카원-라이너스 중성미자 실험

3. 실험 가능성

역 베타 붕괴에서는 양성자(p)가 붕괴되면서 중성자(n), 양전자($e^+$, 전자의 반물질)를 방출함과 동시에 전자 중성미자($\backslash bar\{\backslash nu\}\_e$)로 방출할 것으로 추정되었다.

:$\backslash bar\{\backslash nu\}\_e\; +\; p\; \backslash to\; n\; +\; e^+$

여기서 양전자는 재빨리 전자와 만나면서 쌍소멸한다. 이 결과 감마선(γ)이 관측된다. 여기서 중성자는 핵에 부딪치면서 방출되는 감마선을 통해 검출할 수 있다. 양전자가 소멸되고 중성자가 포획되는 두 사건이 동시에 일어나면 반중성미자 상호작용이라는 독특한 현상이 나타나 이를 볼 수 있다.

물 분자와 결합한 수소 원자 대부분은 핵에 양성자가 1개만 있는 경수소이다. 이 양성자는 검출기의 반중성미자 표적이 된다. 여러 개의 양성자와 중성자가 있는 무거운 핵의 경우에는 상호작용 매커니즘이 복잡하고 구성하고 있는 양성자에서 벗어나 간단하게 설명하기 어렵다.

역베타 붕괴에 의해 예측된 중성미자, 더 정확하게는 전자 반중성미자($\backslash bar\{\backslash nu\}\_e$)는 양성자()와 상호 작용하여 중성자()와 양전자($e^+$)를 생성해야 한다.

:$\backslash bar\{\backslash nu\}\_e\; +\; p\; \backslash to\; n\; +\; e^+$

이 반응이 일어날 확률은 낮았다. 주어진 반응이 일어날 확률은 그 단면적에 비례한다. 코완(Cowan)과 레인스(Reines)는 이 반응의 단면적을 약 6 x 10^-44 cm²로 예측했다. 핵물리학에서 단면적의 일반적인 단위는 반이며, 이는 10^-24 cm²이고 20자릿수 더 크다.

중성미자 상호작용의 낮은 확률에도 불구하고, 상호작용의 특징은 고유하여 희귀한 상호작용을 감지할 수 있게 해준다. 전자의 반물질 대응물인 양전자는 근처의 모든 전자와 빠르게 상호 작용하여 서로 소멸한다. 그 결과 발생하는 두 개의 동시적인 감마선()을 감지할 수 있다. 중성자는 적절한 핵에 의해 포획되어 세 번째 감마선을 방출함으로써 감지할 수 있다. 양전자 소멸과 중성자 포획 사건의 일치는 반중성미자 상호작용의 고유한 특징을 제공한다.

물 분자는 산소와 두 개의 수소 원자로 구성되어 있으며, 물의 수소 원자 대부분은 핵으로 단일 양성자를 가지고 있다. 이러한 양성자는 반중성미자의 표적으로 작용할 수 있으므로 단순한 물이 주요 감지 물질 역할을 할 수 있다. 수소 원자는 물에서 매우 약하게 결합되어 있어 중성미자 상호작용에 대해 자유 양성자로 간주될 수 있다. 여러 개의 양성자와 중성자를 가진, 즉 더 무거운 핵과의 중성미자 상호작용 메커니즘은 구성 양성자가 핵 내부에 강하게 결합되어 있기 때문에 더 복잡하다.

3. 1. 역 베타 붕괴

3. 2. 반응 단면적과 검출 가능성

4. 실험 방법

카원과 라이너스는 중성미자 검출을 위해 핵반응로와 특수하게 설계된 검출기를 사용했다.

카원과 라이너스는 로스앨러모스 물리학부분 최고학자인 J.M.B. 켈로그의 조언에 따라 원자로^[18]에서 방출되는 중성미자를 이용하였다. 제곱센치미터당 5×10¹³개의 중성미자가 방출되게 하였는데,^[19] 이 정도의 중성미자 방출은 다른 어떤 방사성 붕괴로 나오는 중성미자보다 많았다.

그 다음, 중성미자를 2개의 물탱크로 향하게 하여 중성미자가 양성자와 반응해 중성자와 양전자가 생성되도록 했다. 각각의 양전자는 전자와 만나 소멸하면서 감마선을 방출한다. 이 감마선은 물로 채워진 두 물탱크 사이에 끼워저 있는 신틸레이터(Scintillator)에 검출될 것이었다. 신틸레이터 물질은 감마선과 반응하여 빛을 내뿜고, 이 빛은 광전 증폭관 튜브에 검출될 것이었다.

이 실험만으로는 중성미자의 존재를 단정짓기 어려웠기 때문에, 이를 확실하게 하기 위하여 두 번째 실험도 고안했다. 탱크에 염화카드뮴을 채워넣어 중성자를 탐지하고자 했다. 카드뮴은 매우 효과적인 중성자 흡수재로, 중성자를 흡수하면서 감마선을 방출했다.

: + ¹⁰⁸Cd → ^109mCd → ¹⁰⁹Cd + γ

만약 진짜로 뉴트리노가 생성되어 나온 것이었다면, 양전자에 의한 감마선이 검출된지 5마이크로초 이후에 카드뮴에서 방출한 감마선을 검출하도록 설계를 해놓았다.

4. 1. 중성미자원: 핵반응로

4. 2. 검출기 설계

5. 실험 결과

몇 달간 데이터 수집을 거친 후, 탐지기에서 시간당 대략 3회 꼴로 중성미자가 검출되는 것을 확인했다. 중성미자가 정말 발생했다는 것을 확인하기 위하여 몇달 간 원자로를 폐쇄하고 검출되는 중성미자 수에 차이가 있는 지를 확인했다.^[20][21]

이 팀은 반응횡단면이 6×10^-44cm²라고 추정했고, 실제 나온 결과값은 6.3×10^-44cm²이었다. 이 실험 결과는 1956년 7월 20일 사이언스 지에 실렸다.^{[14][15][20][21]}

5. 1. 실험 장소 및 조건

5. 2. 중성미자 검출 확인

5. 3. 반응 단면적 측정

6. 의의 및 영향

이 실험 결과는 1956년 7월 20일 사이언스 지에 실렸다.^[20][21]

클라이드 카원은 1974년 54세의 나이로 사망했으며, 프레데릭 레인스(Frederick Reines)는 1995년 중성미자 물리학에 대한 공로로 노벨 물리학상을 수여받았다.^[7][22]

이 실험은 이후 거대한 중성미자 검출기를 사용하는 기본적인 전략 개발에 기여했으며, 어바인-미시간-브룩헤이븐 검출기, 가미오칸데, 서드베리 중성미자 관측소 및 홈스테이크 실험 등 여러 후속 실험에 활용되었다.^[7] 홈스테이크 실험은 태양 핵융합에서 발생한 중성미자를 감지하는 현대적인 실험이다. 이러한 관측소는 1987년 초신성 SN 1987A에서 발생한 중성미자 폭발을 감지하여 중성미자 천문학의 탄생을 알렸다.^[16] 태양 중성미자 관측을 통해 서드베리 중성미자 관측소는 중성미자 진동 과정을 입증할 수 있었다.^[16] 중성미자 진동은 중성미자가 질량이 없지 않다는 것을 보여주며, 이는 입자 물리학의 심오한 발전이었다.^[16]

한국은 중성미자 연구에 활발하게 참여하고 있으며, RENO(Reactor Experiment for Neutrino Oscillation)와 같은 대규모 국제 공동 연구를 주도하고 있다. RENO 실험은 원자로에서 방출되는 중성미자를 정밀하게 측정하여 중성미자 변환 상수를 밝혀내는 데 기여했다.

6. 1. 노벨 물리학상 수상

6. 2. 중성미자 물리학 발전

6. 3. 한국의 중성미자 연구

참조

_[1] 서적 Otto Hahn and the Rise of Nuclear Physics D. Riedel Publishing Company 1983
_[2] 간행물 Fermi's β-decay Theory
_[3] 서적 Introduction to Elementary Particles https://archive.org/[...]
_[4] 서적 Theory of Fundamental Processes W. A. Benjamin
_[5] 서적 Inward Bound https://archive.org/[...] Oxford University Press 1986
_[6] 간행물 The Neutrino 1934-05-05
_[7] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 1995 http://nobelprize.or[...] Nobel Foundation 2018-08-24
_[8] 간행물 The Reines-Cowan Experiments: Detecting the Poltergeist http://library.lanl.[...]
_[9] 간행물 The singing neutrino Nobel laureate who nearly bombed Nevada https://www.nature.c[...] 2023-08-07
_[10] 서적 Introduction to Elementary Particles John Wiley & Sons
_[11] 웹사이트 Ghost particles and Project Poltergeist https://discover.lan[...] 2023-08-06
_[12] 간행물 Ghosts in the machine https://cds.cern.ch/[...] 2016-07
_[13] 간행물 Ghost particles and Project Poltergeist: Long-ago Lab physicists studied science that haunted them https://www.osti.gov[...] Los Alamos National Lab. (LANL), Los Alamos, NM (United States) 2020-11-18
_[14] 간행물 Detection of the Free Neutrino: a Confirmation 1956-07-20
_[15] 서적 Neutrino physics https://books.google[...] Cambridge University Press
_[16] 서적 The Physics of Neutrinos https://books.google[...] Princeton University Press
_[17] 저널 The idea of the neutrino
_[18] 저널 The Reines-Cowan Experiments: Detecting the Poltergeis http://library.lanl.[...]
_[19] 서적 Introduction to Elementary Particles https://archive.org/[...] John Wiley & Sons
_[20] 저널 Detection of the Free Neutrino: a Confirmation 1956-07-20
_[21] 서적 Neutrino physics https://books.google[...] Cambridge University Press
_[22] 웹인용 The Nobel Prize in Physics 1995 http://nobelprize.or[...] Nobel Foundation 2016-06-29