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다야만(Daya Bay)의 뉴트리노 관측장치,
데이터 수집을 시작하다
| 중국과학원 고에너지물리연구소(IHEP) |
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| 뉴트리노 관측장치 |
뉴트리노의 수수께끼 해명을 목표로 하는 다야만 (Daya Bay) 원자로 뉴트리노실험은, 최근에 완성된 ２대의 장치를 사용하여, 중국 광동성 핵발전공사(CGNPC)의 원자로에서 오는 반뉴트리노 (뉴트리노의 반입자)의 반응을 포착하고, 데이터 수집을 시작하였다. 뉴트리노 진동의 움직임은 3 개의 「혼합각」으로 기술되는데, 이중에서 그값이 정확하게 정해지지 않은 것이 제3의 혼합각 θ13이다. 다야만 국제공동실험에서는, 반뉴트리노가 전자형에서 다른 형으로 변화하는 현상을 관찰함으로서 θ13의 값을 결정할 수 있게 될 것이다. 이번 실험을 개시로 그 첫걸음을 내딛게 되었으며, 우주에 반물질이 존재하지 않는다는 것을 이해하기 위한 중요한 근거를 찾아내게 될 것이다.
다야만 원자로 뉴트리노 실험장치는, 홍콩에서 약 55km 떨어진 곳에 있는 세계최대의 원자로, 다야만・링아오원자력발전소에 가깝기 때문에 θ13를 정밀하게 측정하는 데 적합하다. 최종적으로는 8 대의 장치가, 인접한 산의 ３개의 지하실험홀에 배치될 것이다. 다야만에서 약 300m의 위치에 건설된 제 1 실험 홀의 장치에서 이번에 관측을 시작하였다. 제 2 실험 홀은 링아오원자로에서 약 500m에 위치하는데, 올 가을에 가동 될 예정이다. 가장 멀리 떨어져 있는 제 3 실험홀은, 원자로에서 약 2km에 위치하고 있으며 2012년 여름부터 데이터를 수집 할 예정이다.
본 실험에서는, 원자로에서 생성되는 대량의 전자형 반뉴트리노의 「소실」을 측정한다. 원자로 가까이에 설치한 장치를 사용하여 원자로에서의 발생량을 측정하고, 멀리 있는 장치에서는, 예상되는 도달량에서 어느정도 감소되었는가를 측정한다. 원자로에서부터 도달하는 반뉴트리노가 원통형의 장치를 채우고 있는 액체 신틸레이터와 반응하면 약한 빛을 발생시킨다. 그러면 장치의 벽 한면에 설치된 광전자증배관이 이 빛을 포착하게 된다. 반뉴트리노의 반응은 매우 드물게 밖에 일어나지 않는다. 원자로에서는 하루에 천 조(千兆)개의 백만 배가 되는 반뉴트리노가 생성되지만, 이 중에서 원자로에 가까운 실험홀에 설치된 2 대의 관측 장비에서 검출되는 것은 겨우 1000 개 정도이다. 원자로에서 떨어진 실험홀에서 관측되는 수는 더 적어, 하루에 수백개 정도이다. 원자로에서 가까운 장치와 먼 장치에서 관측되는 반뉴트리노의 수와 에너지 분포의 차이로 θ13 값을 결정하게 된다.
실험홀을 산 지하에 건설하는 것은 우주선의 뮤온을 차단하기 위해서이다. 장치 전체는 물로 채워진 풀에 잠겨져 있어, 주위의 암반으로부터의 방사선을 차단시킨다. 이렇게 차단을 시켜도 에너지가 높은 우주선은 장비를 관통한다. 이러한 우주선은 풀장 벽에 설치된 광전자 증배관이나 풀의 천장에 설치된 「뮤온 검출기」로 측정되기 때문에 원자로에서부터 도달한 반뉴트리노와 구별할 수 있다. 총 8 개의 관측 장치를 가동하여 2 ~ 3 년간 데이터를 수집하면 θ13 값을 목표의 1 % 의 정도까지 측정할 수 있게 된다.
본 실험은, 중국과 미국을 중심으로 러시아, 체코, 홍콩, 대만이 참가하는 국제 프로젝트이다. 중국의 프로젝트매니저로 중국과학원 고에너지물리연구소(IHEP)의 왕이팡 (Yifang Wang) 교수, 미국의 프로젝트매니저로 미국 에너지성(DOE) Lawrence Berkeley국립연구소의 Bill Edwards 교수, Brookhaven 국립연구소의 Steve Kettle 교수를 선임하여 연구를 진행시키고 있다.
뉴트리노
물질을 구성하는 최소 단위인 소립자의 하나로, 쿼크와 전자의 100 만 분의 1 이하의 질량 밖에 가지지 않으며, 전기적으로 중성이라는 성질을 가진다. 뉴트리노는 전자형, 뮤-형, 타우형의 3 종류가있다. 이들 뉴트리노의 종류가 주기적으로 변화하는 현상을 뉴트리노진동이라고 부른다.
뉴트리노진동이 일어나기 위해서는, 전자형, 뮤-형, 타우형 같은 상태가, 정해진 질량을 가지는 상태들의 중첩으로 되어있는 것이 필요하다. 이 중첩 계수의 크기를 나타내는 매개 변수를 「혼합각」라고하며, 이것도 3 종류가 있다고 여겨지고 있다.
현재까지 2 종류의 뉴트리노 진동이 확인되었으며, 3 종류의 뉴트리노 혼합각 중, 두 가지가 이미 측정되었다. 유일하게 아직 측정되지 않고 남아 있는 혼합각을 θ13라고 부른다.