[◆J] Three Types of Neutrino - 1990

[◆J] Three Types of Neutrino - 1990

세 종류의 뉴트리노 (1990년)

Soon after the LEP collider started operation, the four detectors (Aleph, Delphi, Opai and L3) announced proof that there are only 3 types of neutrino, as demonstrated by agreement between the experimental data (solid points) and the theoretical predictions for 2, 3 or 4 neutrino types (curves).

LEP(대형 전자-양전자 부딪치개)를 가동하고나서 얼마 후 네 검출기는 뉴트리노가 세 종류를 가진다는 것을 보고했다. 

이것은 이론적으로 예측했던 것을 실험적으로 증명한 경우이다.

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파울리가 어떤 입자들의 붕괴과정에서 질량 및 에너지는 보존되지만 각운동량이 보존되지 않는다는 것을 설명하기 위해 질량이 0인 스핀이 0이 아닌 중성의 입자의 존재를 가정한다. 

이후 페르미가 중성이라는 뜻과 이탈리아로 아이(질량이 0이고 가벼워서)라는 의미의 결합인 뉴트리노라는 이름으로 이 입자를 부른다.

이 뉴트리노는 약력 혹은 약한 상호작용과 늘 따라다니는데 아래와 같이 

쿼크와 전자와 짝을 지워 일가(一家)를 이룬다.

보통 이런 분류를 세대(generation)라고 한다.

▲  기본 입자의 세대 (위키페이아)

내 기억이 맞다면 1990년의 뉴트리노의 발견은 그 존재와 더불어 유한한 질량을 가지는 것도 증명한 것으로 알려져 있다.다만 다른 입자들과 반응하기엔 중성이고 너무나 작은 질량을 가지고 있어서 검출하기가 워낙 어렵다.

카드의 그림 속의 그림을 잠시 살펴보자.

가로 축은 에너지라고 되어 있다. LEP에서 충돌실험이 있고 그기서 많은 입자들이 생성된다. 그 입자들 중에서 뉴트리노가 검출될만한 에너지대의 입자들을 집중적으로 살펴본다.

핵이나 입자물리에서는 에너지와 질량을 동일한 단위로 취급한다. 

과 같이 에너지와 질량이 서로 변환할 수 있는데 언제나 나오는 양자역학에서의 상수 h-bar와 광속 c를 1로 두며 이런 단위계를 자연단위(natual unit)라고 한다. 

c=1이면 E=m이되고 입자의 정지에너지는 곧 입자의 질량을 뜻한다.

그림의 x축은 충돌하는 전자와 양전자의 에너지일 것인데 이 들의 에너지가 뉴트리노가 만들어질 최소한의 조건을 만족하게 되면 (즉, 문턱 에너지에 도달하면) 뉴트리노가 생겨나기 시작한다.

그 유명한 파인만 다이어그램 등을 통해 우리는 이론적으로 충돌입자의 에너지에 따라 생성입자가 얼마나 생길지를 계산할 수 있다.

▲ 카드 그림의 세로축 : 산란 단면적(cross section)

그림의 세로축이 바로 입자가 생성되는 숫자를 말하는데 산란단면적이라고 부른다. 이 값은 입사 입자의 밀도가 분모에 위치하고 결과입자가 생성될 확률이 분자에 들어가는 표현식을 가진다.

산란단면적의 단위가 [길이]의 제곱이다. 즉 단위가 넓이라서 면적이라는 이름이 붙었다.

결국엔 스핀이나 전하 등 여러 값과도 연결된 산란 단면적은 이론 물리학과 실험 물리학을 연결하고 서로를 소통하게 하는 중요한 개념이다.

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[1] WIKIPEDIA : generation

http://en.wikipedia.org/wiki/Generation_(particle_physics)

[2]barn

http://en.wikipedia.org/wiki/Barn_(unit)