IBS(기초과학연구원·원장 김두철)는 지하실험연구단 공동연구팀이 비활성 중성미자 검출 실험을 한 결과 기존 추정돼온 예상영역에서 비활성 중성미자가 존재하지 않는다는 것을 확인했다고 21일 밝혔다. 이번 성과로 비활성 중성미자의 검출 범위가 한층 좁혀지게 됐다.

연구팀은 비활성 중성미자 검출을 위해 영광 한빛 원자력발전소의 원자로를 이용, 단거리 중성미자 진동실험(NEOS)을 진행했다. 실험은 원자로 중심으로부터 단거리인 24m 떨어진 곳에 검출기를 설치해 중성미자의 에너지 스펙트럼을 측정했다. 

원자로 안에서 원자핵이 붕괴되면서 생성된 중성미자가 검출기의 양성자와 반응해 양전자와 중성자를 만들어 내는데, 이 양전자가 내는 빛의 세기가 에너지로 치환되는 원리다.

에너지 스펙트럼을 분석한 결과 대부분의 에너지 영역에서 중성미자 신호 측정값은 진동 변환이 없을때의 기준값과 대체로 일치했다. 별다른 진동 신호가 보이지 않아 비활성 중성미자를 검출하지 못한 것이다.

그러나 분석과정에서 연구팀은 비활성 중성미자가 존재하지 않는 영역을 밝혀 제4의 중성미자 검출 범위를 크게 좁혔다. 특히 비활성 중성미자가 검출될 최적의 예측값 지점이 이번 실험으로 전혀 발견 가능성이 없는 영역으로 확인돼 제외하는 성과를 거뒀다.

연구팀은 실험을 위해 새롭게 액체섬광물질과 데이터 분석장비를 개발해 활용했다. 그 결과 중성미자의 신호와 비슷해 섞일 수 있는 잡음 등 배경신호를 효과적으로 걸러내며 우수한 결과를 얻었다는 평가를 받는다.

또 기존 먼거리 중성미자 진동실험에서 특정범위의 에너지 영역(4-6MeV)에서 중성미자 신호에 대한 이론적 계산값과 실험 예측값이 차이를 보이는데, 연구진은 이번 24m의 단거리 진동 실험에서도 해당 영역에서 이러한 차이가 나타난다는 사실을 처음으로 확인했다.

먼 거리 뿐 아니라 단거리 실험에서도 중성미자 신호에 대한 이론적 계산값의 오류가 있음을 입증함으로써, 이론 연구 보완의 필요성을 제기했다.

오유민 IBS 지하실험연구단 연구위원은 "이 연구는 비활성 중성미자의 검출 예상 영역을 좁히며 영역의 경계를 새롭게 제안한 것으로, 향후 원자로를 활용한 중성미자 진동 실험에 좋은 참고 데이터를 제공할 것"이라고 말했다. 

한편 연구결과는 미국 물리학회 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, If=7.645) 온라인 판에 21일(미국 시간) 게재됐다.