물리학자들이 페르미 국립가속기연구소에서 타우중성미자를 처음으로 직접 확인하다
과거의 실험들이 타우중성미자 존재의 간접적인 증거를 제공하였지만, 타우중성미자는 전하를 띠지 않으며, 질량이 없거나 혹은 거의 없는 입자로서 주위의 물질들과 거의 반응을 하지 않기 때문에 지금까지 아무도 직접 관측한 사람이 없었다.
"우리는 마침내 타우중성미자가 자연의 기본적인 구성요소(building block)의 하나이며, 현재의 과학적 이론에 따라 다른 입자들과 상호작용한다는 것을 직접적으로 증명한다."라고 이 실험의 대표자(Spokesperson)인 바이런 런버그(Byron Lundberg)는 말한다. 이 실험은 DONUT(Direct Observation of the Nu Tau)실험이라 불리우며, 미국, 일본, 한국, 그리이스로부터 54명의 물리학자들이 참가하는 국제공동실험이다. "타우중성미자가 어디엔가 존재한다고 생각할 수는 있다. 그러나 그것이 원자핵과의 반응으로 타우 경입자를 만드는 것은 매우 드물기 때문에 실험적으로 이러한 입자를 찾는다는 것은 아주 어려운 일이다."
타우중성미자는 입자물리학의 표준모형(Standard model)에서 제 3 세대의 중성미자이다. 이 이론에서는 소립자들을 3개의 세대(generation)로 나눈다. 첫 번째 세대인 전자 중성미자와 두 번째 세대인 뮤온중성미자는 쉽게 만들어지고 쉽게 측정할 수 있다. 이들은 1956년과 1962년에 실험물리학자들에 의해 이 중성미자들이 핵과의 반응으로 전자와 뮤온(μ)을 만드는 것을 기록함으로서 증명이 되었다.
"페르미 가속기연구소가 입자물리연구의 선도자로서의 가능성을 한번 더 보여 준 것이며, 에너지성는 3가지 중성미자에 대한 개척적인 실험을 포함한 오늘날의 기본적 물질 구조의 이해에 대한 획기적인 기여를 계속할 것이다."라고 미국 에너지부 장관 빌 리쳐슨은 말했다. 4년전 사바나 강 원자에너지 연구소에서 물리학자들은 첫번째 세대의 중성미자를 발견하였으며, 두번째 세대의 중성미자는 1962년에 부룩헤븐(Brookhaven) 국립연구소에서 찾았다.
1997년 물리학자들은 페르미 가속기연구소의 테바트론(Tevatron)가속기를 사용하여 타우중성미자가 포함된 강한 중성미자빔을 만들었다. 이 빔은 1m 길이의 철판들과 핵건판(Emulsion)들로 앞뒤로 싸인 DONUT 표적을 통과하면서 반응을 일으킨다.
표적을 지나는 1조개의 타우중성미자 중에 하나 정도는 철의 핵과 반응을 하여 타우입자를 만들며, 길이가 1mm정도인 비적(track)을 핵건판 속에 남긴다. 물리학자들은 3년이라는 고통스러운 데이터 분석 끝에 타우중성미자가 존재한다는 결론에 이르렀다. "마치 빛이 사진 필름에 자국을 남기듯이, 타우입자는 핵건판에 그의 흔적을 남긴다. 특별한 스캐닝 장치를 이용하여 우리는 핵건판에 기록된 입자의 비적의 3차원 영상을 재현했다. 타우입자의 주된 특징은 이들 비적의 방향에 킹크(kink)가 있고, 이 킹크는 타우 입자가 만들어지고 난 후에 곧 붕괴함을 말해준다."라고 이 실험의 공동대표자인 피츠버그 대학교수 비토리오 파올론(Vittorio Paolone)은 설명했다.
DONUT실험에서 핵건판 분석의 중요한 역할을 한 일본 나고야대학의 기미오 니와 교수는 이 실험의 특징인 핵건판 기술(Emulsion technology)에 대해 다음과 같이 언급했다. "타우중성미자의 발견은 오늘날 입자물리 실험을 위한 진보된 핵건판 기술의 진가를 확인해주며, 또한 다음 세대의 실험을 위한 앞으로의 발전 방향을 제시해 준다." 컴퓨터로 조종되는 비디오 카메라를 갖춘 특수한 스캐닝 시스템을 이용하여 나고야대학 물리학자들은 핵건판에 기록된 입자의 비적들의 3차원 이미지를 재현했다.
"이 실험은 마치 볏짚단에서 바늘을 찾는 것과 같다."고 런버그는 말했다. DONUT실험에서는 총 육백만개의 가능성이 있는 반응들을 기록했다. 1.5m 길이의 여러종류의 검출기들로부터 신호를 분석한 끝에 이들 중 약 1000개의 반응을 추출했으며, 이중에 4개의 타우중성미자의 증거를 찾았다.
잭 스타인버그, 멜빈 슈바르츠와 함께 두번째 중성미자인 뮤온중성미자를 발견하여 노벨상을 받은 물리학자 레온 레더만은 DONUT 결과에 대해 다음과 같이 말했다. "두 개의 중성미자가 있다는 것을 확인한 실험에 참가한 나로서는 지금에 와서 세 개의 다른 중성미자가 존재한다는 것을 알아야한다는 것이 매우 당혹스럽다. 나는 사람들이 다음과 같이 투정하는 것을 듣곤 한다. '이 사람들이 왜 결정을 못내릴까?' " 라고. 그러나 그는 이번에는 눈을 반짝이며 심각하게 말한다. "타우중성미자의 직접 확인은 중요하며, 오랫동안 기다려 온 결과이다. 그 이유는 지금 다른 종류의 중성미자들 사이의 연관성을 연구하기 위한 많은 노력이 진행되므로 중요하며, 타우가 25년이나 전에 발견되었기 때문에 오랫동안 기다려온 것이다. 타우중성미자는 타우입자의 잃어버렸던 신발 한짝이었다."
타우입자를 발견함으로써(타우입자는 세번째 세대의 입자들중 가장 먼저 발견되었음) 1995년 노벨상을 받은 스텐포드대학 물리학자인 마틴 펄은 DONUT 실험가들에게 다음과 같이 축하했다.
"타우중성미자를 찾은 것은 매우 중요하며 대단히 흥분되는 일이다. DOUNT은 결코 쉬운 실험이 아니며, 현재 전적으로 새로운 세계를 열어준다. 타우중성미자가 다른 중성미자들과는 달리 상호작용 할 가능성이 있다. 이것으로부터 우리들은 그 밖의 모든 다른 입자들에 대해 더 많은 것을 배울 수가 있을지 모른다."
SLAC에서 타우입자를 발견한 후, 물리학자들은 이 입자에 대응되는 중성미자가 존재해야 된다는 것을 인식하였고, 이러한 중성미자의 존재는 1982년 페르미 가속기 연구소의 실험에 의해서 더욱 뒷받침되었으며, 1989년에 CERN의 물리학자들은 타우중성미자가 표준모형에서 세 번째이자 마자막 중성미자이라는 것을 결론지었다. 그러나 그들은 직접 발견은 할 수가 없었다.
하지만 이러한 새로운 타우중성미자의 직접 발견은 중성미자 물리학의 마지막 장이 되기에는 아직도 멀었다. 물리학자들은 중성미자가 질량을 갖고 있는지 알기를 고대한다. 만약 질량이 있다면, 표준모형에 치명적인 타격을 주는 일이 될 것이며, 우주 진화(evolution of universe)에 대한 현재 이론에 중대한 변화를 가져다 줄 것이다.
이러한 질문들에 대한 대답할 수 있는 실험들이 현재 일본에서 진행 중에 있으며, 페르미 가속기연구소에서는 현재 건설 중에 있고, CERN에서는 이러한 실험이 계획되고 있다. 타우중성미자를 검출할 수 있는 능력은 중성미자의 질량을 확인할 수 있는 중요한 단계이다.
DONUT의 물리학자들은 이 실험의 결과를 7월 21일 오후 4시에 페르미 가속기연구소 강연에서 발표할 것이다. 보텀 쿼크와 탑 쿼크의 발견과 함께 이번의 타우중성미자의 발견은 페르미 가속기연구소로 봐서는 소립자의 베일을 벗긴 세 번째의 업적이다.
8월에 DONUT 공동연구팀은 타우중성미자의 확인결과를 미국물리학회에서 세계에서 모인 입자물리학자들 앞에서 발표할 것이다.
DONUT 공동연구팀은 미국에 있는 페르미 가속기연구소, 미네소타대학, 피츠버그대학, 켄사스 주립대학, 터프츠대학, 데이비스에 있는 켈리포니아대학, 사우스 케롤라이나대학, 일본의 나고야대학, 고베대학, 아이치 대학, 한국의 경상대학, 건국대학, 그리고 그리스의 아테네대학 소속의 물리학자들로 구성되었으며, 빠른 시일내에 그들의 결과를 물리 전문학술지에 실을 것이다.
(2000. 7. 20)