중성미자는 과학에 잘 알려진 가장 파악하기 어려운 입자 중 일부입니다. 이 작은 아원자 입자는 전하가 없고 질량도 극도로 작기 때문에 감지하기가 매우 어렵습니다. 그들은 태양뿐만 아니라 지구와 초신성에서의 핵반응에 의해 풍부하게 생성됩니다. 찾기 어려운 특성에도 불구하고 과학자들은 중성미자를 생성하는 과정에 대한 귀중한 정보를 제공할 수 있기 때문에 중성미자를 검출하는 데 열중하고 있습니다.
중성미자는 물질과 상호작용하는 경우가 매우 드물기 때문에 중성미자를 포착하려면 매우 특별한 종류의 탐지기가 필요합니다. 이러한 검출기는 몇 가지 다른 형태로 제공되며, 각각은 포착하기 어려운 입자를 발견하기 위해 고유한 방법을 사용합니다. 이 기사에서는 이러한 검출기가 작동하는 방식과 오늘날 세계에서 가장 주목할만한 중성미자 검출기의 예를 자세히 살펴보겠습니다.
인내심과 규모
현대 물리학에 따르면 약 100조 개의 중성미자가 신체를 통과한다고 합니다. 매 초. 너무 흔하면 이러한 입자를 쉽게 찾을 수 있을 것이라고 생각할 수도 있지만 사실은 그렇지 않습니다. 이러한 초경량 비전하 입자는 물질과 상호작용하는 경우가 매우 드물기 때문에 이를 감지하려면 다소 전문적인 실험 설정이 필요합니다.
최초의 성공적인 중성미자 검출은 1956년 Frederick Reines와 Clyde Cowan에 의해 달성되었습니다. 염화 카드뮴을 물에 녹인 용액을 사용하여 두 개의 타겟을 만들고 타겟 옆에 섬광 검출기를 배치했습니다. 원자로의 반중성미자는 물 속의 양성자와 함께 "역베타붕괴"를 겪었습니다. 이 반응을 통해 양성자는 중성자로 변하고 반중성미자는 양전자로 변합니다. 양전자는 전자와 함께 빠르게 소멸되어 감마선을 방출하고, 중성자는 카드뮴 핵에 포획되어 몇 마이크로초 후에 감마선을 방출합니다. 이 두 사람은 이러한 사건의 감마선 신호를 포착함으로써 반중성미자를 성공적으로 탐지했음을 입증했으며, 이로 인해 나중에 1995년에 노벨상을 수상하게 됩니다.
이 방법은 중성미자를 검출하는 데 유용했지만 그 이상은 아닙니다. 우주에 대해 더 많은 것을 배우기 위해 물리학자들은 중성미자를 더 자세히 연구하여 천연 자원, 상호 작용 및 행동을 결정해야 했습니다. 따라서 수년에 걸쳐 다양한 고급 감지기가 구축되었습니다. 이들 중 다수는 수백 톤 또는 수천 톤을 포함하는 대규모입니다. 중성미자는 어떤 상호작용도 없이 광대한 물질을 통과하는 경향이 있기 때문에 중성미자와의 드문 상호작용을 포착하려면 엄청난 규모가 필요한 경우가 많습니다.
체렌코프 방사선
수천 개의 광전자 증배관을 갖춘 Super-Kamiokande 중성미자 검출기는 2000년대 초반 힙합 영화 클립에서 튀어나온 것처럼 보입니다. 출처: Super-Kamionade 실험
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보다 현대적이고 대중적인 중성미자 검출 방법은 체렌코프 방사선을 이용하는 것인데, 이는 과학자들에게 중성미자와 그 기원에 대한 더 풍부한 정보를 제공합니다. 중성미자가 물과 같은 특정 물질에서 빛의 속도보다 빠르게 움직일 때 체렌코프 방사선은 일종의 광학 충격파로 생성됩니다. 이는 비행기가 공기 중 음속을 깨뜨리는 것과 유사합니다. 방출된 빛의 고리는 간단한 광전자 증배관으로 감지할 수 있습니다. 적절한 광검출기 배열을 사용하면 입사 중성미자의 방향과 에너지 수준을 확인할 수 있습니다.
이 감지기는 물, 중수 또는 기름으로 채워진 대형 탱크를 사용하며 중성미자가 물질과 상호 작용할 때 생성되는 체렌코프 방사선의 희미한 섬광을 감지할 수 있는 센서가 장착되어 있습니다. 물 Cherenkov 감지기의 대표적인 예는 다음과 같습니다. 슈퍼카미오칸데 일본의 경우 50,000개의 광전자 증배관이 늘어서 있고 11,000톤의 초순수를 담는 거대한 지하 탱크입니다. 전체 실험은 지하 1,000km에 묻혀 우주선과 같은 다른 자연 현상으로부터 보호됩니다. 향후 몇 년 안에 Hyper-Kamiokande로 대체될 예정입니다. 또 다른 예는 서드베리 중성미자 천문대(Sudbury Neutrino Observatory)로, XNUMX톤의 중수를 일반 순수 원통으로 둘러싸여 있습니다. 이 실험에서는 중성미자가 중수에서 중수소 원자를 분해할 때 방출되는 감마선을 포착할 수 있습니다.
서로 다른 입자는 MiniBooNE 감지기를 통과할 때 Cerenkov 방사선의 서로 다른 특성을 남깁니다. 크레딧: H.Ray
Los Alamos National Laboratory
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Los Alamos National Laboratory
MiniBooNE 감지기는 동일한 섬광 원리로 작동하지만 물 대신 오일을 매체로 사용합니다. 의 개념을 조사하기 위해 고안되었습니다. 중성미자 진동, 중성미자는 시간이 지남에 따라 여러 가지 "맛"으로 변합니다. 실험에서는 전자 중성미자가 중성자와 충돌하는 신호(전자와 느리게 움직이는 양성자를 생성함)를 찾았는데, 이는 거의 발생하지 않습니다. 이는 뮤온 중성미자가 양성자와 충돌하여 뮤온과 양성자를 생성하는 보다 일반적인 사건의 특징과 대조됩니다. 이러한 다양한 현상은 실험의 광전자 증배관에 의해 감지된 빛의 패턴에 의해 결정될 수 있습니다. 왜냐하면 다양한 속도의 다양한 입자가 고유한 체렌코프 복사 패턴을 생성하기 때문입니다.
ICECube 실험은 남극 얼음에 뚫린 구멍에 배치된 일련의 광검출기를 사용합니다. 크레딧: 앰블, CC BY-SA 3.0
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다른 Cherenkov 감지기는 특수 제작된 거대한 컨테이너의 사용을 피하고 대신 자연적으로 존재하는 수역이나 얼음을 활용하기로 결정했습니다. 안타레스 실험은 지중해 바닥, 표면에서 2.5km 아래에 위치합니다. 결과적으로 바다 소금의 칼륨-40의 방사성 붕괴와 생물발광 유기체로 인해 발생하는 빛을 걸러내야 합니다. 한편, 남극에서 AMANDA와 IceCUBE 실험은 얼음 깊숙이 뚫은 구멍에 광검출기를 사용합니다.
시간 투영 챔버
DUNE은 액체 아르곤으로 채워진 시간 투영 챔버를 사용하여 중성미자 물질 상호 작용의 결과를 감지하는 것을 목표로 합니다. 크레딧: Rlinehan, CC BY-SA 4.0
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시간 투영 챔버는 중성미자 상호 작용이 가스 또는 액체의 원자를 이온화하고 그 결과로 발생하는 하전 입자의 흔적이 감지되는 중성미자 감지의 또 다른 방법을 나타냅니다. 현재 건설 중인 미국 사우스다코타의 DUNE 실험은 이 방법을 사용하는 프로젝트의 예입니다. 각각 수천 톤의 액체 아르곤을 보유하고 있는 XNUMX개의 대규모 탐지기를 갖춘 DUNE은 전례 없는 정밀도로 중성미자를 연구하는 것을 목표로 하고 있습니다. 액체 아르곤의 밀도는 중성미자와 상호 작용할 가능성을 높이는 데 도움이 됩니다.
시간 투영 챔버는 신틸레이터 실험과 마찬가지로 빛 감지를 사용하지만 그 이상입니다. 챔버는 음극 평면을 사용하여 챔버 전체에 전기장을 생성합니다. 챔버의 반대쪽에는 평행한 양극 와이어의 여러 평면이 있습니다. 내부 평면은 일반적으로 유도 그리드라고 불리며, 중성미자 입자 상호 작용으로 인해 소위 드리프트 전자가 통과할 수 있습니다. 드리프트 전자가 유도 평면의 와이어를 통과하면 픽업될 수 있는 와이어의 전류에 범프가 생성됩니다. 하나 이상의 유도 그리드 너머에 있는 수집 그리드는 전자를 직접 포착하여 수집을 위한 신호를 출력합니다. 양극 그리드의 다중 평면을 갖는 이점은 전자가 다중 그리드에 의해 이동하면서 포착될 때 이온화 이벤트의 XNUMX차원 재구성이 가능하다는 것입니다.
갈륨
방향성에 덜 관심이 있고 중성미자 상호 작용의 양에 더 관심이 있다면 액체 금속이 유용한 도구가 될 수 있습니다. 갈륨 검출기에서 중성미자는 갈륨으로 채워진 탱크를 통과합니다. 중성미자 유도 역베타 붕괴 반응 덕분에 갈륨 원자에 충돌하는 중성미자는 원자의 중성자 중 하나가 양성자가 되어 갈륨을 게르마늄으로 바꾸고 전자를 방출하는 것을 봅니다. 생산된 게르마늄은 화학적으로 추출될 수 있으며 불안정성으로 인해 부패를 감지할 수 있습니다. 비례 카운터.
GALLEX 실험의 개략도. 신용: OSTI, DOE
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이탈리아의 GALLEX 실험은 갈륨 기반 중성미자 검출기의 주목할만한 사례 중 하나입니다. 우주선으로부터 보호하기 위해 지하 깊은 곳에 위치한 GALLEX 탐지기는 30톤의 액체 갈륨을 담은 탱크로 구성되었으며 1991년부터 1997년까지 실행되었습니다. 이 실험은 태양 중성미자를 연구하는 데 중요한 역할을 했으며 그 결과는 우리의 연구에 크게 기여했습니다. 태양과 그 과정에 대한 이해. 그 후계자는 1998년부터 2003년까지 운영된 갈륨 중성미자 관측소였습니다. 소련-미국 갈륨 실험(SAGE)은 또 다른 장기 갈륨 기반 중성미자 탐지기였습니다. 이 실험은 저에너지 중성미자를 검출하는 능력으로 높이 평가되었지만 액체 금속 형태 또는 갈륨 삼염화물-염산 용액으로 많은 톤의 갈륨이 필요하기 때문에 비용이 많이 들었습니다.
결론
오늘날 입자물리학의 특성상 모든 현상을 조사하려면 다양한 대규모 실험이 필요합니다. 이는 결코 중성미자 검출 방법의 전체 목록이 아니라, 포착하기 어려운 입자를 추적하는 데 사용할 수 있는 다양한 방법에 대한 지침입니다. 새롭고 더욱 흥미로운 탐지기가 구축될 것이며, 고등학교 물리학에서 배우는 기본 입자를 넘어 아원자 입자에 대한 더 많은 비밀을 밝혀낼 수 있기를 바랍니다. 현재 대학 수준에서 입자 물리학을 공부하고 있다면 이러한 고급 중성미자 프로젝트 중 하나에 참여하고 있는 자신을 발견할 수 있을 것입니다!
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- 출처: https://hackaday.com/2023/11/14/detecting-neutrinos-the-slippery-ghost-particles-that-dont-want-to-interact/
