유령 입자에 숨겨진 단서가 우리가 존재하는 이유를 설명할 수 있다

슈퍼 카미오칸데 검출기 내부. 사진 제공: 도쿄대학교 우주선연구소(ICRR) 카미오카 천문대

미시간 주립 대학의 한 연구원은 과학자들이 우주의 기원을 밝히는 데 한 걸음 더 다가갈 수 있도록 하는 획기적인 노력을 주도했습니다.

세계 최대 규모의 중성미자 실험 두 곳(일본의 T2K와 미국의 NOvA)이 처음으로 각자의 데이터를 결합하여 중성미자를 연구하는 데 있어 전례 없는 정밀성을 달성했습니다. 중성미자는 우주를 가득 채우고 있지만 거의 아무것과도 상호 작용하지 않는 거의 눈에 보이지 않는 입자입니다.

최근 네이처(Nature) 에 게재된 두 사람의 공동 분석 결과는 중성미자가 우주를 이동하면서 어떻게 한 유형에서 다른 유형으로 변하는지에 대한 가장 정확한 측정 결과를 제공합니다. 이 획기적인 연구는 우주의 진화에 대한 우리의 이해를 심화시키거나 심지어 현재의 과학 이론에 도전할 수 있는 미래 연구의 길을 열어줍니다.

미시간 주립대학교 물리학 및 천문학 교수이자 T2K 공동 대변인인 켄달 만(Kendall Mahn)이 협력을 조율하는 데 도움을 주었습니다. 두 실험의 강점을 결합함으로써, 두 팀은 각자 혼자서는 달성할 수 없었던 결과를 달성했습니다.

"이것은 우리 분야에 큰 승리였습니다."라고 만은 말했다. "이것은 우리가 이러한 시험을 수행하고, 중성미자를 더 자세히 연구하고, 협력하여 성공할 수 있음을 보여줍니다."

물질이 존재하는 이유

물리학자들에 따르면, 초기 우주는 물질과 반물질이 같은 양으로 존재했어야 했습니다. 만약 그랬다면, 둘은 서로 완전히 소멸했을 것입니다. 그러나 물질은 어떻게든 살아남았고, 그 이유는 아직 명확하게 밝혀지지 않았습니다.

많은 연구자들은 그 답이 우리 몸을 끊임없이 통과하지만 상호작용은 거의 없는 작은 입자인 중성미자의 기묘한 행동에 숨겨져 있을 수 있다고 생각합니다. 중성미자 진동이라는 과정을 이해하면, 이러한 입자들이 움직이면서 "맛"을 변화시키는데, 이는 물질이 반물질을 이긴 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"중성미자는 아직 잘 이해되지 않았습니다." 이 프로젝트에 참여한 MSU 박사후연구원 조셉 월시는 말했다. "중성미자의 질량이 매우 작아 상호작용이 거의 일어나지 않습니다. 태양에서 온 수백 조 개의 중성미자가 매초 우리 몸을 통과하지만, 거의 모두 그대로 통과합니다. 우리가 중성미자를 관측하고 연구하려면 강력한 중성미자 방출원을 만들거나 매우 큰 검출기를 사용해야 합니다."

실험이 어떻게 진행되는가

T2K와 NOvA는 모두 장기 기준선 실험으로 알려져 있습니다. 각 실험은 중성미자 집중 빔을 두 개의 검출기(하나는 원점 근처, 다른 하나는 수백 마일 떨어진 곳)로 보냅니다. 두 검출기의 결과를 비교함으로써 과학자들은 중성미자가 어떻게 변화하는지 추적할 수 있습니다.

실험마다 설계, 에너지, 거리가 다르기 때문에 데이터를 결합하면 연구자들이 더욱 완벽한 그림을 얻을 수 있습니다.

NOvA 공동 연구원인 류드밀라 콜루파예바는 "공동 분석을 통해 각 실험이 개별적으로 도출할 수 있는 것보다 더 정확한 측정값을 얻을 수 있습니다."라고 말했습니다. "일반적으로 고에너지 물리학 실험은 동일한 과학적 목표를 가지고 있더라도 서로 다른 설계를 갖습니다. 공동 분석을 통해 이러한 설계의 상호 보완적인 특징을 활용할 수 있습니다."

중성미자 질량의 퍼즐

이 연구의 주요 초점은 "중성미자 질량 순서"라는 것으로, 어떤 중성미자 유형이 가장 가벼운지를 규명하는 것입니다. 이는 저울에 입자의 무게를 재는 것처럼 간단한 문제가 아닙니다. 중성미자는 세 가지 질량 상태로 존재하며, 각 중성미자는 실제로 세 가지 상태가 혼합된 형태입니다.

과학자들은 질량 배열이 "정상적인" 패턴(가벼운 입자 두 개와 무거운 입자 한 개)을 따르는지, 아니면 "반전된" 패턴(무거운 입자 두 개와 가벼운 입자 한 개)을 따르는지 알아내려고 노력하고 있습니다. 정상적인 경우, 뮤온 중성미자는 전자 중성미자가 될 가능성이 더 높고, 반물질 파트너는 그럴 가능성이 더 낮습니다. 반전된 패턴에서는 그 반대가 발생합니다.

중성미자와 반물질 사이의 불균형은 이 입자들이 전하-패리티(CP) 대칭이라는 원리를 위반할 수 있음을 의미할 수 있습니다. 즉, 거울상 반대 입자들과 정확히 동일하게 행동하지 않는다는 것을 의미합니다. 이러한 위반은 물질이 우주를 지배하는 이유를 설명할 수 있습니다.

결과가 보여주는 것

NOvA와 T2K의 결과를 종합해 보면 아직 두 질량의 질서를 확실하게 보여주지는 않습니다. 향후 연구에서 정상적인 질서가 확인된다 하더라도, 과학자들은 CP 대칭이 깨졌는지 여부를 명확히 밝히기 위해 더 많은 데이터가 필요할 것입니다. 하지만 만약 역전된 질서가 옳다면, 이 연구는 중성미자가 실제로 CP 대칭을 위배할 수 있음을 시사하며, 이는 물질의 존재 이유에 대한 강력한 단서를 제공합니다.

만약 중성미자가 CP 대칭성을 위반하지 않는 것으로 밝혀진다면, 물리학자들은 물질의 존재에 대한 가장 강력한 설명 중 하나를 잃게 될 것입니다.

이러한 결과가 중성미자의 수수께끼를 완전히 해결하지는 못했지만, 과학자들이 이 이해하기 힘든 입자에 대해 알고 있는 내용을 확장하고 물리학 분야에서 국제 협력의 강점을 보여주었습니다.

NOvA 협력에는 8개국 49개 기관의 과학자와 엔지니어 250명 이상이 참여합니다. T2K 팀에는 15개국 75개 기관의 560명 이상이 참여합니다. 두 그룹은 2019년부터 이 분석을 위해 협력을 시작했으며, 8년간의 NOvA 데이터와 10년간의 T2K 결과를 통합했습니다. 두 실험 모두 향후 업데이트를 위해 새로운 정보를 지속적으로 수집하고 있습니다.

T2K 공동연구원인 토마시 노섹은 "이러한 결과는 중성미자 물리학, 검출 기술, 분석 기술 분야의 많은 전문가가 참여하는 두 가지 독특한 협업의 협력과 상호 이해의 결과이며, 매우 다른 환경에서 서로 다른 방법과 도구를 사용하여 작업한 결과입니다."라고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251029100144.htm