김충선 교수 논문, 미국물리학회(APS)에서 연구 성과 주목

 

 

김충선 물리학과 교수의 논문이 미국물리학회(American Physical Society)가 선정한 “주목할 만한 특출한 논문(Spot-lighting Exceptional Research)”으로 지난 11월 18일 발표됐다.

 

김 교수의 새로운 이론적 연구로 중성미자가 자기 자신의 반입자인지, 혹은 반입자와 다른 입자인지 하는 입자물리의 근본 의문에 대한 답이 약한 핵력의 매개입자(W-보손)의 붕괴를 통해 밝혀질 수 있음이 알려지게 된 것이다. 미국물리학회는 다음과 같이 김 교수의 논문을 소개했다.

 

 

김충선 교수는 “이 논문에서 제안한 Sterile Neutrino가 실제 존재한다면 스위스 제네바의 LHC의 실험실에서 머잖아 발견될 것”이라며 “이로부터 새로운 형태의 무거운 중성미자의 존재가 증명되며, 우주 속에 존재해야만 하는 암흑물질의 존재가 최초로 밝혀지게 되는 것”이라고 설명했다. 현존하는 입자물리 최대의 의문이 풀리는 것이다.

 

또한 이 새로운 입자가 마요라나 입자로 밝혀지면 Lepton Number Violation(LNV)가 증명되며, 이로부터 Leptogenesis(경입자우주창조)가 가능해지면서 우주 물리학의 새로운 방향이 열리게 된다고 덧붙였다.

 

1930년 E. Majorana에 의해 제안된 입자와 반입자가 동체인 새로운 형태의 입자, 마요라나 입자의 존재가 최초로 밝혀지게 되는 것이다. 나아가 입자물리 표준모형속에 존재하는 매우 가벼운 중성미자의 질량 문제가 해결될 수 있는 실마리가 제공될 것으로 기대된다(시소모형 참조).

 

 

 

Synopsis: LHC Data Might Reveal Nature of Neutrinos

 

올해의 노벨 물리학상에서 입증된 바와 같이 중성미자는 영이 아닌 매우 작은 질량을 가지고 있음이 알려졌다. 하지만 이것은 “중성미자의 질량이 왜 다른 입자들보다 훨씬 작은지”에 대한 새로운 의문을 야기했다. 한 가지 해답은 “중성미자는 다른 입자들과 달리 자기 자신의 반입자”라고 가정하는 것이다. 그리고 이 가설이 스위스 제네바에서 수행 중인 강입자충돌기(LHC)에서의 약한 핵력 매개입자(W-보손)의 특정한 붕괴를 통해 증명될 가능성이 이번 새로운 이론 연구로 제시된 것이다.

 

전자, 양성자, 그리고 그러한 페르미 입자들은 질량은 같지만 반대의 전하를 가지고 있는 별도의 반입자를 가지고 있다. 우리는 이들을 디락(Dirac) 입자라 부른다. 물론 중성미자는 그러한 페르미 입자로서 디락 입자가 될 수 있을 것이다. 하지만 중성미자는 전하를 가지고 있지 않기 때문에 입자와 반입자가 같은 마요라나(Majorana) 입자도 될 수 있는 것이다. 이러한 마요라나 모델들은 극히 작은 중성미자의 질량에 대한 매우 자연스러운 설명을 할 수 있기에 굉장히 흥미롭다(시소모델 참조).

 

중성미자가 마요라나 입자인지 혹은 디락 입자인지 밝히고자 현재 LHC에서 극단적으로 드물게 발생하는 핵붕괴 실험들을 수행하고 있다. 이러한 실험적 연구 영역을 넓히기 위해 이번에 칠레 산타마리아 대학의 Claudio Dib 박사와 한국 연세대학교의 김충선 박사가 W-보손 붕괴에 대한 새로운 이론을 제시했다. 그들은 전자, 뮤온, 그리고 중성미자의 특정한 결합을 야기하는 붕괴를 보도록 제안했다. 이러한 특정 붕괴는 아직 실험실에서 관측되지 않았지만 가상의 비활성 중성 미자(Sterile Neutrino)를 이용해 이론적으로 가능함이 이번에 예측된 것이며, LHC의 다음 작동 시 이와 같은 특정 붕괴가 약 수천 번에 걸쳐 일어날 수 있음이 밝혀진 것이다. 만약 이들의 계산이 맞다면 이번에 제안된 특정 붕괴에서 방출하는 뮤온들의 에너지 스펙트럼을 통해 가설로만 존재하는 비활성 중성미자의 존재가 실험실에서 증명될 것이며, 동시에 이 가상의 입자가 마요라나 입자인지 디락 입자인지 구별할 수도 있다는 것이 이 연구를 통하여 밝혀진 것이다.