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2012년 4월 28일 토요일

초광속 중성미자를 반박하는 연구 결과



Superluminal Neutrinos at OPERA Confront Pion Decay Kinematics


 지난 2011 년 9월에 CERN 의 OPERA 실험 팀이 발표한 광속보다 빠른 중성 미자 (Superluminal Neutrinos) 의 발표 이후 이 결과를 의문시 하는 수많은 논문들이 쏟아졌다. (초광속 중성 미자에 대해서는 이전에 기술한  http://blog.naver.com/jjy0501/100145818048 를 참조) 


 Ramanath Cowsik ( PhD, professor of physics in Arts & Sciences and director of the McDonnell Center for the Space Sciences at Washington University in St. Louis ) 을 비롯한 연구자들은 본래는 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 검증하기 위한 남극에서의 실험을 통해 이 OPERA 실험에서 발견된 초광속 중성미자에 대해서 의문을 제기했다. 


 연구자들은 남극에 1.5 마일 깊이에 구멍 86 개를 뚫고 여기에 총 5160 개의 모듈이 있는 센서를 설치했다. 이를 통해 연구자들이 측정하고자 한 것은 파이 중간자 (pion) 가 뮤온 (Muon) 으로 붕괴되는 과정이다. OPERA 실험에서는 뉴트리노를 생성하기 위해 파이 중간자가 뮤온 뉴트리노로 붕괴되는 현상을 이용했다. 


 태양과 다른 우주에서 날아오는 고에너지 입자들이 남극의 두꺼운 얼음을 통과하는 동안 파이 붕괴 (pion decay) 가 일어나는 과정을 측정한 결과 연구진들은 초광속 뉴트리노가 발생하는 과정을 전혀 관측할 수 없었다. 


 일반적으로 높은 에너지를 가진 뉴트리노일 수록 속도는 빨라질 것으로 여겨진다. 그러나 그러기 위해서는 파이 중간자의 에너지가 같이 높아져야 하는데 이런 파이 중간자는 붕괴되는 데 시간이 오래 걸린다. 이 연구에서 측정된 파이 중간자 가운데는 OPERA 실험 보다 10000 배나 높은 에너지를 지닌 것도 있었으나 이런 높은 에너지를 가진 파이 중간자일 수록 붕괴되는 데 걸리는 시간이 더 걸리기 때문에 실제 CERN 에서 실행된 실험에서는 뉴트리노로 붕괴되기 전에 터널에서 사라졌을 가능성이 높다. 




(CERN 지하의 뉴트리노 생성기에서 생성된 중성미자 (뮤온 중성미자) 가 지하를 통해 그란 사소로 날아간다  http://en.wikipedia.org/wiki/File:CNGS_layout_%28OPERA_experiment%29.jpg ) 



 OPERA 실험에서 터널에서 파이 중간자가 뮤온 뉴트리노로 붕괴되는데 만약 뉴트리노로 붕괴되지 못한 파이 중간자는 터널에서 막히게 되며 뉴트리노는 워낙 주변 물질과 반응이 없기 때문에 그대로 직진해서 730 km 떨어진 그란 사소 까지 가는 것이 OPERA 실험의 기본 가정이었다. 그러나 본 연구의 연구자들은  그런 높은 에너지를 가진 파이 중간자가 초광속 중성미자를 만들고 사라질 만큼 빨리 붕괴되지 못한다고 보고 있다. 그리고 이 실험에서 측정된 어느 중성미자도 광속을 뛰어넘지 못했다. 


 따라서 연구자들은 실제로는 초광속 중성미자는 존재하지 않을 가능성이 높다고 보고 있으며 OPERA 실험 결과에 에러가 있었을 것으로 추정하고 있다. 이 연구 결과는 Physical Review Letters 에 실렸다.  


Journal Reference:

  1. Ramanath Cowsik, Shmuel Nussinov, Utpal Sarkar.Superluminal Neutrinos at OPERA Confront Pion Decay Kinematics. Physical Review Letters, 2011; 107 (25) DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.251801

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