프로젝트 8은 중성미자의 질량을 측정하는 데 있어 중요한 이정표입니다.중성미자는 일반 물질 사이를 쉽게 이동하며 우주를 구성하는 입자에서 중요한 역할을 하는 찾기 힘든 아원자 입자입니다. 우주가 어떻게 형성되었는지 완전히 설명하려면 우주의 질량을 알아야 합니다. 그러나 우리 중 많은 사람들처럼 체중을 줄이는 방법을 찾고 있습니다.
2022년에 KATRIN 연구팀은 중성미자의 질량에 대한 상한선을 결정했습니다. 이 획기적인 성과는 수십 년간의 노력의 결과였습니다. 그러나 이러한 결과는 검색 창의 범위를 좁힐 뿐입니다. KATRIN은 곧 목표 검출 한계에 도달하고 심지어 하루라도 초과할 것이지만, 가벼운 중성미자는 훨씬 더 가벼울 수 있으므로 "다음은 무엇입니까? 다음은 무엇입니까?"라는 질문이 생깁니다.
여기에 보이는 사이클로트론 방사 방출 분광법(CRES)은 파악하기 어려운 중성미자의 질량을 결정하는 것을 목표로 하는 완전히 새로운 접근 방식의 핵심입니다. 출처: Alec Lindemann, 프로젝트 8 팀
고스트 입자 추적
최근 연구에서 프로젝트 8 팀은 Physical Review Letters 저널에 완전히 새로운 기술을 사용하여 베타 붕괴라는 자연 현상을 안정적으로 추적하고 기록할 수 있다고 보고했습니다. 희귀한 방사성 수소 변종인 삼중수소가 3개의 아원자 입자(헬륨 이온, 전자, 중성미자)로 붕괴할 때 각각의 붕괴는 소량의 에너지를 방출합니다.
프로젝트 8의 궁극적인 성공은 야심찬 계획에 달려 있습니다. 대부분의 검출기 기술을 어려움 없이 통과할 수 있는 중성미자를 직접 검출하려고 시도하는 대신 연구팀은 다음과 같이 요약할 수 있는 간단한 측정 전략을 사용했습니다.
아인슈타인은 삼중수소 원자의 전체 질량은 그 부분의 에너지와 같다고 말했습니다. 베타 붕괴에 의해 생성된 자유 전자를 측정하면 총 질량을 알 수 있으며 "잃어버린" 에너지는 중성미자의 질량과 운동입니다.
"원칙적으로 기술이 발전하고 확장됨에 따라 중성미자의 질량을 결정하는 데 필요한 범위에 도달하는 것이 가능할 수도 있습니다"라고 에너지부 태평양 북서부 국립 연구소의 프로젝트 8 수석 연구원 중 한 명인 Brent VanDevender는 말했습니다.
왜 항목 8인가?
이 연구자들은 장단점을 검토하고 그것이 실현 가능하다고 결론을 내렸기 때문에 이 야심찬 전략을 추구하기로 결정했습니다.
Thalia Weiss는 예일대학교 핵물리학 대학원생입니다. 그녀와 그녀의 프로젝트 8 동료들은 전자 신호와 전자 배경 소음을 정확하게 구별하는 방법을 연구하는 데 수년을 보냈습니다. Christine Claessens는 워싱턴 대학교의 박사후 연구원입니다. 그녀는 독일 마인츠대학교에서 프로젝트 8로 박사학위를 받았습니다. Weiss와 Claesens는 두 가지 최종 분석을 수행하여 새로운 기술에서 파생된 중성미자 질량에 첫 번째 제약을 두었습니다.
"중성미자는 믿을 수 없을 정도로 가볍습니다. 전자보다 500,000배 이상 가볍습니다. 따라서 중성미자와 전자가 동시에 생성될 때 중성미자 질량은 전자의 운동에 최소한의 영향을 미칩니다. 우리는 이 작은 효과를 보고 싶습니다. 따라서 전자가 얼마나 빨리 움직이는지 측정할 수 있는 초정밀 방법이 필요합니다."라고 Weiss는 말했습니다.
프로젝트 8은 당시 MIT에서 근무했던 물리학자 Joe Formaggio와 Ben Monreal이 10여년 전에 고안한 바로 그러한 기술에 의존합니다. 국제적인 팀이 이 아이디어를 중심으로 모여서 이 아이디어를 실용적인 도구로 바꾸기 위해 Project 8을 구성했습니다. 그 결과 얻은 방법을 사이클로트론 방사 방출 분광법(CRES)이라고 합니다. 이는 자기장 내에서 회전하는 신생 전자에 의해 방출되는 마이크로파 방사선을 포착합니다. 이 전자는 베타 붕괴 중에 방출되는 에너지의 전부는 아니지만 대부분을 운반합니다. 중성미자의 질량을 드러내는 것은 바로 이 사라진 에너지입니다. CRES 기술이 삼중수소의 베타붕괴를 측정하고 중성미자 질량의 상한선을 설정하는 데 사용된 것은 이번이 처음입니다.
과학자들은 중성미자의 무게를 어떻게 측정합니까? 이미지 출처: Pacific Northwest National Laboratory의 Sara Levine이 제작한 애니메이션
혁신적인 방법과 과제
연구팀은 전자의 에너지가 중성미자의 질량을 밝히는 데 핵심이기 때문에 전자를 추적하는 데에만 관심이 있었습니다. 이 전략은 이전에 사용되었지만 CRES 검출기로 측정된 전자 에너지는 매우 중요하므로 확장 가능성이 기존 기술을 초과합니다. 그리고 이러한 확장성은 Project 8을 차별화하는 요소입니다. 엘리스 노비츠키(Elise Novitski)는 워싱턴 대학의 조교수이며 새로 출판된 연구의 여러 측면을 주도했습니다.
노비츠키는 "아무도 이런 일을 하고 있지 않다"고 말했다. "우리는 기존 기술을 채택하거나 조정하려고 하지 않습니다. 우리는 일종의 서부 개척 시대에 있습니다."
시애틀에 있는 워싱턴 대학의 최근 실험에서 팀은 82일의 실험 기간 동안 완두콩 크기의 샘플 셀에서 3,770개의 삼중수소 베타 붕괴 이벤트를 추적했습니다. 샘플 셀은 극저온으로 냉각되어 나타나는 전자를 오랫동안 포착하는 자기장에 배치되므로 시스템의 기록 안테나가 마이크로파 신호를 기록할 수 있습니다.
무엇보다도 실제 신호로 착각할 수 없는 잘못된 신호나 배경 이벤트가 전혀 기록되지 않았습니다. 아주 작은 배경이라도 중성미자 질량 신호를 가려서 유용한 신호의 해석을 더 어렵게 만들 수 있기 때문에 이는 중요합니다.
PNNL 실험 물리학자인 Noah Oblath가 이끄는 프로젝트 8의 연구원들은 원시 데이터를 가져와 분석할 수 있는 신호로 변환하기 위해 각각 다양한 곤충의 이름을 딴 특수 소프트웨어 제품군을 개발했습니다. 프로젝트 엔지니어들도 프로젝트 8을 성공시키기 위해 최선을 다하고 다양한 부품을 발명했습니다.
Nowitzki는 "우리 엔지니어들은 이 작업에 매우 중요합니다."라고 말했습니다. "엔지니어의 관점에서 보면 이것은 일반인의 접근 방식입니다. 실험 물리학은 물리학과 공학의 접점에 있습니다. 이러한 일이 일어나려면 특히 모험심이 강한 엔지니어와 실용적인 마음을 가진 물리학자가 함께 협력해야 합니다. 이러한 일은 교과서에 없기 때문입니다."
끝에 도달하다
이제 연구팀은 설계 및 실험 시스템이 삼중수소 분자와 함께 작동할 수 있음을 입증했으므로 앞으로 긴급한 작업이 필요합니다. 팀의 일부는 다음 단계, 즉 개별 삼중수소 원자를 생성, 냉각 및 포획할 수 있는 시스템을 구축하기 위해 노력하고 있습니다. 삼중수소는 더 풍부한 사촌인 수소와 마찬가지로 분자를 형성하는 것을 선호하기 때문에 이 단계는 까다롭습니다. 이러한 분자는 프로젝트 8 팀의 궁극적인 목표를 달성하는 것을 불가능하게 만들 것입니다. 마인츠 대학의 물리학자들이 이끄는 연구진은 복잡한 자석 배열을 사용하여 원자 삼중수소를 생성하고 포착하기 위한 테스트 베드를 개발하고 있습니다. 이는 원자 삼중수소가 샘플 셀 벽과 접촉하는 것을 방지합니다. 이는 거의 확실하게 셀 벽에서 분자 형태로 되돌아가기 때문입니다.
전체 기기의 업그레이드와 함께 이 기술의 발전은 KATRIN 팀이 달성한 감도에 도달하고 궁극적으로 이를 초과하는 중요한 단계가 될 것입니다.
현재 10개 연구 기관의 구성원으로 구성된 연구팀은 완두콩 크기의 샘플 챔버에서 1000배 더 큰 실험을 확장하기 위한 설계를 테스트하고 있습니다. 아이디어는 더 큰 청취 장치를 사용하여 완두콩 크기에서 비치볼 크기에 이르기까지 더 많은 베타 붕괴 이벤트를 포착하는 것입니다.
"프로젝트 8은 더 크고 더 나은 CRES 실험일 뿐만 아니라 최초의 CRES 실험이자 이 탐지 기술을 사용한 최초의 사례입니다."라고 Oblath는 말했습니다. "이것은 이전에 수행된 적이 없습니다. 대부분의 실험은 적어도 그들이 사용하는 탐지 기술에 있어서 50년 또는 100년이 되었으며 이것은 정말 새로운 것입니다."