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Aug 01, 2023

CERN의 대형 강입자 충돌기에서 중성미자에 대한 최초의 관찰

2023년 8월 26일 특집 이 기사는 Science X의 편집 과정 및 정책에 따라 검토되었습니다. 편집자들은 콘텐츠의 특성을 확인하면서 다음 속성을 강조했습니다.

2023년 8월 26일 특집

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잉그리드 파델리(Ingrid Fadelli), Phys.org

중성미자는 입자 물리학의 표준 모델에 의해 설명되는 작고 중성으로 하전된 입자입니다. 그들은 우주에서 가장 풍부한 입자 중 하나로 추정되지만, 다른 물질과 상호 작용할 확률이 낮기 때문에 지금까지 이를 관찰하는 것은 매우 어려운 것으로 입증되었습니다.

이러한 입자를 탐지하기 위해 물리학자들은 탐지기와 고급 장비를 사용하여 알려진 중성미자 소스를 조사해 왔습니다. 그들의 노력은 궁극적으로 태양, 우주선, 초신성 및 기타 우주 물체뿐만 아니라 입자 가속기 및 원자로에서 발생하는 중성미자를 관찰하는 것으로 이어졌습니다.

이 연구 분야의 오랜 목표는 두 개의 입자 빔이 서로 충돌하는 입자 가속기인 충돌기 내부의 중성미자를 관찰하는 것이었습니다. FASER(Forward Search Experiment)와 SND(Scattering and Neutrino Detector)@LHC라는 두 개의 대규모 공동 연구에서는 스위스 CERN의 LHC(Large Hadron Collider)에 위치한 검출기를 사용하여 처음으로 이러한 충돌기 중성미자를 관찰했습니다. 두 연구의 결과는 최근 Physical Review Letters에 게재되었습니다.

SND@LHC 협업의 일원인 Cristovao Vilela는 "중성미자는 LHC와 같은 양성자 충돌기에서 매우 풍부하게 생산됩니다"라고 Phys.org에 말했습니다. "그러나 지금까지 이러한 중성미자는 직접적으로 관찰된 적이 없습니다. 중성미자와 다른 입자의 매우 약한 상호 작용으로 인해 검출이 매우 어려워지고 이로 인해 입자 물리학의 표준 모델에서 가장 잘 연구되지 않은 입자입니다."

FASER와 SND@LHC 협력은 둘 다 CERN의 LHC를 활용하는 두 가지 별개의 연구 노력입니다. 최근 이 두 가지 노력은 실험 입자 물리학 연구에 중요한 새로운 길을 열 수 있는 최초의 충돌체 중성미자를 독립적으로 관찰했습니다.

FASER 협력은 빛과 약하게 상호작용하는 입자를 관찰하는 것을 목표로 설립된 대규모 연구 노력입니다. FASER는 유명한 ATLAS 실험에서 400m 이상 떨어진 별도의 터널에 위치한 FASER 검출기를 사용하여 LHC에서 중성미자를 관찰한 최초의 연구 그룹입니다. FASER(및 SND@LHC)는 ATLAS와 마찬가지로 LHC 내부의 동일한 "상호작용 영역"에서 생성된 중성미자를 관찰합니다.

FASER Collaboration의 공동 대변인인 Jonathan Lee Feng은 "입자 충돌기는 50년 넘게 존재해 왔으며 중성미자를 제외하고 알려진 모든 입자를 감지했습니다."라고 Phys.org에 말했습니다. "동시에 원자로, 태양, 지구, 초신성 등 새로운 소스에서 중성미자가 발견될 때마다 우리는 우주에 대해 매우 중요한 것을 배웠습니다. 최근 연구의 일환으로, 우리는 처음으로 입자 충돌기에서 생성된 중성미자를 탐지하기 시작했습니다."

FASER 공동 작업은 궤적을 따라 빔 라인을 따라 검출기를 배치하여 충돌기 중성미자를 관찰했습니다. 고에너지 중성미자는 이곳에서 주로 생성되는 것으로 알려져 있으나, LHC의 다른 검출기들은 이 방향에 사각지대가 있어 과거에는 관측이 불가능했다.

Feng은 "이러한 중성미자는 높은 플럭스와 높은 에너지를 갖고 있어 상호 작용할 가능성이 훨씬 더 높기 때문에 매우 작고 저렴한 검출기로 매우 짧은 시간 내에 153개를 검출할 수 있었습니다."라고 Feng은 설명했습니다. “이전에는 입자 물리학이 톱 쿼크나 힉스 보손과 같은 무거운 입자를 연구하는 데 필요한 고에너지 실험과 중성미자를 연구하는 데 필요한 고강도 실험, 이렇게 두 부분으로 나누어져 있다고 생각했는데, 이번 연구를 통해 밝혀진 바는 다음과 같습니다. 고에너지 실험은 중성미자도 연구할 수 있으므로 고에너지와 고강도의 경계를 하나로 묶었습니다."