한국 연구진이 참여한 유럽입자물리연구소(CERN)의 산란중성미자검출기(SND@LHC) 연구팀이 세계 최대의 실험장치인 거대강입자충돌기(LHC)에서 생성된 중성미자를 직접 검출하는 데 성공했다.

경상국립대학교(GNU·총장 권순기) 사범대학 물리교육과 이강영 교수 등 SND@LHC 연구팀은 LHC에서 2022년에 관측한 데이터를 분석해서 현재 8개의 뮤온 중성미자를 확인했다고 최근 발표했다. 

SND@LHC는 LHC에서 가장 최근에 승인된 새로운 실험으로서, 2022년부터 LHC에서 일어나는 양성자 충돌을 전방에서 관측하고 있다. 기존의 CMS와 ATLAS 실험은 힉스 보손 등 무거운 입자를 탐색하는 데 초점이 맞춰져 있어서 양성자가 충돌하는 지점을 거대한 검출기가 감싸는 형태지만, SND@LHC 실험은 양성자가 충돌하는 방향으로 약 480m 떨어진 곳에서 충돌점을 바라보도록 설치되었다. 같은 개념의 실험인 FASER와 함께, SND@LHC 실험은 높은 에너지의 중성미자를 관측하고 연구하며, 가벼운 암흑물질 관련입자들도 탐색할 수 있다. 

중성미자는 오직 약한 상호작용만 하기 때문에 대부분의 물질을 그냥 통과한다. 그래서 중성미자를 검출하기 위해서는 다른 입자를 최대한 제거하고, 드물게 일어나는 중성미자 반응을 확인할 수 있도록 특별히 설계된 검출기가 필요하다. SND@LHC 검출기는 충돌점에서 약 480m 위치에 있고 그 사이는 땅속이므로, 충돌에서 만들어진 다른 입자들은 거의 모두 흙과 바위에 걸러지지만 중성미자는 땅속을 그대로 통과해서 검출기에 도달하게 된다. 

한편 검출기에 도달한 수많은 중성미자도 대부분은 검출기마저 통과해 버리고 검출기에 포착되는 입자는 극소수에 불과하므로 극도로 섬세한 분석 과정이 필요하다. 

SND@LHC 연구팀에는 13개국 23개 연구소에서 약 180명이 참가하고 있다. 한국 그룹은 한국 대표인 경상국립대 기초과학연구소 윤천실 선임연구원과 기관 대표인 이강영 교수를 비롯한 5명의 연구원이 참여하는 경상국립대를 비롯해 고려대 이경세 박사, 광주교육대 김영균 교수, 성균관대 최기영 교수의 4개 기관 8명의 연구진으로 구성되었다. 한국 그룹은 검출기의 핵심 부분인 원자핵건판의 현상 및 스캔에 참여한다.

이강영 교수는 “거대강입자충돌기 에너지의 중성미자는 아직 연구되지 않은 영역에 속한다. 또한 앞으로 세 종류의 중성미자를 한 실험에서 모두 관측하는 등 중성미자 연구에 새로운 장이 열렸다.”라고 연구 의미를 밝혔다.

이 결과는 물리학 분야의 가장 권위 있는 학술지인 미국물리학회지 ≪피지컬리뷰레터스 (Phys. Rev. Lett.)≫ 온라인 판에 7월 19일 편집자 추천 논문(Editor’s Suggestion)으로 게재됐다.