대규모 중성미자 실험 원천 될 새로운 결정 개발

100배 높은 민감도로 중성미자 질량 예측 기대

12종 결정섬광체의 샘플 사진

[아시아경제 김철현 기자] 대규모 중성미자 실험의 원천이 될 새로운 결정이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영)은 지하실험 연구단 김영덕 단장과 경북대학교 김홍주 교수를 비롯한 국제공동연구진이 중성미자를 방출하는 결정들을 4년 간 개발·시험한 끝에 '다이소듐몰리브데이트' 등 4개를 1차 선정했다고 12일 밝혔다. 최종 선정된 결정은 향후 200㎏ 이상 만들어져, 현재 10㎏ 가량의 결정을 사용하는 전 세계 경쟁그룹 중 가장 큰 규모의 중성미자 실험이 될 것으로 예상된다.

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. 중성미자의 성질과 질량을 측정하기 위해 세계 곳곳에서 대규모 실험들이 진행되고 있다.

연구진은 앞서 2015년부터 2018년까지 무게 1.9㎏의 '칼슘몰리브데이트' 결정으로 강원도 양양에서 실험을 진행한 바 있다. 이번 연구에서는 먼저 기존 칼슘몰리브데이트 결정의 문제점을 해결할 여러 결정들을 성장시켰다. 연구진은 기존에 연구되지 않았던 결정들의 여러 화학적 단계를 연구해 리튬, 세슘, 나트륨이 든 새로운 몰리브데이트 결정 8개를 성장시키고 기존 국제공동연구로 성장시켰던 아연, 납 함유 결정 4개와 함께 테스트를 진행했다. 그 결과 후보 결정 중 다이소듐몰리브데이트가 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 예상된다.

이무현 연구위원은 "최근의 1.9㎏ 결정 실험으로는 중성미자 질량이 수소원자 질량의 10억분의 1보다 더 작다는 정보를 얻었다"며 “향후에 결정 200㎏으로 실험하면 민감도가 100배 더 좋아져 수소원자 질량의 1000억분의 1 수준과 중성미자 질량을 비교할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

김철현 기자 kch@asiae.co.kr