암흑물질 후보 ‘제4의 중성미자’, “존재하지 않는 영역 밝혔다”

▲ NEOS 실험의 원자로와 검출기 구조

IBS, 암흑물질 유력후보 존재하지 않을 가능성 있어

‘비활성 중성미자(sterile neutrino)’가 존재하지 않는 영역이 밝혀졌다.

암흑물질의 유력한 후보인 비활성 중성미자가 존재하지 않을 가능성이 더 커진 것이다.

기초과학연구원(IBS) 지하실험 연구단 공동연구팀은 비활성 중성미자를 검출하고자 단거리 중성미자 진동 실험을 진행했고, 그 결과 기존 예상 영역에서는 비활성 중성미자가 존재하지 않는다는 것을 밝혔다.

우주 속 암흑물질은 빛과 상호작용하지 않아 눈으로는 볼수 없으나 중력만으로 존재를 감지할 수 있다.

우주 중 단 5％만 우리 눈에 보이며, 나머지는 암흑물질(27％)과 암흑에너지(68％)다.

비활성 중성미자는 전자ㆍ뮤온ㆍ타우 등 기존 중성미자와 다른 형태라는 의미로 ‘제4의 중성미자’라 불리며, 암흑물질의 유력한 후보물질이다.

기존 중성미자보다 질량은 무겁지만 약한 상호작용조치 하지 않는 제4의 중성미자가 존재한다는 가설이 약 20년 전에 있었다.

이에 과학자들은 밝히기 노력을 진행했다.

연구팀은 전남 영광 한빛 원자력발전소 원자로를 통해 중성미자의 진동을 측정하기 위한 단거리 중성미자 진동실험을 진행했다.

원자로 중심에서 24m 떨어진 곳에 검출기를 설치하고 중성미자의 에너지 스펙트럼을 측정해 분석했다.

그 결과, 기존 발견될 것으로 예상돼 온 추정 영역에서 비활성 중성미자가 없다는 사실을 발견했다.

특히 비활성 중성미자가 검출될 최적의 예측값 지점은 이번 실험 결과에서 발견 가능성이 없는 영역으로 제외됐다.

지금까지 장거리 중성미자 진동실험에서 특정 에너지 영역에서 중성미자 신호에 대한 이론적 계산값과 실험 예측값에 차이가 있다는 사실이 밝혀지긴 했지만, 단거리 실험에서도 이 같은 차이가 난다는 것을 확인한 것은 처음이다.

오유민 IBS 지하실험 연구단 연구위원은 “이번 연구를 통해 비활성 중성미자의 검출 예상 영역을 좁혔고, 앞으로 원자로를 활용한 중성미자 진동실험에 참고할 데이터를 제공할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 21일 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 온라인 판에 게재됐다. 최소망 기자 somangchoi@

▲ 비활성 중성미자 검출 예상 영역에 대한 새로운 제안