대규모 중성미자 실험의 원천이 될 새로운 결정이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 지하실험 연구단 김영덕 단장과 경북대학교 김홍주 교수를 비롯한 국제공동연구진은 중성미자를 방출하는 결정들을 4년 간 개발·시험한 끝에 다이소듐몰리브데이트(Na₂Mo₂O₇) 등 4개를 1차 선정했다. 최종 선정된 결정은 향후 200kg 이상 만들어져, 현재 10kg 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 미국 샌포드 지하연구시설, 일본 카미오카 우주관측소, 이탈리아 그랑사소 연구소 등 세계 곳곳에서 대규모 실험들이 진행되고 있다.

지하실험 연구단이 이끄는 AMoRE¹⁾연구진은 앞서 2015년부터 2018년까지 무게 1.9kg의 칼슘몰리브데이트(CaMoO₄)결정으로 강원도 양양에서 파일럿 실험을 진행했다. 중성미자를 얻기 위해서는 결정 속 ¹⁰⁰Mo²⁾가 다른 원자로 변하면서 전자와 중성미자를 방출하는 ‘이중베타붕괴³⁾’ 현상을 이용한다. 이 때 실험에 사용하는 몰리브데이트 결정이 내뿜는 빛 특성이 중요하며, 결정의 총량이 많을수록 이중베타붕괴가 더 많이 발생한다. 이 때문에 전세계 중성미자 연구들이 더 좋은 결정을 찾고 그 무게를 늘리는 방향으로 실험을 갱신하고 있다.

이번 연구에서는 먼저 기존 칼슘몰리브데이트(CaMoO₄) 결정의 문제점을 해결할 여러 결정들을 성장시켰다. 칼슘몰리브데이트 결정은 방출하는 빛이 많아 데이터를 얻는 데 유리하지만, 칼슘(Ca) 중 0.18% 비율로 존재하는 ⁴⁸Ca이 또다른 이중베타붕괴를 일으켜 잡음이 발생한다. 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.

연구진은 12개의 후보 결정들이 방출하는 빛과 파장 특성 등을 상온에서부터 약 10 켈빈(섭씨 -263도)의 저온까지 연구하고, 이를 기존의 칼슘몰리브데이트(CaMoO₄) 결정과 비교했다. 방출하는 빛의 양과 시간 등을 측정한 결과 후보 결정 중 다이소듐몰리브데이트(Na₂Mo₂O₇)가 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. 이중베타붕괴를 다른 배경 신호와 구분하기 위해 약 수십 밀리켈빈(mK)⁴⁾의 극저온환경이 필요한데, 결정이 이 온도에서 어떻게 작동하는지 보는 과정이다. 최종 실험에는 다이소듐몰리브데이트(Na₂Mo₂O₇), 다이리튬몰리브데이트(Li₂MoO₄), 레드몰리브데이트(PbMoO₄)와 기존의 칼슘몰리브데이트(CaMoO₄)를 비교할 예정이다.

AMoRE 국제 연구진은 현재 6kg의 결정으로 1단계 실험을 준비 중이며, 향후 선택된 결정 200kg는 강원도 정선에서 2021년 착수할 2단계 실험에 약 5년 동안 사용된다.공동교신저자인 이무현 연구위원은 “최근의 1.9kg 결정 실험으로는 중성미자 질량이 수소원자 질량의 10억분의 1보다 더 작다는 정보를 얻었다”며 “향후에 결정 200kg로 실험하면 민감도가 100배 더 좋아져, 수소원자 질량의 1000억분의 1 수준과 중성미자 질량을 비교할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 결정 연구와 기술에 관한 전문학술지 크리스탈 리서치 앤 테크놀로지(Crystal Research and Technology)에 11월 13일(한국시간) 게재됐으며, 이 달의 표지논문으로 채택되었다.

그림설명

▲ 그림 1. 이번 논문에 사용된 12종 결정섬광체의 샘플 사진윗줄 왼쪽부터 CaMoO₄(칼슘몰리브데이트, 우크라이나), ZnMoO₄(징크몰리브데이트, 러시아 니콜라예프 무기화학연구원), ZnMoO₄(징크몰리브데이트, 우크라이나 Institute for Scintillating MAterials), PbMoO₄(레드몰리브데이트, 러시아 니콜라예프 무기화학연구원), Li₂MoO₄(다이리튬몰리브데이트) Pb₂MoO₅ (다이레드몰리브데이트, 러시아 니콜라예프 무기화학연구원), 아랫줄 왼쪽부터 Li₄Mo₅O₁₇(쿼드리튬몰리브데이트), Cs₂MoO₄(다이세슘몰리브데이트), Cs₂Mo₂O₇(다이세슘몰리브데이트), Cs₂Mo₃O₁₀(다이세슘몰리브데이트), Na₂Mo₂O₇(다이소듐몰리브데이트), Na₆Mo₁₁O₃₆(헥사소듐몰리브데이트)이다. 다섯 개를 제외하고 모두 경북대에서 성장시킨 결정들이다.

▲ 온도에 따른 몰리브데이트 결정들의 발광효율280-nm의 빛을 방출하는 LED 소스를 사용하여 측정했다. CaMoO₄(칼슘몰리브데이트, 검정색)를 제외하면 Na₂Mo₂O₇(다이소듐몰리브데이트, 빨간색)가 250K 보다 낮은 온도에서는 가장 센 빛을 방출하는 것을 볼 수 있다.

▲ 그림 3. 아모레 파일럿 실험과 1단계, 2단계 실험 규모 비교왼쪽은 6개 결정을 사용한 아모레 파일럿 실험의 검출기 사진, 중앙은 아모레 1단계 실험에 사용될 18개 결정 검출기, 오른쪽은 아모레 2단계 실험에 사용될 약 200개의 결정 검출기의 예상도이다.

▲ 그림 3. 1차 후보로 선정된 결정섬광체 4종사진은 실제 실험에 사용되는 크기로, 결정 한 개는 300~500g 가량이다. 왼쪽부터 칼슘몰리브데이트(CaMoO₄), 다이리튬몰리브데이트(Li₂MoO₄), 레드몰리브데이트(PbMoO₄), 비닐에 싸인 다이소듐몰리브데이트(Na₂Mo₂O₇) 이다. 파일럿 실험에는 칼슘몰리브데이트가 사용되었고, 1단계 실험에는 칼슘몰리브데이트와 다이리튬몰리브데이트가 함께 사용될 예정이다.