기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 지하실험 연구단 공동 연구팀¹⁾은 암흑물질의 새로운 후보로 주목받는 '비활성 중성미자'의 검출 실험을 수행했다. 단거리 중성미자 진동 실험(Neutrino Experiment for Oscillation at Short baseline; NEOS)을 수 개월간 진행한 결과, 기존에 추정돼 온 비활성 중성미자 발견 예상 영역에는 비활성 중성미자가 존재하지 않음을 밝히며, 비활성 중성미자의 검출 범위를 좁혔다.

중성미자(neutrino)는 우주를 구성하는 기본 입자 가운데 가장 가벼운 입자로 한 때 암흑물질 후보 물질로 꼽혔다. 중성미자는 빛의 속도에 가깝게 움직이면서 전하를 띠지 않고, 다른 물질과도 약한 상호작용²⁾만 하기 때문에 관측이 힘들어 '유령 입자'로 불린다. 그러나 우주 질량의 극히 일부만을 차지한다는 사실이 밝혀지며, 후보 대상에서 일찍이 제외됐다.

그런데 일반 중성미자와 구분되는 비활성 중성미자(sterile neutrino)'가 최근 암흑물질의 새로운 후보로 떠오르기 시작했다. 비활성 중성미자는 세 종류의 일반(활성) 중성미자³⁾가 자기들끼리 서로 다른 종류의 중성미자로 바뀌는 진동 변환(oscillation)⁴⁾ 과정에서 세 종류 이외에 존재할 것으로 예측되는 제 4의 중성미자다. 비활성 중성미자는 약한 상호작용조차 하지 않으며, 질량은 기존 중성미자보다 무거워 일반 중성미자와 차이가 있다. 현재 관측되는 은하의 구조나 밀도를 설명할 수 있는 강점이 있어 암흑물질의 유력한 후보로 주목받고 있다. 중성미자가 진동 변환될 때 검출될 수 있으므로, 중성미자의 진동을 측정하는 실험이 필요하다.

연구팀은 비활성 중성미자 검출을 위해 영광 한빛 원자력발전소의 원자로를 이용, 단거리 중성미자 진동 실험(NEOS)을 진행했다. 실험은 원자로 중심으로부터 단거리인 24m⁵⁾ 떨어진 곳에 검출기를 설치해 중성미자의 에너지 스펙트럼을 측정했다. 원자로 안에서 원자핵이 붕괴되면서 생성된 중성미자가 검출기의 양성자와 반응해 양전자와 중성자를 만들어내는데, 이 양전자가 내는 빛의 세기가 에너지로 치환되는 원리다(그림1 참조).

▲ [그림 1] NEOS 실험의 원자로와 검출기 구조

에너지 스펙트럼을 분석한 결과, 대부분의 에너지 영역에서 중성미자 신호 측정값은 진동 변환이 없을 때의 기준 값과 대체로 일치했다. 즉 이번 연구의 스펙트럼 또한 별다른 진동 신호를 보이지 않아 비활성 중성미자를 검출하지는 못했다. 그러나 분석과정에서 연구진은 비활성 중성미자가 존재하지 않는 영역을 밝혀, 제 4의 중성미자 검출 범위를 크게 좁혔다. 기존의 여러 단거리 진동 실험으로부터 비활성 중성미자가 발견될 것으로 예상해 온 영역을 좁힌 것인데(그림 2 참조), 특히 비활성 중성미자가 검출될 최적의 예측값 지점은 본 실험 결과에서 발견 가능성이 없는 영역으로 제외됐다.

▲ [그림 2] 비활성 중성미자 검출 예상 영역에 대한 새로운 제안

한편, 기존의 먼 거리 중성미자 진동 실험에서는 특정 범위의 에너지 영역(4-6MeV)에서 중성미자 신호에 대한 이론적 계산값과 실험 예측값이 차이를 보이는데, 연구진은 이번 24m의 단거리 진동 실험에서도 해당 영역에서 이러한 차이가 나타난다는 사실을 처음으로 확인했다. 먼 거리 뿐 아니라 단거리 실험에서도 중성미자 신호에 대한 이론적 계산값의 오류가 있음을 입증함으로써, 이론 연구 보완의 필요성을 제기했다.

▲ [그림 3] 원자로 반중성미자의 에너지 스펙트럼

오유민 IBS 지하실험 연구단 연구위원은 "이 연구는 비활성 중성미자의 검출 예상 영역을 좁히며 영역의 경계를 새롭게 제안한 것으로, 향후 원자로를 활용한 중성미자 진동 실험에 좋은 참고 데이터를 제공할 것이다"라고 말했다. 연구결과는 미국 물리학회 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, If=7.645) 온라인 판에 3월 21일(미국 시간) 게재됐다.