구를 가능하게 할 것입니다. 또한, 비활성 중성미자 및 양성자 붕괴 탐색을 포함하여 미지의 물리학을 탐구할 새로운 지평을 열어줄 것입니다.

2008년에 제안되어 2013년 중국과학원과 광둥성의 승인을 받은 JUNO는 2015년 지하 공사를 시작했습니다. 검출기 설치는 2021년 12월에 시작되어 2024년 12월에 완료되었으며, 이후 단계적인 충진 작업이 이어졌습니다. 45일 이내에 팀은 6만 톤의 초순수를 충진하여 내부와 외부 아크릴 구 사이의 액위 차이를 센티미터 이내로 유지하고 유속 불확도를 0.5% 미만으로 유지하여 구조적 무결성을 확보했습니다. 이후 6개월 동안 직경 35.4미터의 아크릴 구에 2만 톤의 액체 섬광체를 충진하는 동시에 물을 치환했습니다. 이 과정에서 초고순도, 광학적 투명성, 그리고 극히 낮은 방사능에 대한 엄격한 요건을 충족했습니다. 이와 동시에, 협력을 통해 검출기 디버깅, 시운전 및 최적화를 수행하여 충진 완료 시 원활한 정상 가동으로의 전환을 가능하게 했습니다.

JUNO의 핵심은 44미터 깊이의 수조 중앙에 위치한, 전례 없이 큰 유효 질량 2만 톤의 중앙 액체 섬광체 검출기입니다. 직경 41.1미터의 스테인리스 스틸 트러스는 35.4미터 길이의 아크릴 구, 섬광체, 20인치 광전자 증배관(PMT) 2만 개, 3인치 광전자 증배관(PMT) 2만 5,600개, 전면 전자 장치, 케이블, 반자성 보상 코일, 그리고 광학 패널을 지탱합니다. 모든 PMT는 중성미자 상호작용에서 발생하는 섬광을 동시에 포착하여 전기 신호로 변환합니다.

JUNO 수석 엔지니어인 마 샤오얀 교수는 "JUNO 개발은 엄청난 도전의 여정이었습니다. 새로운 아이디어와 기술뿐만 아니라 수년간의 신중한 계획, 테스트, 그리고 인내심도 요구되었습니다. 순도, 안정성, 그리고 안전성에 대한 엄격한 요건을 충족하기 위해서는 수백 명의 엔지니어와 기술자들의 헌신이 필요했습니다. 그들의 팀워크와 성실함은 대담한 설계를 작동 가능한 검출기로 만들어냈고, 이제 중성미자 세계에 대한 새로운 창을 열 준비가 되었습니다."라고 말했습니다.

JUNO는 IHEP가 주최하며, 17개국 및 지역에 걸쳐 74개 기관의 700명 이상의 연구자들이 참여하고 있습니다. "오늘 발표하는 획기적인 성과는 중국 외 여러 연구 그룹이 기존 액체 섬광체 실험에서 얻은 전문 지식을 JUNO에 접목하여 성공적으로 국제 협력을 이룬 결과입니다. 전 세계 액체 섬광체 커뮤니티는 이 기술을 최전선으로 끌어올려 실험의 야심찬 물리학적 목표를 향한 길을 열었습니다."라고 JUNO 부대변인이자 밀라노 대학교 및 INFN-Milano 교수인 조아키노 라누치 교수는 말했습니다.

JUNO는 최대 30년의 과학적 수명을 목표로 설계되었으며, 중성미자 없는 이중 베타 붕괴에 대한 세계 최고 수준의 연구를 향한 신뢰할 수 있는 업그레이드 경로를 갖추고 있습니다. 이러한 업그레이드는 중성미자의 절대 질량 규모를 조사하고 중성미자가 마요라나 입자인지 여부를 검증하여 입자물리학, 천체물리학, 우주론에 걸친 근본적인 의문을 해결하고 우주에 대한 우리의 이해를 심층적으로 형성하는 데 기여할 것입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250826005213.htm