How big is 고에너지 중성미자?

고에너지 중성미자는 매우 큰 에너지를 지닌 중성미자로, 먼 우주에서 지구에 도달하는 중성미자가 그 예이다. 중성미자는 전하가 없고 질량이 거의 없는 기본 입자이다. 중성미자의 크기를 측정한 실험은 없으므로, 표시된 값은 측정값이 아니다.

크기

크기 표시에는 15젭토미터, 곧 1.5 × 10⁻²⁰미터로 나와 있다. 1젭토미터는 10⁻²¹미터로, 1미터의 10억분의 1의 10억분의 1의 1,000분의 1이다. 10⁻²¹이라는 표기는 1을, 1 뒤에 0이 21개 붙은 수로 나눈 값을 뜻한다. 이 사이트는 고에너지 중성미자의 에너지가 얼마인지 밝히지 않으며, 어떤 에너지의 중성미자든 크기를 측정한 실험은 없다.

쿼크에 대해서는 실험으로 적어도 크기의 상한을 정해 두었다. 중성미자는 크기를 어떻게 정의해야 하는지조차 물리학자들 사이에 합의가 없다. 전 세계의 입자 측정값을 모으는 입자 데이터 그룹(Particle Data Group)은 중성미자 전하 반지름이라는 양에 대한 한계값을 싣고 있다. 또한 그 양의 의미를 두고 아직 논쟁이 있다고 덧붙인다.

잘 알려진 것은 중성미자가 무엇과도 상호작용하는 일이 매우 드물다는 점이다. 중성미자는 네 가지 기본 힘 중 약력과 중력, 두 가지만 느낀다. 전하가 없어서 전기력과 자기력에 끌리거나 밀리지 않고, 쿼크를 묶는 강력도 느끼지 않는다.

크기 비교

중력을 제외하면 중성미자는 약력으로만 다른 입자에 영향을 줄 수 있으며, 이 힘은 약 10⁻¹⁸미터까지 미친다. 이 거리는 양성자 지름의 1,000분의 1에 못 미치는데, 양성자의 지름은 약 1.7펨토미터(1.7 × 10⁻¹⁵미터)이다.
대부분의 중성미자는 지름이 12,742킬로미터인 지구 전체를 멈추지 않고 곧장 통과한다.
부딪힐 확률은 에너지가 클수록 커진다. 에너지가 40TeV(40조 전자볼트이며, 전자볼트는 아주 작은 에너지 단위이다)인 중성미자는 지구에 막히기 전에 평균적으로 지구 지름 정도의 거리를 나아간다.
상호작용하는 소수의 중성미자를 포착하기 위해 남극의 아이스큐브(IceCube) 검출기는 1세제곱킬로미터의 얼음을 지켜본다. 표면 아래 1,450~2,450미터 사이에 광센서 5,160개가 매달려 있다.

우주에서 온 중성미자

2010년 5월부터 2012년 5월까지 아이스큐브는 고에너지 사건 28건을 기록했다. 지구 대기에서 만들어진 입자로 예상되는 약 11건보다 훨씬 많았다. 에너지가 가장 큰 두 사건은 각각 약 1PeV, 곧 1,000TeV의 에너지를 지니고 있었다. 2013년에 아이스큐브 연구팀은 이 사건들을 우주에서 온 고에너지 중성미자의 증거로 보고했다.

2023년 2월 13일, 시칠리아 앞 지중해의 수심 3,450미터에 있는 KM3NeT 망원경의 ARCA 검출기가 에너지가 약 220PeV로 추정되는 중성미자를 기록했다. 2026년 현재 이 중성미자는 지금까지 관측된 가장 에너지가 큰 중성미자이다. 이 입자 하나가 지닌 에너지는 테니스공을 6센티미터 높이에서 떨어뜨릴 때의 에너지와 대략 같다.

과학자들은 이런 중성미자가 초대질량 블랙홀 주변이나 폭발하는 별처럼 우주에서 가장 격렬한 곳에서 온다고 생각한다. 이런 곳에서는 우주선(宇宙線)이라는 입자가 엄청난 에너지로 가속되며, 이 입자가 중성미자를 만들어 낼 수 있다.

중성미자를 포착하는 방법

중성미자는 빛의 입자인 광자 다음으로 우주에서 흔한 입자이다. 그런데도 상호작용하는 일이 매우 드물어서, OpenStax 교재 Astronomy의 표현을 빌리면 “중성미자에게 지구는, 빛의 광자에게 가장 얇고 깨끗한 유리판이 투명한 것보다 더 투명하다.” 중성미자를 포착하려면 거대한 검출기가 필요하다.

아이스큐브와 KM3NeT는 엄청난 부피의 얼음이나 바닷물을 지켜본다. 중성미자가 실제로 무언가에 부딪히면 전하를 띤 입자가 생기고, 이 입자가 체렌코프 빛이라는 푸르스름한 빛을 낸다. 센서가 이 빛을 기록하면, 물리학자들은 이를 이용해 중성미자의 방향과 에너지를 알아낸다.