대규모 중성미자 실험 원천 될 새로운 결정 개발

잡음 적은 결정 만들고 시험... 100배 높은 민감도로 중성미자 질량 예측 기대

12개의 후보 결정

대규모 중성미자 실험의 원천이 될 새로운 결정을 국내 연구진에 의해 개발됐다.

기초과학연구원은 본원 지하실험 연구단 김영덕 단장과 경북대학교 김홍주 교수를 비롯한 국제공동연구진이 중성미자를 방출하는 결정들을 4년 간 개발·시험한 끝에 다이소듐몰리브데이트(Na2Mo2O7) 등 4개를 1차 선정했다고 12일 밝혔다.

기초연은 최종 선정된 결정이 향후 200kg 이상 만들어져, 현재 10kg가량의 결정을 사용하는 전 세계 경쟁그룹 중 가장 큰 규모의 중성미자 실험이 될 것으로 예상했다.

중성미자는 우주를 이루는 기본입자들 중 가장 가벼운 입자로 다른 물질과 거의 반응하지 않는다. 매초 700억 개의 중성미자가 엄지손가락을 뚫고 지나가지만 우리는 전혀 느낄 수 없다. 이처럼 관측이 힘들기 때문에 '유령입자'로 불리며 입자물리학의 수수께끼로 남아있다.

지하실험 연구단이 이끄는 AMoRE연구진은 앞서 2015년부터 2018년까지 무게 1.9kg의 칼슘몰리브데이트(CaMoO4)결정으로 강원도 양양에서 파일럿 실험을 진행했다.

이번 연구에서는 먼저 기존 칼슘몰리브데이트(CaMoO4) 결정의 문제점을 해결할 여러 결정들을 성장시켰다.

연구진은 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 적합함을 확인하고, 이를 비롯한 4개 결정을 1차 후보로 선정했다. 결정을 연구, 개발 및 성장하는 데 2년, 특성 시험에 2년이 걸렸다.

실험에 사용할 결정은 극저온 시험을 거쳐 앞으로 1-2년 후에 최종 선정될 것으로 예상 된다.

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

공동교신저자인 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)에 11월 13일(한국시간) 게재됐으며, 이 달의 표지논문으로 채택됐다.
이상문 기자 ubot1357@