가미오칸데

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1. 개요
2. 구조 및 원리
3. 양성자 붕괴 실험
4. 중성미자 검출
5. 관련 연구 및 시설
참조

1. 개요

가미오칸데는 양성자 붕괴를 관측하기 위해 건설된 실험 시설이다. 초기에는 대통일 이론의 검증을 위해 양성자 붕괴를 탐지하려 했으나, 관측에 실패하여 이론 수정에 기여했다. 현재는 중성미자 검출 연구에 활용되고 있으며, 고시바 마사토시가 장치 설계에 참여했다. 가미오칸데를 개량한 슈퍼 가미오칸데, 하이퍼 카미오칸데 등이 건설되어 중성미자 연구가 진행 중이다.

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가미오칸데
기본 정보
가미오칸데의 내부
위치	일본 기후현 히다시 가미오카 광산
좌표	36°25′38.5″N 137°18′36.6″E
착공	1981년
완공	1983년
깊이	지하 1,000m
탐지 물질	물
역사
이름의 유래	가미오카 핵자 붕괴 실험 (Kamioka Nucleon Decay Experiment)
이전 이름	가미오카 핵자 붕괴 실험 (Kamioka Nucleon Decay Experiment)
다음 실험	슈퍼 가미오칸데
특징
종류	체렌코프 검출기
부피	3,000톤
광전자 증배관	1,000개

2. 구조 및 원리

가미오칸데는 대통일 이론이 예측하는 양성자 붕괴를 실증하기 위해 1983년에 완성되었다.^[2]

3000톤의 초순수를 담은 탱크와 그 벽면에 설치된 1000개의 광전자 증배관으로 구성되어 있다. 여기서 사용된 광전자 증배관은 연구 그룹과 하마마츠 포토닉스가 새롭게 공동 개발한 구경 20인치형이다(일반적으로 널리 사용되는 것은 구경 2인치형). 유리 벌브에는 내수성이 높은 HARIO의 내열 유리 "하리오 32"가 사용되었다.^[3]

지하에 설치된 것은 양성자 붕괴 시 방출되는 중성미자 외의 입자의 영향을 피하기 위해서이다. 중성미자는 물질을 관통하는 능력이 뛰어나 다른 물질과 반응하지 않고 쉽게 지구를 통과해 버리지만, 드물게 다른 물질과 충돌하는 경우가 있다. 가미오칸데는 이 드물게 일어나는 충돌을 검출함으로써 간접적으로 양성자 붕괴를 실증하는 것을 목표로 했다.

내부에는 초순수가 채워져 있으며, 중성미자가 물속의 전자와 충돌한 후 고속으로 이동하는 전자에서 방출되는 체렌코프 빛은 푸르게 발광하며, 벽면에 설치된 광전자 증배관으로 검출한다. 체렌코프 빛을 검출한 광전자 증배관을 알면 계산을 통해 어느 방향에서 온 중성미자에 의한 반응인지 알 수 있는 구조로 되어 있다.

1987년 2월 23일, 가미오칸데는 이 구조를 통해 대마젤란 성운에서 일어난 초신성 폭발 (SN 1987A)에서 생성된 중성미자를 우연히 세계 최초로 검출했다.^[4] 이 공적으로 2002년 고시바 마사토시는 노벨 물리학상을 수상했다.

그 후에도 태양 중성미자와 중성미자 진동의 검출, 렙톤맛 보존의 파괴 연구에 활용되었다.

3. 양성자 붕괴 실험

가미오칸데 건설의 당초 목적은 대통일 이론에서 예상하는 양성자 붕괴를 관측하는 것이었다. 특히 가장 단순하고 유력했던 SU(5) 이론이 옳다면, 적어도 1년에 몇 번의 양성자 붕괴를 검출할 수 있도록 설계되었다. 또한, 외국에서도 유사한 실험이 진행되고 있었지만, 복수로 예상되는 붕괴 형식의 분기비를 측정할 수 있도록 설계되었다.

예상되는 붕괴 중 주요한 것은 양전자와 파이 중간자(π⁰)로의 붕괴이며, π⁰는 즉시 2개의 광자로 붕괴하고, 광자는 더욱 전자 등을 산란시킨다. 이러한 양전자나 전자 등이 발하는 체렌코프 빛을 관측함으로써 양성자 붕괴를 검출하고자 했다.

SU(5) 이론에서는 양성자의 수명이 10³⁰에서 10³²년으로 예측되었지만, 양성자 붕괴는 관측되지 않았고, 양성자의 수명은 10³⁴년 이상임이 밝혀졌다.^[5] 이로 인해 SU(5) 이론은 부정되었고, 대통일 이론에 수정을 가하게 되었다.

수정 이론에서도 수명은 길어지지만 양성자 붕괴가 예상되고 있으며, 실험을 계승한 슈퍼 가미오칸데에서 2018년 현재에도 양성자 붕괴는 관측되지 않고 있으며, 양성자의 수명은 적어도 1.6×10³⁴년 이상으로 여겨지고 있다.^[6]

4. 중성미자 검출

가미오칸데는 대통일 이론이 예측하는 양성자 붕괴를 실증하기 위해 1983년에 완성되었다.^[2]

3000톤의 초순수를 담은 탱크와 그 벽면에 설치된 1000개의 광전자 증배관으로 구성되어 있다. 여기서 사용된 광전자 증배관은 연구 그룹과 하마마츠 포토닉스가 새롭게 공동 개발한 구경 20인치형이다(일반적으로 널리 사용되는 것은 구경 2인치형). 유리 벌브에는 내수성이 높은 HARIO의 내열 유리 "하리오 32"가 사용되었다.^[3]

가미오칸데가 지하에 설치된 것은 양성자 붕괴 시 방출되는 중성미자 외의 입자의 영향을 피하기 위해서이다. 중성미자는 물질을 관통하는 능력이 뛰어나 다른 물질과 반응하지 않고 쉽게 지구를 통과해 버리지만, 드물게 다른 물질과 충돌하는 경우가 있다. 가미오칸데는 이 드물게 일어나는 충돌을 검출함으로써 간접적으로 양성자 붕괴를 실증하는 것을 목표로 했다.

중성미자의 충돌을 검출하기 위해 초순수를 사용한다. 가미오칸데 내부에는 초순수가 채워져 있으며, 중성미자가 물속의 전자와 충돌한 후 고속으로 이동하는 전자에서 방출되는 체렌코프 빛은 푸르게 발광하며, 벽면에 설치된 광전자 증배관으로 검출한다. 체렌코프 빛을 검출한 광전자 증배관을 알면 계산을 통해 어느 방향에서 온 중성미자에 의한 반응인지 알 수 있는 구조로 되어 있다.

1987년 2월 23일, 가미오칸데는 이 구조를 통해 대마젤란 성운에서 일어난 초신성 폭발 (SN 1987A)에서 생성된 중성미자를 우연히 세계 최초로 검출했다.^[4] 이 공적으로 2002년 고시바 마사토시는 노벨 물리학상을 수상했다.

그 후에도 태양 중성미자와 중성미자 진동의 검출, 렙톤맛 보존의 파괴 연구에 활용되었다.

5. 관련 연구 및 시설

가미오칸데는 대통일 이론이 예측하는 양성자 붕괴를 실증하기 위해 건설되었으며, 비록 양성자 붕괴는 관측되지 않았지만, SN 1987A에서 생성된 중성미자를 세계 최초로 검출하는 성과를 거두었다.^[4] 이후 태양 중성미자와 중성미자 진동 검출, 렙톤맛 보존의 파괴 연구에도 활용되었다.

당초 가미오칸데 건설의 주요 목적은 대통일 이론의 유력한 후보였던 SU(5) 이론을 검증하는 것이었다. SU(5) 이론은 1년에 몇 번의 양성자 붕괴를 예측했지만, 실제 관측 결과 양성자 수명은 10³⁴년 이상으로 밝혀져^[5] SU(5) 이론은 부정되었다.

수정된 대통일 이론에서도 양성자 붕괴는 여전히 예상되지만, 슈퍼 가미오칸데를 통한 실험에서도 2018년 현재까지 관측되지 않아, 양성자 수명은 적어도 1.6×10³⁴년 이상으로 추정된다.^[6]

5. 1. 관련 인물

고시바 마사토시는 가미오칸데 장치 설계를 지도·감독했다.

5. 2. 관련 시설

고시바 마사토시 - 장치 설계를 지도·감독했다.
중성미자 천문학
하마마츠 호토닉스
카무랜드
슈퍼 카미오칸데
하이퍼 카미오칸데
중성미자 검출기

5. 3. 관련 기술

가미오칸데는 대통일 이론이 예측하는 양성자 붕괴를 실증하기 위해 1983년에 완성되었다.^[2] 초순수 3000톤을 담은 탱크와 그 벽면에 설치된 광전자 증배관 1000개로 구성된다. 여기서 사용된 광전자 증배관은 연구 그룹과 하마마츠 포토닉스가 새롭게 공동 개발한 구경 20인치형이다(일반적으로 널리 사용되는 것은 구경 2인치형). 유리 벌브에는 내수성이 높은 HARIO의 내열 유리 "하리오 32"가 사용되었다.^[3]

가미오칸데가 지하에 설치된 것은 양성자 붕괴 시 방출되는 중성미자 외의 입자의 영향을 피하기 위해서이다. 중성미자는 물질을 관통하는 능력이 뛰어나 다른 물질과 반응하지 않고 쉽게 지구를 통과해 버리지만, 드물게 다른 물질과 충돌하는 경우가 있다. 가미오칸데는 이 드물게 일어나는 충돌을 검출함으로써 간접적으로 양성자 붕괴를 실증하는 것을 목표로 했다.

가미오칸데는 중성미자의 충돌을 검출하기 위해 초순수를 사용한다. 가미오칸데 내부에는 초순수가 채워져 있으며, 중성미자가 물속의 전자와 충돌한 후 고속으로 이동하는 전자에서 방출되는 체렌코프 빛은 푸르게 발광하며, 벽면에 설치된 광전자 증배관으로 검출한다. 체렌코프 빛을 검출한 광전자 증배관을 알면 계산을 통해 어느 방향에서 온 중성미자에 의한 반응인지 알 수 있는 구조로 되어 있다.

1987년 2월 23일, 가미오칸데는 이 구조를 통해 대마젤란 성운에서 일어난 초신성 폭발 (SN 1987A)에서 생성된 중성미자를 우연히 세계 최초로 검출했다.^[4] 이 공적으로 2002년 고시바 마사토시는 노벨 물리학상을 수상했다.

그 후에도 태양 중성미자와 중성미자 진동의 검출, 렙톤맛 보존의 파괴 연구에 활용되었다.

참조

_[1] 학술지 ‹特別講演›神岡での基礎科学研究 일본학술협력재단 2017
_[2] 웹사이트 カミオカンデと神岡鉱山 https://www.mitsui-k[...] 삼정금속광업 2024-06-17
_[3] 웹사이트 20インチ光電子増倍管開発ストーリー:浜松ホトニクスについて https://www.hamamats[...]
_[4] 학술지 Observation of a Neutrino Burst from the Supernova SN 1987a 1987-04-06
_[5] 웹사이트 陽子崩壊 http://www-sk.icrr.u[...]
_[6] 뉴스 【論文紹介】陽子崩壊の現象を探索した最新結果について論文を発表しました http://www-sk.icrr.u[...] 2017-01-07
_[7] 웹인용 Kamiokande http://www-sk.icrr.u[...]

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